摘要：通过对带膨胀节换热器在使用过程中产生裂纹的原因进行分析,从而得出在没有外载的情况下，膨胀节产生裂纹的主要原因是设计膨胀节位移量不足以消除换热器温差应力。基于此，本文对换热器膨胀节裂纹分析及处理措施进行了分析。
关键词：换热器；膨胀节；裂纹；温差应力；补偿量
1.膨胀节裂纹分析
膨胀节失效主要有：强度破坏、失稳破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、高温蠕变破坏、脆裂破坏等，对于特定的某膨胀节，上述失效形式一般不会同时发生，但它们之间却有密切关系。如露点腐蚀，常会萌发应力开裂；失稳常引起疲劳失效等现象。限于篇幅，本文针对某化工厂锅炉第二给水预热器上的膨胀节在波峰附近发生裂纹进行分析。该设备2004年5月投用，2006年5月发现膨胀节波峰附近环向开裂（长约70mm），造成大量低变气泄漏，由于发现及时，没有发生火灾和人员伤亡事故，但对生产及周边地区的安全构成了很大威胁。因此找出膨胀节失效原因，避免或减少同类事故的重复发生，从而减少经济损失，确保安全是至关重要的。
壳程工作介质为低变气，经检查从投用到现在对膨胀节材料没有腐蚀。从现场实际情况看，膨胀节以前工作正常，按操作规程运行，未见异常变形。可排除膨胀节设计与制造由于强度、承压能力、耐温能力不足而造成裂纹失效的原因。在生产中膨胀节承受的应力状况较为复杂，主要有膨胀节加工成形及焊接时产生的残余应力,操作压力作用下产生的应力,开停车期间对膨胀节引起的交变应力,膨胀节安装时的误差及预变形造成的装配应力。从现场情况看，都是环向开裂，说明轴向应力很大。波峰上的圆弧过渡段正是整体不连续区，此处的应力大，故裂纹 产生于该过渡区，且呈环向。当波峰某处综合应力达到并超过膨胀节材料强度极限时,则即刻发生爆裂，从膨胀节爆裂碎片多为波峰环向断裂截面也证实起爆点 在波峰。危险截面在波谷、波峰圆弧中点附近,危险点在波谷圆弧中点附近内、外表面和波峰圆弧中点附近内表面处，膨胀节波峰焊缝附近产生裂纹。失效的膨胀节中间的波纹外表面油漆大部分已剥落，开裂发生在波纹第一节的波峰顶端，裂纹沿波峰周向扩展，长度约为周长 1/4 ,穿越纵向焊缝。由于膨胀节是冷压成形，其残余应力较大且分布不均衡，尤其在波峰和波谷附近残余应力的大小接近材料的屈服极限。裂纹位于膨胀节波峰附近，该处在运行工况下受拉伸应力的作用最大。曾有公司测量发现，在波峰和波谷过渡段的不连续区域径向应力达60 MPa，残余应力最高可达180MPa，叠加后组合应力远大于材料的屈服极限。通过实验得知，一般情况下，当只有伸缩变形时，最大径向应力发生在波峰或波谷上。由于膨胀节在制造过程中一般是采用冷加工成形：液压或滚压法。所以膨胀节顶部的减薄量比较大，且制造应力也比较大，因此膨胀节的破裂总是发生在膨胀节的顶部。
另外，对于膨胀节这种柔性构件来说，疲劳寿命与膨胀节的制造质量、几何尺寸的误差、材料本身的质量密切相关，都将对应力分布及应力的大小有显著的影响。例如在制造中应尽量减少成形偏差，因为10%的厚度公差就会产生 20%的压力弯曲应力变化，进而影响寿命。所以膨胀节的实际寿命与计算所得的数据误差较大。换热器零部件材料的机械性能、工况载荷、缺陷尺寸等因素都存在着随机性和不确定性,理论方法求得的结果不能准确地反映实际情况。
对裂纹进行宏观检查，从外表面观察，膨胀节裂纹位置符合上述分析，同样出现在波峰位置（基本上接近波峰）的环向裂纹,由于波峰是拉应力相对最高的截面位置，在膨胀节补偿量不够时所产生应力水平超过材料强度极限的条件下，导致膨胀节波峰附近出现环向开裂。
2.处理措施
2.1措施确定
常规的处理措施基本上是现场直接补焊、仿制弧板补焊、高温胶泥封堵、自制盒子堵漏，但根据资料介绍，这些措施仅能应付一时，不能长久。如果重新制作膨胀节更换，需选用2波标准膨胀节方可继续正常运行，但拆装工序繁琐、费用高、停车时间长、损失较大。为此，从节约及企业经济效益考虑，设计了一种简易的新型膨胀节，并委托膨胀节专业制造公司按膨胀节标准GB16749—1997制造、检验、验收、油漆、包装和运输，且须符合 GB150.1~150.4—2011等相关标准。待运回工厂后，在现场套焊在原膨胀节上，结构如图1所示。
图 1 膨胀节结构示意图
图2第二预热器上的新型膨胀节
图3第一预热器上的新型膨胀节
新型膨胀节吊装到位后，要对称调整平直，间隙符合规范要求；焊接时要将新型膨胀节保护起来，防止飞溅、碰伤、擦伤和划伤新型膨胀节，禁止在新型膨胀节上引弧。壳体上的旧膨胀节无需割除，可将旧膨胀节波峰的圆弧部分去除，以便自由伸缩；旧膨胀节还可起到衬筒和导流筒的作用，以减轻流体对新型膨胀节冲刷磨损。如果在壳体上割除旧膨胀节，则容易损坏换热管束，并且筒体会变形和偏移，造成新型膨胀节组对焊接困难；严禁用膨胀节变形的方法来调整安装误差，以免影响新型膨胀节的使用效果和降低使用寿命。新型膨胀节整体制作完成后，如果切割成两半后运输，即使用专用工装夹具将膨
胀节固定，也难保运输过程中不变形或不发生偏差，因此，须在现场安装时方可对称切割成两半，接着进行整形、打磨坡口、组装对焊、探伤、试压等工序。
图4各级水冷却器上的新型膨胀节
2.2效果分析
采用这种新型膨胀节，其设计、制作和安装的工作量都不大、停车时间短、组对容易、耗材少、费用低，取得的效果良好；在费用方面，加上施工阶段停产损失，与膨胀节整体更换相比可综合节约 6.75万元，与换热器整体更换相比可综合节约18.92万元。新型膨胀节自2006年6月投用至今已连续12年正常运行，包括管程均未发生过泄漏现象，照片如图2所示。在2011年11月，锅炉第一给水预热器膨胀节发生裂纹泄漏，笔者采用同样的方案设计新型膨胀节，自2011年12 月投用至今已连续正常运行6年零5个月，包括管程也未发生过泄漏现象，如图 3所示。随后，D型压缩机一、二、三级共3台水冷却器的碳钢膨胀节因介质腐蚀相继损坏，笔者也采用同样的方案设计，全部改为不锈钢新型膨胀节正常运行到现在，如图4所示。经过生产上长期安全正常运行证明，设计这种新型膨胀节的处理措施是切实可行的，效果显著。
结论
膨胀节产生裂纹的原因是在设计换热器时，按标准选用膨胀节，其伸缩量不能满足换热器实际工作过程中的位移量，所产生的温差应力超过膨胀节材料许用应力，造成膨胀节在波峰附近发生环向裂纹泄漏而失效。为此，设计简易新型膨胀节的补偿量增加了72.22%，满足了热应力变化产生的伸缩量要求，连续正常运行12年，由此推广运用于其它换热器上，达到了长期安全可靠运行，获得了良好的经济效果。其创新特点有：
（1）设计简易新型膨胀节的伸缩量远大于同规格的标准膨胀节，适应温差范围大，不但能够用于替代设备和管道上失效的单波膨胀节，还可用于温差增大需要配置膨胀节的地方，而不必重新制作更换设备。
（2）该种新型膨胀节在安装时，无需改变设备结构和对设备进行拆卸吊装，在现场直接套焊在原膨胀节上即可，可完全满足实际生产要求。如果选用原有标准膨胀节结构就不能这样快捷的实现并达到目的。
参考文献：
[1]张卫义,安永明. 再沸器膨胀节应力分布的电测分析[J]. 石油化工设备,2006(05):19-21.
论文作者:王铁1,赵俊东2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/4/22
标签：膨胀节论文; 应力论文; 波峰论文; 裂纹论文; 换热器论文; 波谷论文; 圆弧论文; 《电力设备》2018年第31期论文;