波纹补偿器在炼油装置的选材及应用
加入时间：2014/4/24　作者：选择作者　
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波纹管的选材
催化裂化装置用的波纹管材料应根据原油中含硫、氢、 氯 等腐蚀性介质及操作工艺等不同而区别对待，近年来Incoloy800、825、 Inconel600、625等进口材料已被国内在炼油行业中广泛应用，这些材料属高镍和镍基合金，具有高温力学性能和抗各种介质的腐蚀性，比如Incoloy800属Ni-Fe-Cr合金，耐温性能好，达800℃以上，具有良好的抗氧化性和抗盐腐蚀性，比如南京炼油厂750万吨再生和待生斜管部位选用我公司万向铰链型和横向大拉杆型补偿器，材质选用800，安庆石化炼油厂150万吨，三旋到烟机进出口，补偿器选用压力平衡型和复式铰链型，材质选用Inlonel625和国产材料FN-2，镇海石化300万吨重油催化裂化装置三旋出口高温管道用压力平衡型补偿器材质全部选用Incoloy800，庆阳炼油厂120万吨的催化裂化装置提升管道复式膨胀节，材质选用Inconel625 ……，长庆油田140万吨重油催化，外取热器用复式万能型膨胀节，材质取用Incoloy800等诸多单位
三、结构设计
尽管各大炼油厂家和设计院在催化装置用膨胀节防腐方面做了大量的工作，由国产材料300系列不锈钢改为进口材料解决了高温烟气的腐蚀，但是在国际原油价格不断攀升的条件下，炼油厂为降低生产加工成本，大量采购相对廉价的劣质原油，同时不断改进炼制工艺满足生产要求，各类新型注济、催化剂、助燃剂大量应用于催化裂化工艺技术中，因此烟气成分发生了很大变化，膨胀节出现了新的破坏形式，近期，连续多家炼油单位虽然选用了进口材料800，625等，但在高温烟气中此类材料发生脆性爆裂，就是在新的工艺条件下产生的，所以合理选材是炼油装置中重要环节，膨胀节的结构设计也是不可忽视的关键所在。膨胀节结构引起的腐蚀问题不可忽视，国内各大炼油厂普遍选用干式膨胀，表面温度较低，其温度范围30-150℃，此温度范围低于烟气露点温度，其中某些膨胀节表面温度与大气温度相同，这个温度给烟气形成露点造成应力腐蚀，干式膨胀节中隔热结构起到隔热降温作用，同时也大量吸附了烟气的各种成份（如水蒸气及各种离子），形成电解质溶液，导致电化学腐蚀及应力腐蚀。湿式膨胀节中的冷却蒸汽中含有CL，也可能产生应力腐蚀，在高温下波纹管要面对化学腐蚀（氧化及敏化），在低温下波纹管要耐电化腐蚀（合应力腐蚀），但电化学腐蚀比化学腐蚀更严重，针对以上两种腐蚀，波纹管不腐蚀的条件就是提高壁温，避免电化学腐蚀，Incoloy800和1nconel625是首选材料，但在结构上内部取消隔热填充物，外部增加外保温措施，所以合理选材和改变结构设计是催化裂化装置用膨胀节发展趋势。
四、预防措施
1、在选材上要一次性投资，推荐材料进口Incoloy800、Inconel625,国产材料FN-2
2、在结构上对波纹管外表面全面进行全面保温，防止内表面出现露点腐蚀。
3、在波纹管制造时，导流筒与波纹管元件之间取消填充陶瓷纤维石棉等保温材料。
4、在烟机故障停机阶段，要对成为盲肠的烟道采取升温措施，防止出现露点。
5、在具备条件的前提下，建议停工大修前对波纹管元件的硬度进行检查，并与投用前进行比较，硬度出现明显示增高的要考虑更换。
五、膨胀节在催化裂化装置中，不同部位材料选择要求
1、第三旋风分离器（简称三旋）至烟气轮机进口段，选用Incoloy800或FW-2，壁厚2.0。
2、再生反应泵系统管路中进出口部位，选用Inconel625，壁厚2.5。
3、催化裂化装置提升管 选用Incoloy800或Inconel625 壁厚：2.0
4、外取热器用膨胀节选用 Incoloy800 壁厚2.0。
5、待生反应系统Inconel625 Incoloy800 壁厚2.5。
6、三旋出口段选用Incoloy800 壁厚2.0。
7、烟气轮机出口管道选用IIncoloy800 壁厚2.0。
金属波纹管的设计与计算
金属波纹管设计的理论基础是板壳理论、材料力学、计算数学等。波纹管设计的参数较多，由于波纹管在系统中的用途不同，其设计计算的重点也不一样。例如，波纹管用于力平衡元件，要求波纹管在工作范围内其有效面积不变或变化很小，用于测量元件，要求波纹管的弹性特性是线性的；用于真空开关管作真空密封件，要求波纹管的真空密封性、轴向位移量和疲劳寿命；用于阀门作密封件，要求波纹管应具有一定的耐压力、耐腐蚀、耐温度、工作位移和疲劳寿命。
根据波纹管的结构特点，可以把波纹管当作圆环壳、扁锥壳或圆环板所组成。设计计算波纹管也就是设计计算圆外壳、扁锥壳或团环板。
波纹管设计计算的参数为刚度、应力、有效面积、失稳、允许位移、耐压力和使用寿命。
波纹管的刚度计算
波纹管的刚度按照载荷及位移性质不同，分为轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度等。目前在波纹管的应用中，绝大多数的受力情况是轴向载荷，位移方式为线位移。以下是几种主要的波纹管轴向刚度设计计算方法：
1．能量法计算波纹管刚度
2．经验公式计算波纹管刚度
3．数值法计算波纹管刚度
4．EJMA 标准的刚度计算方法
5．日本TOYO 计算刚度方法
6．美国KELLOGG（新法）计算刚度方法
除了上述六种刚度计算方法之外，国外还有许多种其它的计算刚度的方法，在此不再介绍。我国的力学工作者在波纹管的理论研究和实验分析方面作了大量工作，取得了丰硕的研究成果。其中最主要的研究方法是：
（1）摄动法
（2）数值积分的初参数法
（3）积分方程法
（4）摄动有限单元法
上述方法都可以对波纹管进行比较精确的计算。但是，由于应用了较深的理论和计算数学的方法，工程上应用有一定的困难，也难于掌握，需要进一步普及推广。
金属波纹管与螺旋弹簧联用时的刚度计算
在使用过程中，对刚度要求较大，而金属波纹管本身刚度又较小时，可以考虑在波纹管的内腔或外部配置圆柱螺旋弹簧。这样不仅可以提高整个弹性系统的刚度，而且迟滞引起的误差也可以大为减小。这种弹性系统的弹性性能主要取决于弹簧的特性和波纹管有效面积的稳定性。
波纹管的弯曲刚度
波纹管的应力计算
金属波纹管作为弹性密封零件，首先要满足强度条件，即其最大应力不超过给定条件下的许用应力。许用应力可由极限应力除以安全系数得出。根据波纹管的工作条件和对它的使用要求，极限应力可以是屈服强度，也可以是波纹管失稳时的临界应力，或者是疲劳强度等。要计算波纹管最大工作应力必须分析波纹管管壁中的应力分布。
波纹管上的应力是由系统中的压力和波纹管变形所产生的。压力在波纹管上产生环（周向）应力，而在波的侧壁、波谷和波峰处产生径向的薄膜和弯曲应力。不能抗弯的薄壳有时称为薄膜，忽略弯曲而算得的应力则称为薄膜应力。波纹管变形时产生径向薄膜应力和弯曲应力。波纹管在工作时，有的承受内压，有的承受外压，例如波纹膨胀节和金属软管在多数情况下其波纹管承受内压，而用于阀门阀杆密封的波纹管一般情况下承受外压在这里主要分析波纹管承受内压时的应力，波纹管承受外压的能力一般情况下高于耐内压能力。随着波纹管的广泛应用，人们对波纹管的应力进行大量的分析研究和实验验证工作，提出了许多供工程设计使用的计算公式、计算程序和图表。但是，有的方法由于图表或程序繁复使用不方便，有的方法假设条件不是过于简化就是过于理想，难以保证使用上的安全可靠，不少方法未能为工程界所接受。因此，真正符合实用要求的方法为数不多。目前，应用比较普遍的方法有如下两种：
1数值法计算波纹管应力
假定波纹管的全部波纹都处于同一条件下，在计算时只研究波纹管波纹的单个半波。这样，在研究中就不考虑端部波纹，虽然端部波纹的边界条件与中间波纹有所不同。数值法是根据E．列斯涅尔对于变壁厚回转薄壳产生轴向对称变形时所列的非线性方程来解的。在推导E．列斯涅尔方程时，应用了薄壳理论的一般假定，其中包括：与环壳曲率主半径相比厚度很小的假定；材料的均一性和各向同性的假定。采用上述假定也会给计算带来一定的误差。因为在制造波纹管时，管坯的轧制，拉深和随后的波纹塑性成形会造成材料力学性能上的各向异性和不均匀性。

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