摘要：本文以石化行业汽油吸附脱硫装置（S Zorb）为背景，分析研究了固体颗粒环境下膨胀节的故障原因，在国标通用性结构的基础上进行了反复的设计改造，最终得到一种耐磨高强度的新型膨胀节。设计改造后的膨胀节不仅降低了制造成本，更大大提高了其使用寿命，解决了行业重大难题。
关键词：膨胀节；冲刷；耐磨；长周期
1 概况
中石化长岭分公司1#S Zorb（催化汽油吸附脱硫装置）于2010年11月建成投产，2014年3月检修，装置年处理能力由120万吨扩能至150万吨。S Zorb装置接收催化装置生产的汽油，经深度脱硫后送至油品处调和出厂 ，对提高公司的汽油产品质量、降低汽油产品在使用过程中SO2排放量起到了重要的作用，这些就要求装置必须做到平稳、高效、长周期。
S Zorb装置闭锁料斗系统6台膨胀节就是用来补偿温度和压力变化带来的吸附剂管线的伸缩变形。由于S Zorb装置吸附剂转运的特殊性，导致系统温度、压力等参数产生周期性波动，在吸附剂的高速冲蚀、管道疲劳破坏等导致膨胀节寿命大大降低，严重影响了装置安全平稳运行，国V汽油升级的要求难以达到。为此必须认真分析S Zorb装置的自身特点，剖析膨胀节故障原因，找到解决问题、改进优化的措施。
2 膨胀节的故障现象
因S Zorb工艺特殊性，系统温度、压力等参数周期、脉冲式波动，系统必须设置膨胀节来补偿管线的伸缩变形。S Zorb闭锁料斗系统共设有6台膨胀节，见图1。
图1 6台膨胀节分布图
图2 膨胀节系统参数趋势图
表1 膨胀节参数表
从表1和图2中数据可以看出，膨胀节所处环境的介质波动大，加上吸附剂高强度冲刷，装置恶劣的使用环境导致膨胀节故障频发，轻则装置停工，重则泄漏着火甚至发生爆炸。目前全国30余套S Zorb装置均存在同样问题，一直未得到很好的解决，同行业中膨胀节最短使用寿命仅为6个月，吸附剂、催化剂等含固体颗粒环境中的膨胀节故障一直是困扰行业的运行难题。
中石化长岭分公司1#S Zorb装置自2010年10月首次开车至今，闭锁料斗系统膨胀节故障频发，前后共集中更换过3次，尤其是单式铰链型膨胀节损坏最为严重，图3至图6为中石化长岭分公司1#S Zorb膨胀节故障的部分图片。
同行业中，也有对单式铰链型膨胀节进行过改造，其寿命有所提升，但效果都不明显，没有从根本上解决问题。为了保证装置的安全平稳运行，保证国V汽柴油的升级，我们对S Zorb装置膨胀节进行了更深、更科学的研究和创新设计。
图3 2014年2月XJ001导流筒断裂
图4 2014年2月XJ002导流筒断裂
图5 2016年6月膨胀节XJ003导流筒断裂
图6 2016年6月膨胀节XJ003导流筒断裂
图7 同类企业装置膨胀节的故障情况一
图8 同类企业装置膨胀节的故障情况二
3 膨胀节故障分析
目前金属膨胀节主要执行的标准为GB/T 12777-2008（以下简称GB12777），该标准中单铰链型膨胀节的结构图[1]和分解图如图9、图10所示。
膨胀节的主要组成部件有法兰、波纹管、导流筒。S Zorb膨胀节主要故障部位在导流筒的变径段，原因有：1）膨胀节的导流筒有变径喇叭口，易被冲刷。2）GB12777膨胀节的导流筒和法兰之间为搭接焊，强度低。3）GB12777膨胀节的导流筒为悬臂支撑，稳定性差。4）GB12777膨胀节的导流筒的变径段，介质为紊流态，冲刷最大（线速高达40m/s），再加上管道阀门开关迅速（1S左右），吸附剂对膨胀节形成类似爆破冲刷，极易导致膨胀节故障。
而GB12777中所述的膨胀节都是通用制件[2]，没有对固体颗粒环境下增设单独的型号和品种，这样就造成了膨胀节和部分装置的不匹配，导流筒的变径喇叭口处就一直是受冲刷最薄弱点，导流筒一旦磨穿，膨胀节的波纹管就很快被破坏而发生泄漏。
图9 GB1277单铰链膨胀节结构图
图10 GB1277单铰链膨胀分解图
图11
图12
图13
4 新型膨胀节设计过程
4.1 预想的优化方案
方案1 吸附剂运转连续化 通过改变工艺条件，减少管道参数的变化，保证温度、压力、流量平稳运行，减少介质对膨胀节脉冲式疲劳破坏。
方案2 降低吸附剂在管道的流速 降低吸附剂在管道中的线速来减少吸附剂对膨胀节导流筒和膨胀节等部件的冲蚀力度。
方案3 增大吸附剂颗粒直径 将目前吸附剂直径由65μm提升至更高，大颗粒吸附剂降低对膨胀节的冲蚀。
根据磨损率公式1 ε=KVn 、公式2 ε=Kdn 也可证实上述三种方案在一定条件下是可行的。
其中：公式1中ε为磨损率，V为气速，k和n为常数，n值在1～2之间，磨损率将随着气速的增大而增高，而且气速越高，磨损率增加的速率就越快。
公式2中d为颗粒直径，k和n为常数，当气速一定时，磨粒直径越大，磨损率就越大。
颗粒直径存影响的极限值约为130μm。
但是S Zorb为国外引进技术，装置工艺受居多因素影响，如果从工艺优化方向入手，解决难度极大，即使某一方面有所改进优化，其带来的其它负面影响难以预估。
方案4 升级膨胀节导流筒材质 导流筒原材质为A240-T304，如需升级导流筒材质，可考虑常规耐磨金属材料，如高锰钢系列、抗磨铬铸铁系列、耐磨合金钢系列、奥贝球铁系列、各类复合或梯度材料及硬质合金材料（如碳化铬复合材料Cr2C3+Q235）等。但耐磨材料的焊接性能差，且价格昂贵，需权衡考虑。
方案5 增加膨胀节导流筒厚度 导流筒原厚度为1.52mm，可将其厚度适当提高。厚度提高，不仅可以提高导流筒抵抗冲刷的破坏，还可以提高焊接质量。
方案6 提高膨胀节波纹管耐磨性[3] 原波纹管材质为inconel625，是一种以镍为主要成分的奥氏体超耐热合金，具有广泛抗氧化和耐腐蚀的优良特性，耐高温，亦具有非凡的抗疲劳特性；原波纹管厚度为0.61mm。波纹管主要功能为温压补偿，如果过度提高耐磨性，其温压补偿必然受到影响，此处升级空间小。
方案7 膨胀节导流筒做耐磨喷涂 在导流筒内壁喷上耐磨材料，如碳化物等，可以大大增加导流筒耐磨性。喷涂工艺在一定程度上影响导流筒的根部焊接：如果是先喷涂再焊接，焊缝处需做二次喷涂；如果是先焊接再喷涂，将会增加喷涂难度和效果。
方案8 膨胀节导流筒做陶瓷衬里 在导流筒内部衬耐磨陶瓷管，可大大增大导流筒的耐磨性。内衬陶瓷需注意的问题有：导流筒根部焊接质量的把控，制造、运输、安装、拆卸过程的保护，防止重力磕碰。一旦陶瓷管受损，导流筒将快速被损坏。
4.2 设计改造的具体方案
我们从膨胀节自身结构特点、系统介质冲刷类型等入手，通过反复研究和实验，改变了通用膨胀节的基本结构，设计了一种结构简单、抵抗固体颗粒冲刷的耐磨高强度膨胀节。
方案9：变径导流筒改为直通管，见图11。
改进效果：吸附剂对导流筒的冲刷明显减少。
存在不足：
1）导流筒和法兰之间为搭接焊，强度低。
2）导流筒悬臂支撑，稳定性差。
3）因去除了变径喇叭口，导流筒的外径必须增加，使得导流筒不能穿过整个波纹管，这样波纹管末端成了一个冲刷薄弱点。
优化方案10：导流筒增加支撑环，见图12。
改进效果：导流筒外径达到GB1277的标准，可以穿过整个波纹管，保护作用好，吸附剂冲刷大大减小。
存在不足：
1）导流筒和法兰之间为搭接焊缝，强度低。
2）导流筒悬臂支撑，稳定性差。
最终优化方案11：导流筒增加支撑筒，见图13。
最终改进的内容：
1）改变径导流筒为直通筒。
2）转移导流筒焊接点至上法兰顶部，由角焊缝变成稳定的环焊缝，同时焊缝可被垫片内环遮挡保护。
3）导流筒上部增加支撑筒（即增加方案10支撑环的高度），改变了以前悬臂式的不稳定性。
4）增长导流筒至下法兰颈后，防止吸附剂对波纹管下游焊缝的冲刷。
图14 最终设计改造膨胀节的使用情况
5 应用效果
该设计改造方案，于2016年8月对2台磨损的旧膨胀节进行了改造修复，2017年5月进行离线验证，改造后的膨胀节运行良好：导流筒未见明显磨痕，波纹管完好，见图14。
最终的应用效果：
1）与原国标膨胀节相比，本设计的膨胀节寿命可提高2倍以上，保证装置长周期安全运行。
2）因导流筒改为直通管，焊接点上移，本设计的膨胀节结构更加简单，加工难度大大降低。
3）因结构更加简单，本设计的膨胀节制造成本更加低廉。以PN10 DN100的膨胀节为例，单台成本可降低至少30%；而且本成果膨胀节还可以修复利旧，即可节约成本90%左右。
4）因本成果膨胀节寿命大大提高， 装置长周期的隐性价值可观：S Zorb装置每减少一次停工，至少可降低500万元的系统费用损失。
责编/魏晓文
参考文献
[1] 段玫等．金属波纹管膨胀节通用技术条件．中国标准出版社秦皇岛印刷厂，2008：4-9.
[2] 陈坤. 压力管道波纹膨胀节设计制造中若干问题的探讨．锅炉压力容器安全技术，2001，（5）：12-13.
[3] 邵以华、汪建羽.催化装置用特殊膨胀节的应用与设计．化工设备与管道，2009，46（6）：45-46.
