耐磨高強(qiáng)度膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(guó)標(biāo)通用性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了反復(fù)的設(shè)計(jì)改造，最終得到一種耐磨高強(qiáng)度的新型膨脹節(jié)。設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：膨脹節(jié)；沖刷；耐磨；長(zhǎng)周期

1 概 況

中石化長(zhǎng)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(wàn)噸擴(kuò)能至150萬(wàn)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(chǎng) ，對(duì)提高公司的汽油產(chǎn)品質(zhì)量、降低汽油產(chǎn)品在使用過(guò)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(zhǎng)周期。

S Zorb裝置閉鎖料斗系統(tǒng)6臺(tái)膨脹節(jié)就是用來(lái)補(bǔ)償溫度和壓力變化帶來(lái)的吸附劑管線(xiàn)的伸縮變形。由于S Zorb裝置吸附劑轉(zhuǎn)運(yùn)的特殊性，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)產(chǎn)生周期性波動(dòng)，在吸附劑的高速?zèng)_蝕、管道疲勞破壞等導(dǎo)致膨脹節(jié)壽命大大降低，嚴(yán)重影響了裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，國(guó)V汽油升級(jí)的要求難以達(dá)到。為此必須認(rèn)真分析S Zorb裝置的自身特點(diǎn)，剖析膨脹節(jié)故障原因，找到解決問(wèn)題、改進(jìn)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(dòng)，系統(tǒng)必須設(shè)置膨脹節(jié)來(lái)補(bǔ)償管線(xiàn)的伸縮變形。S Zorb閉鎖料斗系統(tǒng)共設(shè)有6臺(tái)膨脹節(jié)，見(jiàn)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(dòng)大，加上吸附劑高強(qiáng)度沖刷，裝置惡劣的使用環(huán)境導(dǎo)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(guó)30余套S Zorb裝置均存在同樣問(wèn)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(gè)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(yùn)行難題。

中石化長(zhǎng)嶺分公司1#S Zorb裝置自2010年10月首次開(kāi)車(chē)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(guò)3次，尤其是單式鉸鏈型膨脹節(jié)損壞最為嚴(yán)重，圖3至圖6為中石化長(zhǎng)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(duì)單式鉸鏈型膨脹節(jié)進(jìn)行過(guò)改造，其壽命有所提升，但效果都不明顯，沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。為了保證裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，保證國(guó)V汽柴油的升級(jí)，我們對(duì)S Zorb裝置膨脹節(jié)進(jìn)行了更深、更科學(xué)的研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 膨脹節(jié)故障分析

目前金屬膨脹節(jié)主要執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12777-2008（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB12777），該標(biāo)準(zhǔn)中單鉸鏈型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)流筒。S Zorb膨脹節(jié)主要故障部位在導(dǎo)流筒的變徑段，原因有：1）膨脹節(jié)的導(dǎo)流筒有變徑喇叭口，易被沖刷。2）GB12777膨脹節(jié)的導(dǎo)流筒和法蘭之間為搭接焊，強(qiáng)度低。3）GB12777膨脹節(jié)的導(dǎo)流筒為懸臂支撐，穩(wěn)定性差。4）GB12777膨脹節(jié)的導(dǎo)流筒的變徑段，介質(zhì)為紊流態(tài)，沖刷最大（線(xiàn)速高達(dá)40m/s），再加上管道閥門(mén)開(kāi)關(guān)迅速（1S左右），吸附劑對(duì)膨脹節(jié)形成類(lèi)似爆破沖刷，極易導(dǎo)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(méi)有對(duì)固體顆粒環(huán)境下增設(shè)單獨(dú)的型號(hào)和品種，這樣就造成了膨脹節(jié)和部分裝置的不匹配，導(dǎo)流筒的變徑喇叭口處就一直是受沖刷最薄弱點(diǎn)，導(dǎo)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(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 預(yù)想的優(yōu)化方案

方案1 吸附劑運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)化 通過(guò)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(yùn)行，減少介質(zhì)對(duì)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(xiàn)速來(lái)減少吸附劑對(duì)膨脹節(jié)導(dǎo)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(duì)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(shí)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(dāng)氣速一定時(shí)，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(guó)外引進(jìn)技術(shù)，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(jìn)優(yōu)化，其帶來(lái)的其它負(fù)面影響難以預(yù)估。

方案4 升級(jí)膨脹節(jié)導(dǎo)流筒材質(zhì) 導(dǎo)流筒原材質(zhì)為A240-T304，如需升級(jí)導(dǎo)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(lèi)復(fù)合或梯度材料及硬質(zhì)合金材料（如碳化鉻復(fù)合材料Cr2C3+Q235）等。但耐磨材料的焊接性能差，且價(jià)格昂貴，需權(quán)衡考慮。

方案5 增加膨脹節(jié)導(dǎo)流筒厚度 導(dǎo)流筒原厚度為1.52mm，可將其厚度適當(dāng)提高。厚度提高，不僅可以提高導(dǎo)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(bǔ)償，如果過(guò)度提高耐磨性，其溫壓補(bǔ)償必然受到影響，此處升級(jí)空間小。

方案7 膨脹節(jié)導(dǎo)流筒做耐磨噴涂 在導(dǎo)流筒內(nèi)壁噴上耐磨材料，如碳化物等，可以大大增加導(dǎo)流筒耐磨性。噴涂工藝在一定程度上影響導(dǎo)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?lài)娡?，將?huì)增加噴涂難度和效果。endprint

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

4.2 設(shè)計(jì)改造的具體方案

我們從膨脹節(jié)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、系統(tǒng)介質(zhì)沖刷類(lèi)型等入手，通過(guò)反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，改變了通用膨脹節(jié)的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抵抗固體顆粒沖刷的耐磨高強(qiáng)度膨脹節(jié)。

方案9：變徑導(dǎo)流筒改為直通管，見(jiàn)圖11。

改進(jìn)效果：吸附劑對(duì)導(dǎo)流筒的沖刷明顯減少。

存在不足：

1）導(dǎo)流筒和法蘭之間為搭接焊，強(qiáng)度低。

2）導(dǎo)流筒懸臂支撐，穩(wěn)定性差。

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

優(yōu)化方案10：導(dǎo)流筒增加支撐環(huán)，見(jiàn)圖12。

改進(jìn)效果：導(dǎo)流筒外徑達(dá)到GB1277的標(biāo)準(zhǔn)，可以穿過(guò)整個(gè)波紋管，保護(hù)作用好，吸附劑沖刷大大減小。

存在不足：

1）導(dǎo)流筒和法蘭之間為搭接焊縫，強(qiáng)度低。

2）導(dǎo)流筒懸臂支撐，穩(wěn)定性差。

最終優(yōu)化方案11：導(dǎo)流筒增加支撐筒，見(jiàn)圖13。

最終改進(jìn)的內(nèi)容：

1）改變徑導(dǎo)流筒為直通筒。

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

3）導(dǎo)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(zhǎng)導(dǎo)流筒至下法蘭頸后，防止吸附劑對(duì)波紋管下游焊縫的沖刷。

5 應(yīng)用效果

該設(shè)計(jì)改造方案，于2016年8月對(duì)2臺(tái)磨損的舊膨脹節(jié)進(jìn)行了改造修復(fù)，2017年5月進(jìn)行離線(xiàn)驗(yàn)證，改造后的膨脹節(jié)運(yùn)行良好：導(dǎo)流筒未見(jiàn)明顯磨痕，波紋管完好，見(jiàn)圖14。

最終的應(yīng)用效果：

1）與原國(guó)標(biāo)膨脹節(jié)相比，本設(shè)計(jì)的膨脹節(jié)壽命可提高2倍以上，保證裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

2）因?qū)Я魍哺臑橹蓖ü埽附狱c(diǎn)上移，本設(shè)計(jì)的膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，加工難度大大降低。

3）因結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)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(tái)成本可降低至少30%；而且本成果膨脹節(jié)還可以修復(fù)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(zhǎng)周期的隱性?xún)r(jià)值可觀：S Zorb裝置每減少一次停工，至少可降低500萬(wàn)元的系統(tǒng)費(fèi)用損失。

責(zé)編/魏曉文

參考文獻(xiàn)

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

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