波纹管膨胀节浅析

1 波纹管膨胀节浅析 福建省石油化学工业设计院 刘红

压力管道受到热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等因素的影响，可能会导致设备、管道的非正常运行。因此，管道的柔性设计是安全运行的重要保证之一。在弹性研究技术引入管道系统之前，管道补偿只限于采用管道本身的结构来实现，例如采用合理布局以实现自然补偿；采用方形管道实现补偿；采用具有活动部件的套筒式补偿器进行补偿等。这些补偿方式只局限于采用管道本身的安装技术，或变位，或变形，或分解，因而不能彻底实现管道的更有效的补偿：其一，采用变位、变形补偿方式时，补偿能力较差，占地面积大，施工困难；其二，采用管道分解的套筒式补偿，虽补偿能力有所提高，但密封部分问题较多，易泄露，维修量大，容易卡死。随着弹性研究技术的引入，情况发生了巨大的变化：具有弹性补偿能力的薄壳式波纹管立即成了管道补偿技术中的一个热点，并迅速推广到各领域的管道工程中。波纹管膨胀节成为管道中最常用的柔性元件，它是由金属波纹管和构件组成的具有伸缩功能的器件，能够补偿管道的热变形、机械变形和吸收各种机械振动，起到降低管道变形和提高管道使用寿命的作用。 1 波纹管的层数 波纹管按层数可分为单层与多层。当波纹膨胀节用于供热等需要较大补偿量的领域时，除了补偿量要求，还需要承受大约1~1.6MPa的压力，这就要求波纹管刚度小，内应力小，并具有受压能力。刚度计算公式（1）：

dmNhbZSEDK5.25.033

4 (1)

式中: K—刚度,N/mm；E—材料的弹性模量,N/mm2； Dm—波纹管的平均直径,mm； S—波纹管每一层厚度,mm； Z—波纹管的层数； b—波厚,mm； h—波纹高度,mm； Nd—波数的两倍. 在承受大小相当的压力下，单层与多层波纹管的厚度是相当的，因此：

对于单层波纹管，dmNhbZSEDKZSS5.25.03314,多单多单 (2)

对于多层波纹管，dmNhbZSEDK5.25.0334多多 (3) 2

比较（2）、（3）式可知，单多KZK21 可见，当壁厚相同时，采用多层结构的波纹管刚度只有单层的层数平方分之一。考虑到实际中多层波纹管的耐压能力略差，总壁厚应增加20%，这虽导致了刚度的增加，但一般仍保持单多KZK1 .

刚度的减小大大增强了波纹管的补偿能力，并能减小推力，从而增加了寿命。 波纹管应力计算见公式（4）、（5）。

fChES3212

(4)

dChES2235

(5)

式中: δ—补偿量； Cf,Cd—结构系数； σ1—由伸缩变形产生的径向薄膜应力； σ2—由伸缩变形产生的径向弯曲应力； 采用同样方法比较可得：单多1211Z ， 单多221Z .

由于σ1和σ2基本上代表了波纹管的主应力，故多层波纹管的应力大致只相当于单层的1/Z左右。 综合刚度与应力的差别可知，多层波纹管的内应力在伸缩位移相同的情况下，只有单层管的1/Z，或在应力相同的情况下，其伸缩位移可以是单层的Z倍。一般Z=3~10，故应采用多层波纹管制作膨胀节。 在补偿量较小的场合，如果主要为了减震和便于安装，可采用单层波纹结构。而多层波纹膨胀节本身具有较好的防震效果，方便安装，使用寿命长，因此在大多数场合，特别是热力管道上，均是最佳选择。 2 波纹管的波形 波纹管的波形大致有U形、Ω形、S形和V形四种。这些波形各有特点，应根据不同的场合选用不同的波形。 U形：具有较好的耐压能力和补偿能力，属于通用波形，一般应首先选用。当补偿量要求特别大时，采用此种波形的多层结构是最理想的。 Ω形：具有良好的耐压能力，但补偿能力较差。虽然近似球形的波纹有较均匀的变形应力及较好的冷作硬化，但由于结构上的局限，在补偿量较大时，往往容易压坏或拉坏。因此，该波形主要用于高压力、小位移场合，如压力在4.0MPa以上时使用。 3

S形：类似于Ω形，而补偿能力有所提高。 V形：具有较大的补偿能力，但耐压能力很差，只在需要特大的轴向或体积补偿时采用，工作压力不宜超过0.4MPa。 综上所述，用于补偿场合的波纹膨胀节最好采用U形波，特别是在供热管道上，采用U形以外的其他波形是不合理的。 3 按用途分类 3.1 轴向型膨胀节 用于吸收轴向位移的膨胀节，主要有不带拉杆的单式普通膨胀节和内压/外压型轴向型膨胀节（图1）。

a不带拉杆的单式普通膨胀节 b内压型轴向型膨胀节 c外压型轴向型膨胀节 图1

其中，单式普通膨胀节结构简单，制造成本低，对于管道口径小，固定支座易于设置的管线，应优先采用。但它不能承受压力推力，所以在选用时，一定要正确计算压力推力，并正确地设置固定支座。而外压型轴向型膨胀节工作时，波纹管受拉，而不是受压，然而其结构比较复杂，只有当所需要的轴向位移较大、内压下会发生柱失稳时才采用。 3.2 横向位移膨胀节

a带长拉杆的复式万能型膨胀节 b带短拉杆的复式万能型膨胀节 c带拉杆的单式普通膨胀节 d平面复式铰链型膨胀节 e万向复式铰链型膨胀节 图2 4

用于吸收横向位移的膨胀节，主要有复式万能型膨胀节、带拉杆的单式普通膨胀节、复式铰链型膨胀节等（图2）。 带长拉杆的复式万能型膨胀节（图2-a）的两组波纹之间的长度越长，吸收的横向位移就越多。但拉杆也要相应增长，由于刚度的限制，拉杆不能太长。带短拉杆的复式万能型膨胀节（图2-b）用于吸收横向和轴向的位移。由于没有拉杆限制，两组波纹管之间的间距可以很大，因此，可以吸收较大的位移，但压力产生的推力要有主固定支架承受。带拉杆的单式普通膨胀节（图2-c）的波纹有效长度较小，只能吸收较小的横向位移。平面复式铰链型膨胀节（图2-d）用于L形、平面Z形管道。由于拉板的刚性较拉杆要好，可选择较长的拉板，就可以吸收较多的横向和轴向位移，其缺点是只能吸收平面的位移。万向复式铰链型膨胀节（图2-e）由于在铰链中应用了销块，可吸收任意方向的位移，常用于立面Z形管道。 3.3 角位移膨胀节 用于吸收角位移的膨胀节，主要为铰链型膨胀节（图2-d e，图3）。压力产生的推力由铰链吸收。在实际应用中，常常由两个或两个以上铰链型膨胀节组合起来使用。

a平面单式铰链型膨胀节 b万向单式铰链型膨胀节 图3

平面单式铰链型膨胀节（图3-a）常用于L形、π形、平面Z形管道中。万向单式铰链型膨胀节（图3-b）可以吸收任意方向的角位移，常用于立体Z形管道中，其缺点是环板所受的力矩较大，其设计厚度很厚，比较笨重。 3.4 压力平衡型膨胀节

a弯管压力平衡型膨胀节 b直管压力平衡型膨胀节 5

c单式旁路轴向压力平衡型膨胀节 d复式旁路轴向压力平衡型膨胀节 图4 能够平衡压力产生的推力，用于不允许有较大推力的场合。主要有弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、旁路轴向压力平衡型膨胀节（图4）。 当波纹管压力推力很大，所需的固定支座不便于设置时，以及与之相连的管道或设备不允许承受内压推力时，应考虑选用这种型式的波纹膨胀节。其中，弯管压力平衡式膨胀节（图4-a）用于有弯管的管道，可消除作用在泵、压缩机、汽轮机等设备接口处的载荷，在选型时要注意：连杆所承受的压力推力一定要大于使膨胀节产生轴向位移所需要的力。其他压力平衡型膨胀节均用于直管道。在需要轴向补偿情况下，由于管线架空或两容器之间的直管段距离较短，设置固定支架困难或不经济时，这时应考虑使用直管压力平衡型膨胀节（图4-b），然而它要用到两种不同规格的波纹管，且一种规格的平均直径是另一种的1.4倍，因此，体积大、成本高。而旁路轴向压力平衡型膨胀节（图4-cd）使用一种规格的波纹管，体积小、成本低。复式旁路轴向压力平衡型膨胀节的柱失稳波数比单式增加一倍，因为中间两组波纹管受外压作用，稳定性好，而两组受内压的波纹管因为中间有两个支撑点，每组可视为两端固定，计算柱失稳波数时，只计一组波数。 3.5 高温用膨胀节 一般情况下，膨胀节的主要元件波纹管都在高应力下工作，波纹管材料在高温下容易产生蠕变，疲劳寿命大大降低。因此，介质温度高于波纹管材料的蠕变温度时，就要采用隔热的方法。例如高炉用膨胀节（图5）或者采用蒸汽降温的方法；催化裂化装置用膨胀节（图6）可降低波纹管材料的壁温，使其在安全的温度下工作。 6

1-耐火砖，2-隔热材料， 3-波纹管， 4-隔热材料绳， 5-耐火砖 图5

1-导流筒，2-波纹管， 3-蒸汽管， 4-耐磨衬里 图6 4波纹管膨胀节的选型 4.1根据实际情况，合理确定各段管线采用的波纹管膨胀节的形式数量 各种管线看似走向曲折复杂，但是都是由一些形状简单的具体的典型管段组成，如直线管段、L形管段、Z形管段。此类管段的位移均可用不同类型的波纹膨胀节来补偿。直线管段采用轴向膨胀节；L形管段、Z形管段则采用单向铰链型、复式自由型和复式铰链型膨胀节；而空间管段则采用复式拉杆型和单、复式万向铰链型膨胀节。也可根据实际情况调整替代，如用一个横向膨胀节替代多个轴向波纹膨胀节，也是可取的。 4.2确定工作压力等级 实际工作中一般根据管道的设计压力直接确定膨胀节的公称压力，必要时，可根据温度修正系数对公称压力等级进行修正。 4.3确定波纹膨胀节的补偿量 可根据管线在最高温度和最低温度下的热胀冷缩产生的伸缩量来确定。 4.4 管架的设置 管道支架对管线起着承托和限制管线位移的作用，对波纹膨胀节影响大的主要是固定支架和导向支架。 4.4.1固定支架