程功

摘要：本文以石化行業(yè)汽油吸附脫硫裝置（S Zorb）為背景，分析研究了固體顆粒環(huán)境下膨脹節(jié)的故障原因，在國標通用性結構的基礎上進行了反復的設計改造，最終得到一種耐磨高強度的新型膨脹節(jié)。設計改造后的膨脹節(jié)不僅降低了制造成本，更大大提高了其使用壽命，解決了行業(yè)重大難題。

關鍵詞：膨脹節(jié)；沖刷；耐磨；長周期

1 概 況

中石化長嶺分公司1#S Zorb（催化汽油吸附脫硫裝置）于2010年11月建成投產(chǎn)，2014年3月檢修，裝置年處理能力由120萬噸擴能至150萬噸。S Zorb裝置接收催化裝置生產(chǎn)的汽油，經(jīng)深度脫硫后送至油品處調(diào)和出廠 ，對提高公司的汽油產(chǎn)品質(zhì)量、降低汽油產(chǎn)品在使用過程中SO2排放量起到了重要的作用，這些就要求裝置必須做到平穩(wěn)、高效、長周期。

S Zorb裝置閉鎖料斗系統(tǒng)6臺膨脹節(jié)就是用來補償溫度和壓力變化帶來的吸附劑管線的伸縮變形。由于S Zorb裝置吸附劑轉(zhuǎn)運的特殊性，導致系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)產(chǎn)生周期性波動，在吸附劑的高速沖蝕、管道疲勞破壞等導致膨脹節(jié)壽命大大降低，嚴重影響了裝置安全平穩(wěn)運行，國V汽油升級的要求難以達到。為此必須認真分析S Zorb裝置的自身特點，剖析膨脹節(jié)故障原因，找到解決問題、改進優(yōu)化的措施。

2 膨脹節(jié)的故障現(xiàn)象

因S Zorb工藝特殊性，系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)周期、脈沖式波動，系統(tǒng)必須設置膨脹節(jié)來補償管線的伸縮變形。S Zorb閉鎖料斗系統(tǒng)共設有6臺膨脹節(jié)，見圖1。

從表1和圖2中數(shù)據(jù)可以看出，膨脹節(jié)所處環(huán)境的介質(zhì)波動大，加上吸附劑高強度沖刷，裝置惡劣的使用環(huán)境導致膨脹節(jié)故障頻發(fā)，輕則裝置停工，重則泄漏著火甚至發(fā)生爆炸。目前全國30余套S Zorb裝置均存在同樣問題，一直未得到很好的解決，同行業(yè)中膨脹節(jié)最短使用壽命僅為6個月，吸附劑、催化劑等含固體顆粒環(huán)境中的膨脹節(jié)故障一直是困擾行業(yè)的運行難題。

中石化長嶺分公司1#S Zorb裝置自2010年10月首次開車至今，閉鎖料斗系統(tǒng)膨脹節(jié)故障頻發(fā)，前后共集中更換過3次，尤其是單式鉸鏈型膨脹節(jié)損壞最為嚴重，圖3至圖6為中石化長嶺分公司1#S Zorb膨脹節(jié)故障的部分圖片。

同行業(yè)中，也有對單式鉸鏈型膨脹節(jié)進行過改造，其壽命有所提升，但效果都不明顯，沒有從根本上解決問題。為了保證裝置的安全平穩(wěn)運行，保證國V汽柴油的升級，我們對S Zorb裝置膨脹節(jié)進行了更深、更科學的研究和創(chuàng)新設計。

3 膨脹節(jié)故障分析

目前金屬膨脹節(jié)主要執(zhí)行的標準為GB/T 12777-2008（以下簡稱GB12777），該標準中單鉸鏈型膨脹節(jié)的結構圖[1]和分解圖如圖9、圖10所示。

膨脹節(jié)的主要組成部件有法蘭、波紋管、導流筒。S Zorb膨脹節(jié)主要故障部位在導流筒的變徑段，原因有：1）膨脹節(jié)的導流筒有變徑喇叭口，易被沖刷。2）GB12777膨脹節(jié)的導流筒和法蘭之間為搭接焊，強度低。3）GB12777膨脹節(jié)的導流筒為懸臂支撐，穩(wěn)定性差。4）GB12777膨脹節(jié)的導流筒的變徑段，介質(zhì)為紊流態(tài)，沖刷最大（線速高達40m/s），再加上管道閥門開關迅速（1S左右），吸附劑對膨脹節(jié)形成類似爆破沖刷，極易導致膨脹節(jié)故障。

而GB12777中所述的膨脹節(jié)都是通用制件[2]，沒有對固體顆粒環(huán)境下增設單獨的型號和品種，這樣就造成了膨脹節(jié)和部分裝置的不匹配，導流筒的變徑喇叭口處就一直是受沖刷最薄弱點，導流筒一旦磨穿，膨脹節(jié)的波紋管就很快被破壞而發(fā)生泄漏。

4 新型膨脹節(jié)設計過程

4.1 預想的優(yōu)化方案

方案1 吸附劑運轉(zhuǎn)連續(xù)化 通過改變工藝條件，減少管道參數(shù)的變化，保證溫度、壓力、流量平穩(wěn)運行，減少介質(zhì)對膨脹節(jié)脈沖式疲勞破壞。

方案2 降低吸附劑在管道的流速 降低吸附劑在管道中的線速來減少吸附劑對膨脹節(jié)導流筒和膨脹節(jié)等部件的沖蝕力度。

方案3 增大吸附劑顆粒直徑 將目前吸附劑直徑由65μm提升至更高，大顆粒吸附劑降低對膨脹節(jié)的沖蝕。

根據(jù)磨損率公式1 ε=KVn 、公式2 ε=Kdn 也可證實上述三種方案在一定條件下是可行的。

其中：公式1中ε為磨損率，V為氣速，k和n為常數(shù)，n值在1～2之間，磨損率將隨著氣速的增大而增高，而且氣速越高，磨損率增加的速率就越快。

公式2中d為顆粒直徑，k和n為常數(shù)，當氣速一定時，磨粒直徑越大，磨損率就越大。

顆粒直徑存影響的極限值約為130μm。

但是S Zorb為國外引進技術，裝置工藝受居多因素影響，如果從工藝優(yōu)化方向入手，解決難度極大，即使某一方面有所改進優(yōu)化，其帶來的其它負面影響難以預估。

方案4 升級膨脹節(jié)導流筒材質(zhì) 導流筒原材質(zhì)為A240-T304，如需升級導流筒材質(zhì)，可考慮常規(guī)耐磨金屬材料，如高錳鋼系列、抗磨鉻鑄鐵系列、耐磨合金鋼系列、奧貝球鐵系列、各類復合或梯度材料及硬質(zhì)合金材料（如碳化鉻復合材料Cr2C3+Q235）等。但耐磨材料的焊接性能差，且價格昂貴，需權衡考慮。

方案5 增加膨脹節(jié)導流筒厚度 導流筒原厚度為1.52mm，可將其厚度適當提高。厚度提高，不僅可以提高導流筒抵抗沖刷的破壞，還可以提高焊接質(zhì)量。

方案6 提高膨脹節(jié)波紋管耐磨性[3] 原波紋管材質(zhì)為inconel625，是一種以鎳為主要成分的奧氏體超耐熱合金，具有廣泛抗氧化和耐腐蝕的優(yōu)良特性，耐高溫，亦具有非凡的抗疲勞特性；原波紋管厚度為0.61mm。波紋管主要功能為溫壓補償，如果過度提高耐磨性，其溫壓補償必然受到影響，此處升級空間小。

方案7 膨脹節(jié)導流筒做耐磨噴涂 在導流筒內(nèi)壁噴上耐磨材料，如碳化物等，可以大大增加導流筒耐磨性。噴涂工藝在一定程度上影響導流筒的根部焊接：如果是先噴涂再焊接，焊縫處需做二次噴涂；如果是先焊接再噴涂，將會增加噴涂難度和效果。endprint

方案8 膨脹節(jié)導流筒做陶瓷襯里 在導流筒內(nèi)部襯耐磨陶瓷管，可大大增大導流筒的耐磨性。內(nèi)襯陶瓷需注意的問題有：導流筒根部焊接質(zhì)量的把控，制造、運輸、安裝、拆卸過程的保護，防止重力磕碰。一旦陶瓷管受損，導流筒將快速被損壞。

4.2 設計改造的具體方案

我們從膨脹節(jié)自身結構特點、系統(tǒng)介質(zhì)沖刷類型等入手，通過反復研究和實驗，改變了通用膨脹節(jié)的基本結構，設計了一種結構簡單、抵抗固體顆粒沖刷的耐磨高強度膨脹節(jié)。

方案9：變徑導流筒改為直通管，見圖11。

改進效果：吸附劑對導流筒的沖刷明顯減少。

存在不足：

1）導流筒和法蘭之間為搭接焊，強度低。

2）導流筒懸臂支撐，穩(wěn)定性差。

3）因去除了變徑喇叭口，導流筒的外徑必須增加，使得導流筒不能穿過整個波紋管，這樣波紋管末端成了一個沖刷薄弱點。

優(yōu)化方案10：導流筒增加支撐環(huán)，見圖12。

改進效果：導流筒外徑達到GB1277的標準，可以穿過整個波紋管，保護作用好，吸附劑沖刷大大減小。

存在不足：

1）導流筒和法蘭之間為搭接焊縫，強度低。

2）導流筒懸臂支撐，穩(wěn)定性差。

最終優(yōu)化方案11：導流筒增加支撐筒，見圖13。

最終改進的內(nèi)容：

1）改變徑導流筒為直通筒。

2）轉(zhuǎn)移導流筒焊接點至上法蘭頂部，由角焊縫變成穩(wěn)定的環(huán)焊縫，同時焊縫可被墊片內(nèi)環(huán)遮擋保護。

3）導流筒上部增加支撐筒（即增加方案10支撐環(huán)的高度），改變了以前懸臂式的不穩(wěn)定性。

4）增長導流筒至下法蘭頸后，防止吸附劑對波紋管下游焊縫的沖刷。

5 應用效果

該設計改造方案，于2016年8月對2臺磨損的舊膨脹節(jié)進行了改造修復，2017年5月進行離線驗證，改造后的膨脹節(jié)運行良好：導流筒未見明顯磨痕，波紋管完好，見圖14。

最終的應用效果：

1）與原國標膨脹節(jié)相比，本設計的膨脹節(jié)壽命可提高2倍以上，保證裝置長周期安全運行。

2）因?qū)Я魍哺臑橹蓖ü埽附狱c上移，本設計的膨脹節(jié)結構更加簡單，加工難度大大降低。

3）因結構更加簡單，本設計的膨脹節(jié)制造成本更加低廉。以PN10 DN100的膨脹節(jié)為例，單臺成本可降低至少30%；而且本成果膨脹節(jié)還可以修復利舊，即可節(jié)約成本90%左右。

4）因本成果膨脹節(jié)壽命大大提高， 裝置長周期的隱性價值可觀：S Zorb裝置每減少一次停工，至少可降低500萬元的系統(tǒng)費用損失。

責編/魏曉文

參考文獻

[1] 段 玫等.金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件.中國標準出版社秦皇島印刷廠，2008：4-9.

[2] 陳 坤. 壓力管道波紋膨脹節(jié)設計制造中若干問題的探討.鍋爐壓力容器安全技術，2001，（5）：12-13.

[3] 邵以華、汪建羽.催化裝置用特殊膨脹節(jié)的應用與設計.化工設備與管道，2009，46（6）：45-46.endprint