膨胀节是广泛应用于石油化工设备与管道上的热变形补偿元件,对降低设备和管道的热应力,从而延长服役寿命发挥重要作用。随着生产规模的扩大,大型装置的膨胀节也呈现大型化和非标设计的趋势。本文针对首次发生的国产大型苯乙烯非标膨胀节的汽锤失效事故进行模拟分析,并对实际最危险运行工况进行有限元仿真,获得若干有意义的结论。首先,对膨胀节在试车过程中出现的汽锤失效现象进行定性判断和有限元模拟验证。在内外两层波纹管中因有残留水,在试车到260℃时形成的过热蒸汽压力,使外层波纹管发生塑形鼓起变形,内层波纹管发生波浪状失稳,模拟的鼓起变形和失稳形态与实际变形非常接近,由此验证了汽锤失效及其汽化压力,并就网格疏密度对临界失稳载荷的影响进行了探讨。进一步,对该膨胀节实际运行短时最危险工况的进行整体有限元分析,以检验是否存在设计缺陷。利用ANSYS的APDL编程和热-结构间接耦合法,对膨胀节在发生热变形、轴向和侧向位移等多种最不利组合工况下进行有限元应力分析。考虑了热-结构间接耦合、材料性能参数随温度变化的双线性硬化弹塑性本构关系、双层波纹管的接触非线性与几何大变形等,可见有限元计算同时包含了材料、几何与接触三大非线性等复杂因素,故计算规模较大。最终获得了膨胀节工作状态下的应力分布规律,指出波纹管始终为膨胀节的最薄弱环节,部分进入塑性,但不影响正常运行。最后,依据国内外不同的标准对该膨胀节进行核算,发现国外的膨胀节标准更加偏于保守和安全。本文方法及其结论,对同类大型膨胀节的失效分析、分析设计与安全评定均有很好的参考价值。