膨胀节补偿及支架脱空失效的原因分析

2019-02-26杨胜昆

水泥技术 2019年1期

杨胜昆

1 前言

随着余热发电技术的不断发展和进步，钢铁、水泥等行业的余热综合利用水平显著提高，不仅给企业带来了经济效益，更为保护人类的生存环境、保障经济社会的可持续发展做出了重要贡献。余热发电技术在钢铁、水泥等行业的应用，主要是利用原生产工艺流程中的余热废气，通过热风管道将热源输送到锅炉产生蒸汽，进行发电。因受限于原生产线的场地、空间条件，热风管道的布置繁简各异。同时受温度的影响，必然存在管线热膨胀变形的情况，因此，正确选用波纹膨胀节是保证生产工艺流程和余热发电系统正常运行的关键。

2 膨胀节设计资料

2.1 膨胀节设计条件

某余热发电项目SP锅炉入口膨胀节，直径为DN2600，介质为含水泥生料粉尘废气，设计压强：10kPa，设计温度：300℃；轴向补偿量：60mm，横向补偿量：60mm；产品总长L=950mm；膨胀节旁滑动支架埋件允许载荷为10t。

2.2 膨胀节设计参数

该膨胀节选用小拉杆轴横向型膨胀节，接口尺寸为ϕ2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚1.5mm×1层，波数：2波/节×2节；中间接管长350mm，端接管长140mm，产品总长950mm；整体轴向刚度776N/mm，整体横向刚度12 301N/mm；波纹材料06Cr19Ni10，接管材料为Q345B。

2.3 膨胀节设计制造结构图

DN2600EJ01小拉杆轴横向型膨胀节的设计按照膨胀节设计条件进行，没有考虑刚度及疲劳寿命的影响，原膨胀节结构图见图1。

2.4 管道膨胀节及支架布置

图1 原膨胀节结构图

原生产线烟风管道为DN3000垂直安装，节点10及节点70为固定支架，两固定支架间原安装有DN3000轴向型膨胀节，从40节点处引入45°斜三通作为取风点，在DN2600烟风斜管上安装有电动百叶阀、DN2600膨胀节、滑动支架、135°弯头等，最终到SP锅炉进口。原管道膨胀节及支架布置见图2。

3 膨胀节补偿及支架脱空失效分析

某水泥厂余热发电项目，SP锅炉入口烟风斜管及小拉杆膨胀节、滑动支架等部件，在停窑期间安装完毕。当水泥窑启动至正常生产状态时，现场工程师检查发现，DN2600EJ01膨胀节几乎没有补偿，失去横向补偿作用；锅炉入口上端135°弯头有较大变形；节点150处滑动支架与支座脱离，脱空大约50～60mm。

按照膨胀节设计参数，对选用的小拉杆轴横向型膨胀节波纹管重新设计校核，经理论计算表明，膨胀节波纹管的承压强度及稳定性均满足要求，但波纹管的横向刚度较大。

图2 原管道膨胀节及支架布置

由于与SP锅炉入口连接的原生产线烟风管道垂直向上热膨胀，引起SP锅炉入口烟风斜管向上被拉起约60mm，使滑动支架与支座脱离。

参照膨胀节设计条件及图2管道膨胀节及支架布置图，采用CAESARⅡV2016软件对整条管线进行应力分析，原方案应力分析模型见图3；各节点热位移见表1，150节点受力见表2。

表1中，110-120节点为膨胀节中间接管，Rz=0.354 2°，中间接管几乎没有转动，膨胀节没有发生横向位移；158节点为135°弯头，Rz=0.178 7°，弯头产生转动变形。

表1中，150节点为滑动支架，节点热位移Dy=71.364mm；表2中，150节点在操作OPE热态工况下Fx=0，Fy=0。

从表1、表2可以看出，由于膨胀节整体横向刚度12 301N/mm较大，SP锅炉入口烟风斜管较长，其管线横向柔性较好，使得膨胀节失去补偿作用，烟风斜管自然补偿，使135°弯头变形较大，150节点处滑动支架脱空60mm，管线运行产生的问题与理论分析的结果基本一致。

表1 各节点热位移情况

表2 150节点受力情况

图3 原方案管线应力分析模型

4 改进措施

4.1 膨胀节设计改进措施

膨胀节经重新设计制造修改为ϕ2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚0.8mm×2层，波数：3波/节×2节；中间接管长540mm，端接管长140mm，产品长度修改为1 300mm；则整体轴向刚度175N/mm，整体横向刚度1 122N/mm，疲劳寿命N=1 150次；改进后膨胀节制造结构图见图4。