李洪亮，胡庭友，曹 凱，劉 闖

(1.中國石油云南石化公司 機(jī)動設(shè)備處，云南 昆明 650399；2.中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132021 ；3.中國石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021；4.中國石油吉林石化公司 丙烯腈廠，吉林 吉林 132021)

膨脹節(jié)是廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備與管道上的熱變形補(bǔ)償元件，對降低設(shè)備和管道的熱應(yīng)力，延長服役壽命發(fā)揮重要作用。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，大型裝置的膨脹節(jié)也呈現(xiàn)大型化和非標(biāo)設(shè)計(jì)的趨勢。32萬t/a苯乙烯項(xiàng)目配套的膨脹節(jié)即為大型化的非標(biāo)膨脹節(jié)。在該裝置建成試車過程中，當(dāng)溫度升至260 ℃時(shí)(與設(shè)計(jì)工作溫度還相差很遠(yuǎn))，膨脹節(jié)出現(xiàn)了嚴(yán)重的失效現(xiàn)象。該膨脹節(jié)位于苯乙烯裝置中反應(yīng)器與蒸汽過熱裝置之間。試車過程中，膨脹節(jié)內(nèi)并沒有物料。將膨脹節(jié)的保護(hù)板打開后，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)前后兩端波紋各有兩組鼓起。為確保該膨脹節(jié)長周期安全運(yùn)行，作者針對國產(chǎn)大型苯乙烯非標(biāo)膨脹節(jié)的失效事故進(jìn)行分析，并對其失效原因進(jìn)行了有限元模擬，力圖找到此類失效問題的根源以及預(yù)防措施，避免類似情況的發(fā)生。

1 失效情況分析

該膨脹節(jié)直徑為2 590 mm，液壓成型，波殼上共有4個波峰，兩端與反應(yīng)器連接，膨脹節(jié)材料為SS304H不銹鋼。膨脹節(jié)冷加工成型后進(jìn)行退火處理。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝包中膨脹節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的橫向位移值為40 mm，此變量值適用于正常操作，而根據(jù)現(xiàn)場得到的裝置數(shù)據(jù)，該膨脹節(jié)在22 mm較低的位移情況下就已經(jīng)損壞。同時(shí)，該膨脹節(jié)在正常設(shè)計(jì)的工作條件下是安全的，所以，可以判斷不是設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的失效。

查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)此類膨脹節(jié)的主要失效機(jī)理為金相腐蝕[1]，而該膨脹節(jié)在試車階段即發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，顯然不屬于金相腐蝕所造成的失效。為進(jìn)一步分析膨脹節(jié)失效原因，將膨脹節(jié)雙層波紋管中已經(jīng)鼓起來的外層切割出一個開口，見圖1和圖2。由圖1、圖2可以看到，內(nèi)層波紋管也出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，沿著波紋的周向方向成波浪狀，屬于明顯的外壓失穩(wěn)失效形式。結(jié)合內(nèi)外層波紋管的失效情況可以判斷，在兩層之間有高壓氣體產(chǎn)生，使外層波紋管向外鼓起，內(nèi)層波紋管受壓力失穩(wěn)失效。為了驗(yàn)證此判斷，對內(nèi)外層波紋管的失效情況進(jìn)行有限元模擬。

圖1 膨脹節(jié)實(shí)際失效圖片

圖2 波紋管失效圖片

2 膨脹節(jié)失效有限元分析

2.1 外層波紋管失效有限元模擬

2.1.1 幾何模型和有限元模型

苯乙烯膨脹節(jié)筒體內(nèi)徑為2 590.8 mm，筒體壁厚為16 mm，波紋管曲率半徑為45 mm，壁厚為2 mm，外層保溫層厚度為200 mm，內(nèi)層保溫層厚度為125 mm，其它尺寸見圖3。

圖3 膨脹節(jié)尺寸

根據(jù)波紋管的失效情況，建立波紋管有限元模型進(jìn)行分析，根據(jù)對稱性取一半波紋管進(jìn)行實(shí)體建模，見圖4。采用三維實(shí)體等參元Solid186[2]。該膨脹節(jié)升溫到260 ℃時(shí)發(fā)生了失效，由失效情況推斷定性為汽錘失效。當(dāng)溫度為260 ℃時(shí)，水的飽和蒸汽壓為4.69 MPa。為了模擬外層波紋管受蒸汽內(nèi)壓作用向外鼓起，在一個波谷處對內(nèi)外層波紋管的層間隙施加一個小于該溫度下飽和蒸汽壓的壓力來模擬較為合理，故取內(nèi)壓4 MPa為例進(jìn)行計(jì)算。

圖4 波紋管有限元模型

2.1.2 材料性能

波紋管的材料為SS304H，其屈服強(qiáng)度為207 MPa，抗拉強(qiáng)度520 MPa，許用應(yīng)力為180 MPa。本構(gòu)關(guān)系采用隨溫度變化的雙線性隨動硬化彈塑性模型，且假定材料屈服后的強(qiáng)化模量E′是屈服前彈性模量E的十分之一，即令E′= 0.1E，見圖5。

圖5 雙線性強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系模型

材料的熱物理和力學(xué)性能[3]均與溫度有關(guān)，在密度為8 000 t/m3、熔點(diǎn)1 430 ℃、抗拉強(qiáng)度σb=520 MPa，不同溫度下S304H的熱物理和力學(xué)性能見表1。

表1 不同溫度下S304H的熱物理和力學(xué)性能

2.1.3 載荷與邊界條件

根據(jù)外層波紋管失效情況，建立波紋管的有限元模型，根據(jù)對稱性取一半波紋管建模。為了模擬外層波紋管受內(nèi)壓作用向外鼓起，在一個波谷處對內(nèi)外層波紋管施加4 MPa的壓力，波紋管兩端施加固定約束，對稱面施加對稱約束，邊界條件見圖6。

圖6 邊界條件

2.1.4 計(jì)算結(jié)果

內(nèi)壓下外層波紋管失效模擬計(jì)算結(jié)果見圖7。

p/MPa

p/MPa圖7 內(nèi)壓下外層波紋管失效模擬

由圖7可以看出，在承受4 MPa內(nèi)壓的情況下，波紋管已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，外層波紋管變形鼓起，變形程度與實(shí)際失效的情況幾乎一致。此時(shí)的最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了798 MPa，并且達(dá)到該應(yīng)力值范圍很大，可以看到有很大一片深色高應(yīng)力區(qū)域。由外層波紋管的失效情況可以推斷，兩層波紋管之間有大于4 MPa的壓力存在。

2.2 內(nèi)層波紋管失穩(wěn)失效有限元模擬

在國內(nèi)外眾多的膨脹節(jié)設(shè)計(jì)手冊和標(biāo)準(zhǔn)中，都給出了膨脹節(jié)失穩(wěn)的計(jì)算公式，但這些失穩(wěn)計(jì)算公式都是適用于內(nèi)壓情況下的，該膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了內(nèi)壓失穩(wěn)校核，得以通過。很少有標(biāo)準(zhǔn)提到過外壓情況下的膨脹節(jié)失穩(wěn)，該苯乙烯膨脹節(jié)的內(nèi)層波紋管失效形式就是典型的外壓失效。由于該膨脹節(jié)失效主要集中在波紋管的兩個波段，并且計(jì)算外壓失效的屈曲分析需要考慮整個波紋管，模型不能考慮對稱性，為了簡化模型，只取波紋管的兩個波峰進(jìn)行建模計(jì)算，有限元模型見圖8。

圖8 內(nèi)層波紋管失穩(wěn)有限元模型

對于該膨脹節(jié)的失穩(wěn)是指當(dāng)其承受的載荷超過某一臨界值時(shí)突然失去原有幾何形狀的現(xiàn)象，失效照片中可以看到，波紋管已經(jīng)變成波浪狀的形態(tài)，變形非常明顯。ANSYS可以對波紋管進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力。進(jìn)行屈曲分析時(shí)，通常首先進(jìn)行特征值屈曲分析，然后參考其分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析并最終確定結(jié)構(gòu)的臨界載荷。作者利用ANSYS非線性屈曲，分別對該膨脹節(jié)前十階失穩(wěn)模態(tài)和所對應(yīng)的臨界壓力進(jìn)行分析，見表2和圖9。

表2 臨界壓力

由表2可以看出，每階模態(tài)的失穩(wěn)壓力都非常相近，但失穩(wěn)的形態(tài)卻非常不同。

a 第一階失穩(wěn)模態(tài)

b 第二階失穩(wěn)模態(tài)

c 第三階失穩(wěn)模態(tài)

d 第四階失穩(wěn)模態(tài)

e 第五階失穩(wěn)模態(tài)

f 第六階失穩(wěn)模態(tài)

g 第七階失穩(wěn)模態(tài)

h 第八階失穩(wěn)模態(tài)

i 第九階失穩(wěn)模態(tài)

j 第十階失穩(wěn)模態(tài)圖9 膨脹節(jié)前十階失穩(wěn)模態(tài)

由圖9可以看到當(dāng)外壓達(dá)到3.8 MPa時(shí)，膨脹節(jié)進(jìn)入到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。由圖9g和圖9 h可以看出，當(dāng)外壓達(dá)到4 MPa時(shí)，失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)際的失效狀況非常接近。

3 分析與討論

從外層波紋管和內(nèi)層波紋管有限元失效模擬中可以看出：外層波紋管受4 MPa內(nèi)壓時(shí)，波紋管已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，變形程度與實(shí)際失效的情況幾乎一致；內(nèi)層波紋管外壓達(dá)到4 MPa時(shí)，失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)際的失效狀況非常接近。由此可以認(rèn)為在內(nèi)外兩層波紋管中間產(chǎn)生了大概約4 MPa的較強(qiáng)壓力，使外層波紋管鼓起，內(nèi)層波紋管失穩(wěn)失效。失效現(xiàn)象是在膨脹節(jié)試車加溫到260 ℃時(shí)發(fā)生的，可以判斷波紋管內(nèi)外層之間有水存在，在升溫的過程中迅速汽化，由于兩層波紋管幾乎是直接接觸的，汽化的水蒸氣在狹小的空間內(nèi)無處釋放產(chǎn)生很大的壓力導(dǎo)致膨脹節(jié)失效。在事后的檢測過程中，確實(shí)發(fā)現(xiàn)通過吹掃裝置口進(jìn)入了兩層波紋管之間少量的水，導(dǎo)致了嚴(yán)重的汽錘失效。

4 預(yù)防措施及效果

有限元模擬結(jié)果與實(shí)際失效情況很吻合，說明即使是很少量的水或液體在這種雙層波紋管膨脹節(jié)內(nèi)也會引起很嚴(yán)重的失效后果。在此，采取兩條預(yù)防措施：(1)吹掃膨脹節(jié)裝置入口處，需要嚴(yán)格監(jiān)控裝置的密閉性；(2) 進(jìn)行吹掃作業(yè)的時(shí)候，需要對吹掃氣體的干燥程度進(jìn)行檢測，較濕潤的氣體也會對其造成嚴(yán)重影響。

發(fā)生膨脹節(jié)汽錘失效后，對波紋管進(jìn)行了更換，經(jīng)過了長時(shí)間的運(yùn)行后，膨脹節(jié)一直處于較穩(wěn)定的工作裝備，沒有再次出現(xiàn)過此類問題。準(zhǔn)確的失效分析結(jié)果為其長周期安全運(yùn)行提供了保障。

5 結(jié) 論

大型苯乙烯膨脹節(jié)失穩(wěn)失效是由于兩層波紋管之間少量的水汽化導(dǎo)致了嚴(yán)重的汽錘失效引起的。對于這種兩層波紋管的膨脹節(jié)，在操作過程中一定要嚴(yán)格監(jiān)控波紋管夾層中間是否有液體存在，即使很少量的液體，迅速汽化都能導(dǎo)致膨脹節(jié)完全失效。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 蔣利軍,馬小明.苯乙烯裝置膨脹節(jié)失效分析及采取的措施[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2006,23(1)：31-35.

[2] 余偉煒,高炳軍，等.ANSYS 在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2007：13-15.

[3] 潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊：碳鋼及合金鋼[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：356-357.