精馏塔膨胀节水压失效的分析和改进措施(溧阳云龙)投稿

1精馏塔膨胀节水压试验失效的原因和改进措施潘俊杰（江苏省溧阳市云龙设备制造有限公司，溧阳市213311）摘要：波形膨胀节常被用来补偿管线或设备的热胀冷缩，以保证管线或设备的正常运行。目前压力容器中选用波形膨胀节时通常按照GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》设计、制造。本文通过对精馏塔中小波高膨胀节在设备水压试验时变形失效的案例分析，指出设计选用小波高膨胀节时，除了满足位移要求外，还需根据不同的使用条件对端板及定位拉杆进行校核，以防止设备在水压试验或使用工况下发生膨胀节的失效。关键词：波形膨胀节水压试验端板及定位拉杆校核前言波形膨胀节常被用来补偿管线或设备的热胀冷缩，以保证管线或设备的正常运行，在石油、化工等装置中得到广泛应用。某公司制造的精馏塔时在卧式水压试验时，塔节中设置的波形膨胀节因定位端板产生变形导致失效。经核算后重新调整定位拉杆数量和端板的结构，最终通过了水压试验验收。该小波高膨胀节按照GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》[1]设计、制造。当选用标准的小波高（ZX）膨胀节时，由于标准中没有端板及定位拉杆的详细尺寸和计算内容，设计时除了考虑满足位移要求外，还需根据不同的使用条件对端板及定位拉杆进行校核，以防止设备在水压试验或使用工况下膨胀节过度变形而失效。1.波形膨胀节变形原因我公司制造的精馏塔结构示意如图1，该塔安装在精馏塔釜上。塔设备的操作温度是常温到180℃，操作压力是真空到0.45MPa，塔体材料选用S31603。塔节的固定耳座距离下部釜体连接外表面的距离约4米。由于塔体操作温差变化引起的轴向位移在精馏塔釜体上将产生很大的载荷，用户要求精馏塔体中设置膨胀节来补偿该轴向位移，以确保设备正常运行，其结构示意如下图1所示。1—精馏塔釜2—膨胀节3—定位拉杆4—精馏塔φ10005—耳座图1根据设备的操作工况，设计时按文献1初步选用型号ZX1000—0.6—1×3×3(Mo)，并经过内、外压力计算校核。按操作温差计算塔节中固2定耳座到釜体外表面的轴向位移为10.99mm，查得波形膨胀节单波最大位移量4.8mm，考虑温度修正系数后单波最大位移量为4.84mm，膨胀节的许用位移量为4.84×（3—0.7）=11.13mm，膨胀节的位移补偿符合设计要求。由于ZX型膨胀节在文献1中对定位拉杆和端板仅用图形表示大概结构，选用具体的型号时缺少更详细的信息。设计人员以为定位拉杆仅是膨胀节运输时的安全辅助装置，设备安装就位后定位拉杆需拆除，同时参照用户的条件图，选用4个φ20的定位拉杆。当精馏塔釜和塔节制造完毕进行卧式水压试验时（0.7MPa），定位拉杆的4块方型端板产生变形而导致波形膨胀节变形失效。在文献1中提及当膨胀节与设备一起进行水压试验时，还应采取措施支承附加于膨胀节上的载荷。由于膨胀节安装在塔节中，设备水压试验时膨胀节的两端是不固定的，当压力升高时定位拉杆的端板由于没有筋板的支撑首先发生变形，膨胀节产生初始位移并随着水压试验压力的上升，压力产生的经向弯曲应力过大，在各波波谷和波峰形成塑性铰，使波纹平面产生偏移，膨胀节波距变大而失稳，导致膨胀节失效。2.定位拉杆的校核在文献1中对定位拉杆的材料提出了要求，但对其计算并没有更详细的内容，对定位拉杆也没有提供规格。本设备进行水压试验时，由于没有温差变化故可不考虑位移产生的轴向力，仅考虑水压试验产生的载荷，按膨胀节的平均直径计算膨胀节的轴向载荷，该载荷由拉杆承受。经计算膨胀节平均截面积A=892039mm2，水压试验时膨胀节承受的载荷F=624427N，定位拉杆选用16个M24，材料35棒材，按GB150[2]取许用应力118MPa。经校核拉杆直径不小于20.53mm,M24螺栓的最小直径20.752mm，螺栓直径合格，可见原选拉杆数量及规格是无法满足水压要求的。3.端板的校核根据设备的实际情况，原4块方型端板改为整圈结构，端板焊接在设备法兰上，并增加了支撑筋板，其结构示意如图2。图2图中端板主要承受拉杆作用的弯矩，与筋板连接处可看作简支，与设备上相焊处可看固支，其计算可参考文献5中有关内容。筋板可看作两端铰接并受轴向力的压板，筋板与设备的焊缝将承受由拉杆力所产生的剪应力及由弯矩产生的拉应力和压应力，焊缝主要校核拉和剪的组合应力。筋板及焊缝的计算也可参考文献6中立式容器支座计算相关内容。按重新选用的拉杆和经校核合格的端板结构，在设备进行第二次水压试验时，膨胀节没有发生变形，顺利地通过了验收。3.结束语按照文献1设计选用压力容器用膨胀节时，标准中提出了当膨胀节与设备一起进行水压试验时，应采取措施支承附加于膨胀节上的载荷，对通常安装于固定管板式换热器时能满足两端固定3的要求。当选用小波高膨胀节时，由于标准中仅给出了端板及定位拉杆的示意图，并没有给出详细尺寸或相关的设计计算内容，因此容易使人误以为定位拉杆和端板的作用仅是运输组装中防变形的辅助装置。实际上除了小波高膨胀节外，文献1中其它类型的膨胀节也需根据实际情况来满足水压试验时两端固定的要求。尤其是在设备正常工作工况定位拉杆及端板仍需保留时，定位拉杆所承受的载荷除了压力产生的轴向力外，还需同时考虑工作时位移产生的载荷，在端板支承处还需考虑设备上的局部应力[4]。当然端板和拉杆的结构还可以参照GB12777-2008[3]的附录C进行设计。由此可见，在压力容器设计中选用膨胀节时除了考虑满足位移要求外，还需根据具体的使用条件和具体结构对端板及定位拉杆进行校核，以防止在设备水压试验或使用工况下发生膨胀节因过度变形而失效。参考文献[1]GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》[2]GB150-2011《压力容器》[3]GB/T12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》[4]《波形膨胀节实用技术》—设计制造与应用李永生李建国主编[5]《机械设计手册》第四版化学工业出版社[6]《压力容器设计指导手册》叶文邦张建荣曹文辉主编TheFailureReasonforHydraulicTestofFractionationTowerandSomeAdviceforImprovementPanJun-jie(LiYangYunLongEquipmentManufacturingCO.,LTD.LiYang213311,China)Abastract:Bellowsexpansionjointswerewidlyusedinpipingsandequipmentsforitselasticextensiondeformationpropertyforthermalexpansionandcoldshrinkage.ThedesignandfabricationofbellowsexpansionjointsforpressurevesselsarealwaysfollowedGB16749-1997《Bellowsexpansionjointsforpressurevessel》inrecentyears.Throughanalyzingthefailurephenomenonforwaveletexpansionjiontsinhydraulictestoffractionationtower,itshowsthattheintensityforendplateandpositioningrodalsoshouldbecheckedindifferentcase,besideswaveletexpansionjointsmeettherequirementsofdisplacement。Sothatitmaypreventtheequipmentfromfailureinhydraulictestandsomedifferentcases..Keywords:bellowsexpansionjoints;hydraulictest;endplateandpositioningrodcheck