高温烟气管道膨胀节稳定失效分析与设计优化.pdf

压 力 容 器2024 年 2 月66 第 41 卷第 2 期 收稿日期：2023-12-06 修稿日期：2024-01-28doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 02 009设 计 计 算高温烟气管道膨胀节稳定失效分析与设计优化刘广厦1，何海科1，王佳博2，李世乾3（1.国能新疆化工有限公司，乌鲁木齐 831400；2.中石油华东设计院，山东青岛 266000；3.洛阳双瑞特种装备有限公司，河南洛阳 471000）摘 要：针对某甲醇制烯烃（MTO）装置再生烟气管道波纹管膨胀节稳定失效的故障，分析了管道支座布置和操作工况变化对膨胀节稳定性的影响，结合管道热位移、盲板力的计算，证明了管道支座的选型及合理布置是保证膨胀节安全、有效服役的关键。提出了膨胀节的改造应用方案和治理措施，为类似工况膨胀节的应用和失效预防提供了经验。关键词：膨胀节；盲板力；支座；稳定失效中图分类号：TH49；TQ055.8 文献标志码：A Stability failure analysis and design optimization of expansion joint of high temperature flue gas pipelineLIUGuangsha1，HEHaike1，WANGJiabo2，LIShiqian3（1.CHNEnergyXinjiangChemicalCo.，Ltd.，Urumqi 831400，China；2.CNPCeastChinadesignInstitute，Qingdao 266000，China；3.LuoyangSunruiSpecialEquipmentCo.，Ltd.，Luoyang 471000，China）Abstract：Forthestabilityfailureofbellowsexpansionjointintheregeneratedfluegaspipelineofamethanoltoolefin（MTO）plant，theinfluencesofpipelinesupportarrangementandthevaryingoperatingconditionsonthestabilityofexpansionjointwereanalyzed Combinedwiththecalculationofpipelinethermaldisplacementandblindplateforce，itprovesthattheselectionandreasonablearrangementofpipelinesupportarethekeytoensurethesafeandeffectiveoperationoftheexpansionjoint Atthesametime，theapplicationschemeandtreatmentmeasuresoftheexpansionjointwereputforward，whichprovidesexperiencefortheapplicationandfailurepreventionofexpansionjointundersimilarworkingconditionsKey words：expansionjoint；blindplateforce；pipesupport；stabilityfailure0 引言石化设备的管道在运行过程中，由于受到环境温度、流体温度和压力变化的综合影响，往往存在一定的振动和位移，对连接设备的安全运行和管道密封性能产生不利影响1-2。因此，在管道设计中通常采取柔性补偿设计，用来吸收或转移管道振动、热胀冷缩引起的位移。常用的柔性补偿有自然补偿和补偿器补偿。自然补偿主要利用管道的柔性布置，常用的有 Z 型、L 型、型等布管型式；补偿器补偿包含文中所论述的膨胀节，通过在管路上增加弹性元件，吸收管线振动和位移。金属波纹管膨胀节因为具有补偿能力大、占用空间小、维护方便等优点，在煤制气、煤制烯烃、催化裂化等装置的高温、长距、热力和大口径管道上，有着广泛应用。按照膨胀节自身能否承受内压盲板力，将波纹管膨胀节分为约束性和无约束型膨胀节，其中约束性膨胀节能够承受内压盲板力，主要包括：单式铰链型、单式万向铰链型、复式铰链型、复式万向铰链型、复式拉杆型和压力平衡型等；而非约束型膨胀节不能承受盲板力，主要包括：外压轴向型、单式轴向型、比例连杆复式自由型等3-6。67刘广厦，等：高温烟气管道膨胀节稳定失效分析与设计优化1 高温烟气管道及膨胀节1.1 管道工艺说明甲醇制烯烃（MTO）装置是煤制烯烃技术应用的核心装置之一，通常由反应-再生系统、急冷水洗系统、污水汽提系统、公用工程及热工系统等组成。反再系统是装置的核心单元，在反应器中，气相进料甲醇在催化剂的活性下发生反应，产生以乙烯、丙烯为主的低碳烯烃分子和副产物，反应同时产生少量焦炭附着在催化剂表面导致失活，失活的催化剂被输送至再生器进行烧焦恢复活性。再生器烧焦产生约43000Nm3的再生烟气，操作温度达670，操作压力约0.07MPa，含有 CO，CO2等气体，通过烟气管道输送至热工系统，充分焚烧 CO 并回收热量，最终排放大气。烟气管道长约200m，采用冷壁设计，管道内设有隔热耐磨双层衬里，可以将管道外壁温度降到200以下，提高了管道的安全性，管道材料选用 SA672-C70焊接碳钢管，大大降低了管道的材料成本。1.2 烟道膨胀节形式及布置MTO 装置烟气管道输送距离长，管道直径、冷热态的温差、输送烟气量均较大，运行中管道存在较大的热膨胀位移，因此在烟气管道上设有多处金属波纹管膨胀节，用以吸收管道位移和振动。所用的膨胀节形式主要有单式轴向型和比例连杆复式自由型，两者均为自由型膨胀节，波纹管材质选用耐腐蚀性能、强度及加工性能优良的Incoloy800高温耐蚀合金。根据受力特点，单式轴向型膨胀节由一段波纹管和结构件组成，主要用于吸收轴向位移而不能承受内压盲板力；比例连杆复式自由型膨胀节由中间管连接两段波纹管及比例连杆等结构件组成，主要用于吸收轴向与横向组合位移，根据 GB/T 127772019金属波纹管膨胀节通用技术条件规定，也不能承受波纹管内压盲板力。因此，在烟气管道布置膨胀节的同时，设置了管道固定支座和导向支座，确保膨胀节的有效使用。图1示出双动滑阀至热工系统烟气管道布置，管道长度约60m，操作压力降至约0.007MPa，设置有1#，2#，3#膨胀节，均为单式轴向型膨胀节，主要用于吸收轴向位移；S1，S5，S7为固定支座，主要承受波纹管的盲板力、位移弹性力、介质流动及其他管道载荷引起的力；S2，S3，S4，S6为导向支座，根据 GB/T 359792018金属波纹管膨胀节选用、安装、使用维护技术规范，只允许管道在轴向自由移动；烟气管道通过三通和弯头通向焚烧炉或烟囱，三通及弯头后均设有固定支座，承受部分管道轴向力，保证烟气管道整体稳定。图1 烟气管道原始布置示意Fig.1 Originallayoutoffluegaspipeline烟道膨胀节的内压盲板力可根据以下公式进行计算：Fp=pAe（1）式中，p 为管道介质压力，N；Ae为波纹管有效截面积，mm2，Ae=dm2/4（dm为波纹管平均直径，mm）。波纹管平均直径 dm为1690mm，烟气管道压力 p 约为0.007MPa，可以计算出正常工况下，膨胀节的内压盲板力为15694.3N，约1570kg 的推力，盲板力与内压力成正比。设计的固定支座 S1止推载荷为5500kg，完全满足管道及波纹管膨胀节安全工作的需要。2 膨胀节稳定失效及影响2.1 稳定失效现象随着环保要求的提高，对 MTO 装置烟气焚烧及余热回收工艺进行了节能降耗和环保升级改68PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.2，2024造，在烟气管道后路增加一套全负荷 CO 焚烧炉，再生烟气余热及 CO 焚烧的化学能，用于过热饱和中压蒸汽和加热中压锅炉给水。为做好老旧、低效设备的淘汰和拆旧准备工作，在停车检修中将旧余锅设备从烟气管道的三通分支处割断分离，改造后管路结构见图2。图2 烟气管道检修改造布置示意Fig.2 Maintenanceandrenovationlayoutoffluegaspipeline开车过程中，烟气管道走向发生严重错位，管道支座发生位移后悬空，失去支撑和推力作用，波纹管膨胀节拉长变形严重，局部伸长量达到膨胀节长度的1/3，超出了波距的20%（见图3（a）。根据 GB/T 359792018中波纹管膨胀节的失效分类，属于典型的稳定失效（见图3（b）。（a）烟气管道变形（b）管道柱失稳情况图3 烟气管道膨胀节失稳变形情况Fig.3 Instabilitydeformationofexpansionjointoffluegaspipeline2.2 稳定失效的影响由于膨胀节变形，本身会产生严重的拉伸和挤压应力，基本失去了吸收管道位移和振动的作用，当膨胀节二次工作时，可能会造成波纹管应力开裂。另外，膨胀节受拉伸或挤压后，内部导流筒的位置发生变化，导流筒作为一个内部保护元件使用，在设计时原则上应尽可能短，以避免悬臂结构在流体作用下发生振动。但在膨胀节最大位移状态下，需要导流筒能够起到完全遮住波纹管，有效发挥导流和保护波纹管免受流体冲刷的目的。由于导流筒与波纹管之间是一个近似封闭的空腔，气体介质是静态的，对流传热量很小，气体的热导率很低，热量传递也很小7，因此，导流筒还有降温的作用，对于防止疲劳失效和高温腐蚀，提高波纹管使用寿命，有着重要作用。导流筒尾部与挡环间距增大，波纹管直接暴露在高温、含固（催化剂粉末）的烟气中，烟气中的 O，S，Cl-，NOx等化学组分对波纹管表层产生破坏或腐蚀作用，加剧波纹管材料的应力腐蚀失效。根据研究，Incoloy800合金长期在温度约500650的范围内使用时，会在晶界上析出富Cr 的碳化物，增加合金的脆性倾向，同时在晶界两侧的基体中产生贫 Cr 区，这为合金有选择性地发生皮下氧化和吸 S 腐蚀创造了条件。氧化腐蚀造成晶界强度减弱，在应力的作用下，晶界产生微裂纹，裂纹进一步促使腐蚀发生8，在管道应力的作用下，波纹管将快速地发生脆裂失效。因此，膨胀节的失稳变形会大大降低膨胀节的使用寿命和吸收轴向位移的能力，同时增加腐蚀开裂和泄漏的风险，给管道安全运行带来巨大隐患。69刘广厦，等：高温烟气管道膨胀节稳定失效分析与设计优化3 稳定失效原因分析根据膨胀节稳定失效的特点，失稳变形主要是在盲板力和轴位移的作用下发生的，导致膨胀节失稳的影响因素基本有膨胀节自身缺陷、介质工况条件变化、管路支座布置不合理等方面。该装置烟气管道波纹管膨胀节本身未进行检修，且在之前运行中工作良好，检查膨胀节的状态没有可疑缺陷。因此，可以首先排除膨胀节自身缺陷的问题，下面重点从介质和管道支座方面进行研究分析。3.1 介质工况分析经过对比在线监测记录，在烟气管道发生变形时，管道蝶阀 M1，M2在小开度阀位同时发生卡涩故障，导致管道内憋压，压力最高达到0.25MPa，大大超出正常的工作压力。虽然经过处理后，阀门恢复正常，但在高压时，管道膨胀节已经发生变形。根据计算，压力在0.25MPa 时，波纹管膨胀节的内压盲板力达到了正常操作水平的35倍，巨大的盲板力作用在膨胀节和固定支座上，使固定支座失效发生位移，膨胀节发生拉伸变形，如图4所示。（a）（b）图4 管道膨胀节拉伸及支座位移情况Fig.4 Stretchingofexpansionjointofpipelineanddisplacementofpipesupport查询膨胀节的设计参数，设计压力为0.26MPa，设计轴向位移45mm，管道的轴向位移主要由管道温度引起的线性膨胀引起，管道伸长量计算公式9如下：L=Lt（2）式中，为钢材在适用温度下的平均膨胀系数，-1；L 为烟道长度，mm；t 为温差，。管道温差为安装时的环境温度与工作状态下管道金属材料的温度差，按照最大150取值，查询碳钢线膨胀系数=11.8810-6-1。利用上述公式，根据每个膨胀节所作用的管道长度，可以计算出管道的热位移，如表1所示。每段烟气管道上膨胀节的允许轴位移都大于管道热伸长量，因此操作温度引起的轴位移属于正常状态，不是膨胀节失稳的主要原因。表1 膨胀节允许轴位移及管道热膨胀量对比Tab.1 Comparisonofallowableaxialdisplacementofexpansionjointandthermalexpansionofpipeline膨胀节 管道长度/m允许轴位移/mm热伸长量/mm结论1#224539.2合格2#153526.7合格3#155026.7合格3.2 管路支座分析通过对比图1和图2，烟气管道检修改造后，直管段管道支座未进行变动，对三通支管处进行了盲断处理，三通后的固定支座对直管段不再有固定作用，S1、S5固定支座间管道长度33m，设置单式轴向型膨胀节2个，膨胀节间没有固定支座吸收管道的内压盲板力，管道稳定性降低，无法满足检修改造后的管道热膨胀需求。管道投用升温后，在膨胀位移和盲板力的作用下，管道扭曲变形，1#，2#膨胀节发生拉伸失稳。在变形的同时，管道轴向产生巨大的推力，位移惯性力和盲板力同时作用在远端固定支座上，导致固定支座失效，加剧管道位移。由于3#两边固定支座的作用未发生大的扭曲，但随管道的轴位移发生了小幅度拉伸。综上所述，烟气管道投用过程中，阀门故障导致管道内憋压，是引起管道及膨胀节稳定失效的直接原因。通过分析，管道流程发生变化，管道支座布置与新流程不匹配是导致失效的根本原因。70PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.2，20244 膨胀节管道的设计优化及改造为消除烟气管道和膨胀节失效的隐患，对管道进行再次检修，重新对管道进行设计优化（见图5）。一方面，拆除失效严重的1#、2#膨胀节，用1台闲置的膨胀节代替；另一方面，解决管道的稳定性问题，在安装自由型膨胀节的管道上，膨胀节的上下游弯头处、直管段变径处、三通处、2个膨胀节中间阀门连接处以及管道的盲端均应设中间固定架和主固定架10，在2个固定支座间宜仅设置1个轴向自由型膨胀进行布置，第1个导向支架距膨胀节的间距不得大于4D，第2个导向支架与第1个导向支架的间距不得大于14D，其余支架之间的最大间距按管道跨距的规定布置11，即将S4改造成固定支座，同时提高 S1和 S7固定支座的承载强度。图5 烟气管道设计优化布置示意Fig.5 Optimizeddesignlayoutoffluegaspipeline替代的膨胀节为比例连杆复式自由型膨胀节，原设计没有耐温特性，轴向位移量只有30mm，直接替代1#和2#膨胀节无法满足管道热位移，且不能承受高温烟气的工况条件，因此需要现场对其进行改造。首先，按照 GB/T504742008隔热耐磨衬里技术规范的要求对膨胀节内部施工，增加隔热耐磨衬里，在导流筒与波纹管的间隙处填充耐温陶瓷纤维材料，降低高危烟气对波纹管的直接影响；其次，重点改造是增加膨胀节的许用轴位移，经过与制造商沟通研究，该膨胀节的轴位移允许扩大，需要对连杆铰链机构的限位孔进行扩大改造。该膨胀节铰链机构比较复杂（见图6（a），改造限位孔难度比较高，而且耗时费工，因此决定直接改造连杆。将连杆从中间截断，在2个短头上焊接高强螺栓，重新安装一块强度足够的中间连接板，板上开限位孔，通过螺栓连接把紧，将原连杆连接成整体，通过连接板上的限位孔将膨胀节的许用轴位移增加到80mm，以保证膨胀节的正常工作，改造后如图6（b）所示，可以大大提高改造效率，缩短检修时间。（a）改造前 （b）改造后图6 膨胀节的膨胀量及耐温改造示意Fig.6 Expansionamountandtemperatureresistancerenovationoftheexpansionjoint71刘广厦，等：高温烟气管道膨胀节稳定失效分析与设计优化5 结语（1）引起高温烟气管道膨胀节稳定失效的原因主要是管道支座设置不合理所致。通过对膨胀节管道系统进行优化改造，增加固定支座、加固导向支座，同时改造替代缺陷膨胀节，成功消除了烟气管道失效缺陷问题。（2）在应用膨胀节的管道系统中，支座的选型、布置及承载力对管道的稳定性起着决定性的作用，管道工艺操作的平稳性也是管道安全运行的重要保障。（3）在管道支座设计和选型时，每一个自由型膨胀节两侧均应设置固定支座，且固定支座应能够满足最大工况下轴向内压盲板力、波纹管弹力、摩擦力的作用，同时还应考虑风载等其他力对支座的影响，确保管道的整体稳定性。参考文献：1 占丰朝，李杰，杨玉强 预热安装管道用补偿器结构优化分析 J 压力容器，2023，40（7）：6065ZHANFC，LIJ，YANGYQ Structuraloptimizationanalysisofcompensatorusedforpreheatingpipelines J PressureVesselTechnology，2023，40（7）：60652 王伟静，杨玉强，闫书丽，等 位移载荷作用下U形波纹管的疲劳寿命研究J 压力容器，2022，39（1）：63-68WANGWJ，YANGYQ，YANSL，etal 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