低温容器排放管路波纹补偿器的失效分析

骆青业，张斐，宋健，陈建军

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

低温容器排放管路波纹补偿器的失效分析

骆青业，张斐，宋健，陈建军

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

某液氧容器排放管路采用波纹补偿器补偿操作状态下容器的收缩变形。但是，在使用过程中发生了波纹补偿器拉伸变形失效，螺母脱落现象。通过分析补偿器失效的原因，提出了改进措施，满足了工程应用。

低温容器；管路；波纹补偿器；失效

0 引言

热力和低温管道系统中经常采用自然补偿或者波纹补偿器适应管路的变形。在安装空间限制的条件下，只能采用波纹补偿器方案。波纹补偿器主要利用自身的弹性变形，补偿管道由于温度变形、机械变形和各种机械振动而产生的轴向、角向、侧向及其组合位移［1，2］。

由于补偿器可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致其寿命的降低，甚至失效。因此，正确地选择波纹补偿器的材料和结构、合理设计波形参数和疲劳寿命、保证安装质量等措施，能大大提高补偿器的安全使用。波纹补偿器失效也是工程应用过程中经常出现的现象［3～5］。

1 波纹补偿器的应用

1.1应用背景

某30m3液氧容器采用的是高真空多层绝热设计方案，设计压力4MPa。如图1所示，管口A为液氧排放接口，需要连接排放管路。分析容器设计形式及管口结构，当容器填充液氧介质的情况下，容器整体收缩变形下移，管口A波纹管收缩，带动管口下移，需要通过在排放管路上考虑补偿。由于排放管路安装空间有限，很难采用自然补偿满足操作工况，因此采用波纹补偿器进行补偿。计算容器充满液氧状态下的收缩量：

△L=α×L（t2-t1）

=14.79×10-6×9×（-183-20）× 103=-27.0mm

式中：△L—变形量（mm）；L—总高度（m）；α—金属材料的线胀系数（/℃），查表根据内插法计算得到；t2—介质温度（℃）；t1—初始温度（℃）。

图1　容器接口图Fig.1 Vessel interface

1.2结构设计

选择拉杆式轴向波纹补偿器结构，材料选择06Cr19Ni10奥氏体不锈钢，与管路材质一致。公称直径DN165，端部接口尺寸φ175×5，设计压力4MPa，设计温度-183℃。其轴向刚度79.1kg/m，横向刚度132.8kg/m，有效面积285cm2。其他相关参数如表1所示。

设计结构如图2所示，波纹补偿器总体尺寸长度470mm，补偿波纹端部焊接一段直管，方便与管路进行焊接连接。每段直管焊接3个支耳，连接3条螺杆，即能承受一定的轴向力，又能防止搬运过程中对波纹的损坏。

表1　补偿器参数Tab.1 Compensator parameters

图2　设计结构图Fig.2 Design structure

2 波纹补偿器失效分析

根据安装空间的大小，由于排泄气动阀门位置固定，管路安装受到了限制。需要在竖直以及水平方向上分别安装波纹补偿器来补偿低温工况下管路的收缩变形。

液氧容器排放管路系统如图3所示。当气动阀门打开时，进行液氧排放。由于阀门动作灵敏，反应时间短，排泄反力相当大。A处波纹补偿器发生失效，拉杆紧固件螺母脱落，致使补偿器被拉伸170mm，并发生横向失稳变形。随后B处波纹管也发生了失效，拉杆螺母脱落，被轴向拉伸了70mm。最终，导致排放管路系统的破坏。

排放系统波纹补偿器存在，使得管路系统处在一个自由无约束的状态下。由于盲板力的存在，即管道弯头处受到内压推力与补偿器弹性反力的共同作用。

图3　排放管路系统Fig.3 Discharge pipeline system

F=Fp+Fm=A×P×102+K×△L=285×4×102+79.1×10×（-0.27）=113786.4N

其中：F—总受力（N）；Fp—内压推力（N）；Fm—补偿器弹性反力（N）；A—波纹管有效面积（cm2）；P—设计压力（MPa）；K—补偿器刚度。

补偿器受拉伸过程中依靠3个M12的螺纹拉杆承受，每个拉杆受的拉应力为339MPa，远超过了许用应力，发生螺纹失效。在内压力的作用下补偿器的波纹持续变形，直至失效。

3 改进措施

针对波纹管失效的原因，采取更换波纹管，并对波纹管以及系统进行改进。主要采取了以下措施：

（1）波纹管拉杆加粗，由原来的M12更换为M20，并采用双螺母防松形式。

（2）在排放管路系统C处安装固定支架，并在地面生根连接，分担波纹补偿器的受力。采用与钢管材质相同的10mm厚钢板加工成内圆外方型工装，与管路套合焊接在一起。采用10#槽钢焊接成门型支架，将工装与地面钢板连接在一起，如图4所示。

图4　支架图Fig.4 Support figure

排放管路系统改进后，未发生波纹补偿器再次失效的现象，满足了操作状态下的工程使用。

4 结束语

波纹补偿器应用于补偿管路系统变形中，效果明显。但是，其结构设计以及系统支架设置至关重要，是保证补偿器正常使用的前提。

［1］肖晓玲，况敏，林凯生.304不锈钢波纹补偿器失效分析［J］.材料研究与应用，2013，4.

［2］程永新.波纹管膨胀节在热管道中破损原因分析及解决办法［J］.电力建设，2011，12.

［3］原安崎，于振毅，耿志成.采用波纹补偿器管道的应力计算与分析［J］.管道技术与设备，2005，4.

［4］田野.管道波纹补偿器的受力分析［J］.冶金动力，2010，4.

［5］孙焕青，张珍年.应用波纹补偿器的高温管道的应力计算［J］.管道技术与设备，2014，3.

Failure Analysis of Bellows Compensator of Discharge Pipeline on Cryogenic Vessel

LUO Qing-Ye，ZHANG Fei，SONG Jian，CHEN Jian-Jun
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

The shrinkage deformation of discharge pipeline on liquid oxygen vessel was compensated to use bellows compensator in operation state.However，tensile deformation failure of the bellows compensator occurred in using，and the muffs fell off.By analyzing the failure reasons of compensator，it put forward the improvement measures to satisfy the engineering application.

cryogenic vessel；pipeline；bellows compensator；failure

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.009

1002-6673（2015）02-024-02

2015-02-25

骆青业（1985-），男，硕士，工程师。主要从事航天地面设备及压力管道设计研究。