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管膨胀节导流筒破损的原因及解决方案

之前有一个客户向我们公司销售说了这样一个情况:他购买的某公司的波纹管膨胀节,在运行使用了半年左右时间后,导流筒突然出现了损坏,出现了不规则裂纹,直至破裂形成碎片后掉落。希望我们公司帮忙解决一下这个问题。在此,润达技术小编就该波纹管膨胀节导流筒破损的原因及解决方案和大家分析一下。
该导流筒材质为304不锈钢。其具体尺寸为:外径D=1185mm,长度L1=370mm,壁厚t=2mm。使用工况:管道内介质为空气,流速为≤30m/s(额定流速为28m/s),且介质温度≤150℃(设计温度为100℃)。根据已知的设计条件,按GB/T 12777-2008标准中的有关设计规范所推荐的导流筒*小厚度应为1.5mm,现取导流筒壁厚为2mm,大于*小厚度1.5mm的要求,完全符合设计规范要求。
根据导流筒损坏的情况来看,可初步判断为因管道内气流激振引起的高周疲劳破坏。为此,采用有限元对导流筒进行了模态分析和应力分析。有限元单元采用弹性壳单元SHELL63,建模时考虑了导流筒进口端的翻边及圆弧过渡尺寸,设定边界条件时,将导流筒的进口端完全固定,而出口端为自由端,与导流筒实际安装状态相符。
从计算结果来看,导流筒的一阶固有频率为132.7Hz,而管系(机壳)的振动工频为88Hz,两者相差44.7Hz。考虑到该导流筒并不是一开始使用就坏掉的,而是连续使用半年多之后才坏的,可排除在正常工况下因导流筒自振频率与管系的振动频率相近而引起的共振导致导流筒损坏。在正常工况下,如果是导流筒固有自振频率和管系振动频率发生共振的话,一般在十几天内或数天内就会使导流筒产生破损,甚至还会导致金属波纹管的破损,况且两种的频率相差44.7Hz,并不完全相同,不会发生共振现象。
另外,由于现场较为混乱,导流筒碎片没有得到保留,故不能从材料方面入手对导流筒损坏的原因进行具体分析。但从材料采购渠道来看,也可排除材料方便的原因。
但从现场照片来看,该破坏还是由振动引起的。因此,结合现有资料综合考虑,我们分析判断:在实际使用运行过程中可能存在介质的流速突然变化、管系内部压力突然失控而增高、或其他因素引起实际使用工况发生较大的变化,导致管系或内部介质的振动突然变化,从而导致导流筒的自振频率与管系的振动频率突然接近,引发共振现象,产生高周疲劳,*终导致导流筒产生裂纹,并迅速延伸后造成断裂破坏。
为避免此种情况的再次发生,我们采取将导流筒壁厚加厚到4mm,然后再重新焊接到膨胀节内原导流筒位置的方法,进行修复。经修复后,该波纹管膨胀节使用至今,一切正常,再也没有发生过类似的情况。

通过该案例的分析,给予我们一个启示:即在有振动和介质流速可能有较大变化的应用场合,导流筒的设计除了要遵循规范和标准的*低要求外,还要综合考虑振动等对导流筒的影响,这时可对导流筒的壁厚进行适当加厚,使导流筒在使用工况和外部环境发生变化时仍具有一定的安全余量。有条件的话,*好再对管系(包括波纹管膨胀节)进行必要的设计和分析,如:模态分析,应力分析以及气固耦合作用对内衬套固有频率的影响等,以确保波纹管膨胀节的安全使用。

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