摘 要：文章针对废酸再生装置选择性催化还原（SCR）脱硝反应器中金属波纹管膨胀节失效的问题，系统分析了 SCR 反应器支架布置和设计工况对膨胀节运行状态的影响机制。通过对 SCR 反应器在运行过程中热位移及盲板力的计算分析，揭示了不合理的支架布置是导致膨胀节受力不均、产生过度变形并引发失效的关键原因。研究提出了以优化支架设计与波纹管膨胀节结构为核心的改进方案，为同类装置中膨胀节的合理应用与失效预防提供了理论依据和实践经验。

关键词：SCR 反应器；波纹管膨胀节；失效分析；设计优化

废酸再生（Spent Acid Regeneration，SAR）装置是一种广泛应用于化工生产的设备，主要用于回收和再生使用过的硫酸。这些废酸来源于烷基化装置、硝化装置、以及丙烯腈和甲基丙烯酸甲酯联合装置产出的废酸废液。废酸经过再生处理后，可以转变为浓度更高、质量更合格的浓硫酸，重新返回到主生产过程中进行循环利用。这一过程不仅有效实现了废物资源化，降低了硫酸生产所需硫资源的消耗，同时减少了废物排放和对环境的污染，并且通过优化热能利用，实现了热能的多级回收与循环利用 [ 1 ] 。

在 SAR 装置中，烟气排放是不可避免的。为降低 SAR 装置烟气中氮氧化物（NOx）的排放浓度，选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术已成为控制 NOx 排放的主要手段。该技术利用氨气（NH3）作为还原剂，在催化剂作用下，与烟气中的 NOx 发生氧化还原反应，生成氮气（N2）和水（H2O），从而净化烟气，减少对环境的污染 [ 2 ] 。经过处理的烟气最终通过后续装置排入大气，确保满足环保要求。

SCR 反应器作为 SAR 装置中重要的脱硝设备，其结构设计对于烟气处理的效率与稳定性具有至关重要的作用。SCR 反应器通常采用大型钢制箱体或塔体结构，内部设计经过精密优化，以适应高温、高粉尘及腐蚀性环境的工作条件。反应器内部一般采用模块化设计，核心部分是分层布置的催化剂层，这些催化剂模块通常为蜂窝式、板式或波纹式结构，具有巨大的比表面积，为 NOx 的氧化还原反应提供充分的接触空间。SCR 反应器上游配备喷氨格栅和静态混合器，以确保还原剂与烟气的均匀混合。此外，反应器的入口处通常装有导流板和整流格栅，用来优化烟气流场，减少气流偏差，保证气流平稳、均匀地通过催化剂层，从而提升脱硝效率 [ 3 ] 。

在 SCR 反应器运行过程中，膨胀节作为反应器本体与出口系统连接的重要部件，长期承受较高的温度和较大的压力。膨胀节的主要作用是补偿反应器本体由于热膨胀引起的膨胀与收缩，确保反应器及其附属设备的稳定运行 [ 4 ] 。鉴于膨胀节失效将直接诱发系统泄漏、设备停机等工程事故，国内外学者针对其失效机理、影响因素及防控措施已开展系列研究工作。安玉忠等 [ 5 ] 研究了催化装置中膨胀节的失效问题，分析了膨胀节在高温环境下因热膨胀和振动引起的损伤。周建明 [ 6 ] 分析了环氧乙烷 / 乙二醇装置 E532 膨胀节的开裂失效问题，探讨了晶间腐蚀和疲劳应力引起的开裂现象。Vishwakarma 等 [ 7 ] 研究了改进型转辙膨胀节的疲劳裂纹扩展，指出膨胀节失效与裂纹尺寸和方向密切相关，且接触区应力集中加剧了疲劳损伤。Saeidi 等 [ 8 ] 研究了钢铁厂天然气重整炉进气膨胀节的腐蚀损伤，发现焊缝附近的刀线腐蚀导致裂纹扩展和材料失效。靳峰等 [ 9 ] 分析了 316L 不锈钢膨胀节波纹管泄漏原因，指出泄漏源于蒸汽中腐蚀性物质引起的应力腐蚀开裂。马超等 [ 10 ] 研究了无约束波纹管膨胀节失效问题，分析了现有管道应力分析软件在模拟膨胀节作用力时的不足，揭示了软件计算与行业标准理论的差异，该差异会影响管道受力分布和设备安全性。

其中，波纹管膨胀节因结构紧凑、补偿性能优异而被广泛应用，但其波纹管构件在实际工程中易受循环载荷作用产生疲劳破坏，进而引发系统泄漏等安全隐患。针对该典型失效问题，近年来国内外学者已开展大量研究。Magesh 等 [ 11 ] 研究了影响金属波纹管膨胀节疲劳寿命的关键参数，指出材料选择、操作条件、几何形状、加载历史等因素显著影响疲劳性能，并强调了正确的设计、制造工艺和维修策略对延长使用寿命的重要性。Ding 等 [ 12 ] 研究了基于试验设计法的金属波纹管优化方法，通过回归分析确定了最大化振动疲劳安全系数的最佳结构参数组合。Chen 等 [ 13 ] 研究了金属波纹管固有缺陷对疲劳寿命的影响，提出了一种修正的疲劳寿命计算公式，揭示了预先存在的裂纹对波纹管疲劳寿命的显著影响。房勇兴等 [ 14 ] 研究了高温环境下波纹管膨胀节的疲劳失效问题，分析了循环位移作用对波形膨胀节疲劳裂纹扩展的影响。

尽管如此，在实际工程应用中，膨胀节仍可能因设计、运行或系统匹配等问题出现严重失效。例如，在某 SAR 装置的 SCR 反应器运行中，膨胀节出现了严重的失效问题。具体表现为：（1）膨胀节顶部在反应器出口和支撑层之间的焊缝处发生拉伸并开裂，如图 1a 所示；（2）膨胀节的波纹管严重变形，趋于扁平，如图 1b 所示；（3）上部烟道变形并向出口侧下沉，导致出口侧管道弹簧被压死，影响了系统的正常运行，如图 1c 所示。这些失效现象不仅影响了反应器的正常运行，还暴露了设计中一些关键问题，如膨胀节结构设计不当、SCR 反应器系统支撑结构不完善等。

图 1 某 SAR 装置 SCR 反应器膨胀节失效图

针对上述问题，本文首先在第 1 节详细介绍 SCR 反应器的工艺原理与整体结构设计。在此基础上，第 2 节重点剖析该装置在实际运行中暴露的缺陷，重点讨论膨胀节、支承结构及整体布置方面的设计问题，并深入探讨其失效机理。基于上述分析，第 3 节针对性地提出设计改进方案，通过优化关键部件设计与系统配置，提升膨胀节的运行可靠性及反应器的整体结构稳定性，为设备长期安全高效运行提供技术保障。最后，在结论部分总结主要分析结果与优化方案。

SCR 反应器的工作原理是将 NH3 与烟气中的 NOx 反应，在适当的温度及催化剂作用下，转化为无害的 N2 和 H2O。主要反应式如下：

在本装置的设计中，来自焚烧炉的 NH3 首先与空气在氨空混合器中充分混合，形成均匀的氨空混合气。混合后的氨气与烟气进入 SCR 脱销反应器，在 430 ℃的工作温度与 SCR 脱硝催化剂作用下，发生氧化还原反应，从而实现 NOx 的高效脱除。净化后的烟气则进入后续工段进行处理，最终达标排入大气。

1.2 SCR 反应器结构设计

本研究设计的 SCR 反应器系统为一套集成化装置，主要由反应器本体、进出口烟道、钢框架、平台扶梯以及膨胀节等部分构成，其结构如图 2 所示。反应器本体作为核心部件，采用耐高温合金钢制造，为压力容器结构。其内部按工艺要求分层布置蜂窝状催化剂模块，以保障反应面积与催化效率。进口烟道采用方变圆结构设计，材质为 304 不锈钢，确保烟气顺畅进入并降低压损。出口烟道系统同样为方变圆结构，内部设有导流板及多孔均流装置，以优化气流分布，实现处理后烟气的平稳输出。反应器本体支撑于标高 9 150 mm 的结构层上，其顶部通过波纹管膨胀节与出口烟道系统连接，有效吸收热胀冷缩引起的位移，保障系统长期稳定运行。

图 2 SCR 反应器系统结构平面布置图

在本装置的设计中，反应器内的烟气流动路径与催化反应过程紧密耦合。任何结构设计上的缺陷或布局不当，均可能破坏反应器内部温度场与压力场的均匀分布，进而诱发设备故障。因此，在设计中必须充分考虑各部件之间的协调性，确保流体动力学特性与材料性能之间相互匹配。

2 设计问题与失效分析

2.1 膨胀节设计问题

本装置采用了方形波纹管补偿器，其设计上具有 V 型结构，即在膨胀节的拐角处采用了单斜角连接方式。然而，这种结构在连接处存在明显的角度转折，容易导致应力在此处集中。尤其是在焊接过程中，如果存在焊瘤、未焊透或焊道成型不均等问题，这种应力集中将进一步加剧局部的结构失效。

在现场运行中，膨胀节的 V 型拐角处焊缝出现开裂（见图 1a），表明膨胀节存在一定的设计缺陷，这为后续的失效分析提供了重要依据。

SCR 反应器的支架系统是支撑反应器和管道系统的关键组成部分。在本装置中，SCR 反应器上方的出口管道共设置 6 个支架，其中 1 个为固定支架，其余为承重支架，具体布置如图 3a 所示。然而，从图 3b 可以发现，支架的布置存在明显不合理之处，尤其是在膨胀节上方的右侧区域，缺乏有效支撑，同时膨胀节正上方也缺少必要的限制性支架，导致其在内压作用下产生的轴向推力无法被有效约束。在此情况下，膨胀节因承受过大内压而发生过度变形，反应器本体上方的烟道出口管道以固定支架为支点，整体呈现出左侧下沉、右侧上抬的不平衡状态。

图 3 SCR 反应器出口管道支架平面布置图

SCR 反应器主要设计参数如表 1 所示。其系统入口通过方变圆特殊件与方形内管道相连；出口管道则通过另一组方变圆特殊件接至外部管道，并在该处设置固定支架。为吸收反应器出口固定支架与反应器本体支撑点之间因热胀冷缩产生的位移，在反应器出口与支撑层之间安装了膨胀节。

表 1 SCR 反应器设计参数

根据热膨胀位移计算公式 [ 15 ] ：

式中 Δ L ——热膨胀位移，mm；

α ——材料的线膨胀系数（GB/T 20801 — 2020 附录中，304 不锈钢在 20 ~ 430 ℃范围内取 18.2 × 10-6 ℃ -1） [ 16 ] ；

L0 ——反应器出口固定支架标高与支撑层之间的距离，mm；

Δ T ——设计温度与安装温度（20 ℃）之差，℃；计算可得：

此外，根据设计压力 20 kPa，膨胀节在内压作用下将会产生盲板力。根据盲板力的计算公式 [ 15 ] ：

式中 F ——盲板力；

A ——膨胀节实际结构的横截面积。

综合分析表明，该膨胀节需吸收 24 mm 的位移，并在 20 kPa 内压下承受 320 kN 的盲板力。由于膨胀节上方未设置有效约束支架，其在内压作用下向外膨胀。由于反应器出口固定点靠近膨胀节左侧，该侧变形受到的约束相对较小；而膨胀节右侧未设置有效约束，在内压作用下，右侧波纹管呈现出被拉伸至近乎平直的趋势。此外，波纹管拐角采用的单斜角连接方式，在内压与高温的共同作用下，会形成显著的应力集中，进而导致焊缝开裂，最终引发结构失效。

3 SCR 反应器设计优化方案

根据前述分析结果，SCR 反应器方形波纹管膨胀节的失效主要由两方面因素导致：一是膨胀节本体设计存在结构缺陷，尤其在拐角处存在应力集中问题；二是支架布置不合理，未能对膨胀节盲板力提供有效约束。这些问题综合作用，导致膨胀节在运行中发生严重变形及焊缝开裂，影响了反应器系统的整体稳定性和安全性。为此，本节提出两种可行的结构优化方案，以提高设备的运行可靠性并延长其服役寿命。

3.1 刚性连接与弹簧支架支撑改造方案

在该方案中，取消反应器支撑层和出口之间原有的方形波纹管膨胀节，出口管道与反应器壳体直接采用刚性连接结构。同时，原设计用于固定、承重和导向的传统支架全部更换为弹簧支架支撑，通过弹性支撑的方式吸收热胀冷缩位移，从而实现补偿效果。

（1）结构设计思路

在热态工况下，弹簧支架可随温度升高自动产生位移补偿，使管道与反应器壳体的热应力得到均匀释放。反应器壳体的刚性连接部分可采用分块贴合焊接结构，以方便现场施工与焊接调整，确保装配精度与气密性。弹簧支架选型遵循核心原则：精准匹配安装态与操作态荷载，控制荷载变化率≤ 25%（应力敏感管线变化率≤ 5%），额定荷载与位移需覆盖工作参数并预留 20% ~ 30% 余量；中小位移工况选用可变弹簧，大位移关键管线选用恒力弹簧，高温管线配套隔热层，安装时严格冷态整定。

杜绝膨胀节结构破坏风险：通过取消波纹管结构，从根本上消除因波纹疲劳或焊缝应力集中导致的裂纹失效问题。施工与维护简便：刚性壳体采用分块焊接方式，现场施工可灵活调整，后期维护更为便捷。受力体系合理：弹簧支架的受力作用点设置在原有支架横梁位置，框架整体受力体系保持不变，不会引入新的集中荷载。提高运行稳定性：弹簧支架能在温度变化时自适应调整，减小热应力波动，提高系统运行平稳性。

该方案适用于空间条件较为宽裕的装置。对于需长期稳定运行、检修周期较长的废酸再生装置，该方案具有显著优势。

3.2 优化型波纹管膨胀节方案

在该方案中，保持膨胀节的功能，但通过改进其结构设计与支架布置方式来提升整体稳定性。具体措施为：在装置停机冷炉条件下，切除原有失效膨胀节，待反应器上弯头因重力回落至设计标高后，更换新型波纹管膨胀节。

（1）结构优化设计

新型膨胀节采用圆角过渡结构替代原有的 V 型单斜角连接，消除了斜角处的几何突变，从根本上降低了局部应力集中。波纹管的设计将适当增加波数与波距，以提升其轴向补偿能力与疲劳寿命。同时，膨胀节上方增设四组固定支架，用于约束反应器出口上方弯头位移，确保运行过程中不再发生上翘或下沉变形。

保持膨胀节补偿功能：在不改变系统原有热补偿机制的前提下，实现结构优化与应力分布改善。降低应力集中：圆角拐角结构显著降低焊缝根部的应力梯度，提高波纹管疲劳寿命。增强结构约束能力：新增的上部支架可有效抵抗盲板力，防止管道在运行中发生偏移。改造难度较小：施工工作量较方案一更小，适合停机检修期间实施。

该方案适用于现场空间有限、需要保持原系统布置结构的装置，特别是对反应器与烟道热变形协调性要求较高的系统。

3.3 方案对比与确定

综合分析两种方案：方案一在彻底消除膨胀节失效隐患方面更具优势，能够根本杜绝因波纹结构疲劳或焊缝开裂导致的事故，但需要较大的结构改动和现场焊接工作量；方案二则在保持原系统整体布局的同时，通过结构改进显著提高膨胀节寿命，施工周期短，改造风险较低。

综上所述，对于已运行多年的废酸再生装置 SCR 反应器系统，若计划进行大修或整体升级，可优先采用方案一（刚性连接与弹簧支架支撑系统）；若装置需在短期检修内完成整改，则推荐采用方案二（优化型波纹管膨胀节）。

两种方案均能有效改善 SCR 反应器波纹管膨胀节的受力状态，提升设备的运行安全性与稳定性，为同类型装置的设计改进提供工程参考。

通过对废酸再生装置 SCR 反应器方形波纹管膨胀节失效的分析可知，其主要原因在于波纹管拐角处单斜角连接导致的应力集中，以及出口管道支架设置不合理，使膨胀节在内压作用下发生过度拉伸和焊缝开裂。为此，建议在波纹管拐角处采用圆角过渡设计，或优化支架形式，增设弹性支撑，以有效吸收热位移。优化后的结构可显著降低应力集中和变形风险，提升反应器系统的运行安全性与可靠性，对同类高温设备的设计与改造具有一定的工程参考价值。