波纹管膨胀节的设计与选用

２０１２焦　第５期　管　道　技　术　５　设　各　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　２０ｌ２　Ｎｏ．５　波纹管膨胀节的设计与选用　仝　源　（南京化工职业技术学院，江苏南京２１００４８）　摘要：波纹管膨胀节是一薄壁挠性元件，在内压作用下能够吸收热膨胀或机械运动引起的位移，ｕ　形膨胀节应用最广泛。膨胀节材料选用主要取决于工作条件、环境和经济性；应力校核应满足各项条　件，否则需调整结构尺寸，重新进行应力计算，同时给出了膨胀节参数与其性能之间的影响规律；膨胀　节的制造以液压成形为好，尽量采用整体成形，且按照要求进行相关热处理，焊接时根据材料不同选择　合适的焊接方法，以保证波的形状和表面质量。　关键词：波纹管；材料；应力；制造　中图分类号：ＴＱ０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—９６１４（２０１２）０５—００２８—０４　Ｂｅｌｌｏｗｓ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　Ｊｏｉｎｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ＴＯＮＧ　Ｙｕａｎ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｌｌｏｗｓ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ｉｓ　ａ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｌｆｅｘｉｂｌｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ，ａｂｌｅ　ｔｏ　ａｂｓｏｒｂ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｉｎ　ｄａｉｌｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　Ｕ—Ｓｈａｐｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ｉｓ　ｍｏｓｔ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ．Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ；ｓｔｒｅｓｓ　ｃｈｅｃｋ　ｓｈｏｕｌｄ　ｍｅｅｔ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｏｒ　ｔｏ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｉｚｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｍｅａｎ—　ｗｈｉｌｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｈｅ　ｐ￣ａｍｅｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｌｆｕｅｎｃｅ　ｒｕｌｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｈｅ　ｍａｎｕ—　ｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｆｏｌｌｏｗｓ　ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｈａｐｉｎｇ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ，ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｃｏｅｓｓ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒｌａ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ａｓ　ｍｕｃｈ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉｌｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔａｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｈｏｉｃｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄ—　ｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ　ｐｉｐｅ；ｍａｔｅｒｉａｌ；ｓｔｒｅｓｓ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　０引言　在静载荷或较少循环次数的载荷作用下，又没有　特殊耐腐蚀要求的工作条件，碳素钢、低合金钢是制　造膨胀节常用的材料。含碳量＞０．２５％的碳素钢和低　波纹管膨胀节又称波纹管补偿器，是利用波纹管　作为弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线或容器由　于热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，属于一种补偿　元件，用于管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸　收及降低噪音等。由于具有结构紧凑、性能良好、工　合金钢及非容器用钢不得用于制造膨胀节，且容积＞　１０　ｍ　的压力容器不得选用Ｑ２３５一Ａ制造膨胀节；壁　厚＜６　ｍｍ的碳素钢波纹管应采用２０ＨＰ钢板制造；采　用２０　ｇ钢板制造波纹管，当壁厚≤１６　ｍｍ时，其钢板　应每批取１张按ＧＢ１５０—１９９８附录Ｇ规定分别复验　作可靠等优点，已在石油化工、冶金、电力、核能、造　船、管道工程等部门得到广泛应用。　１形式　抗拉强度、屈服点、延伸率和常温冲击功。　奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性，是最常用的材　料，例如０ＣｒｌＳＮｉ９、０Ｃｒｌ８Ｎｉｌ０Ｔｉ、０Ｃｒｌ７Ｎｉｌ２Ｍｏ２等。　国内外标准中都列有推荐材料，但选用时需考虑具体　的工作介质和环境。　波纹管膨胀节按波形不同，分为Ｕ形、ｎ形、ｓ形　等，ｕ形膨胀节应用最广，其规格包括ＺＸ、ＺＤ、ＨＦ和　ＨＺ型等¨　。　２材料选用　材料选用主要取决于波纹管的工作条件、环境和　经济性。　收稿日期：２０１１—１０—０２　收修改稿日期：２０１２—０４—０７　材料选用若是参照厚度附加量Ｃ中腐蚀裕量ｃ　的值，当Ｃ　≤１　ｍｍ时，尽量根据标准选择碳素钢或低　合金钢；当Ｃ　＞１　ｍｍ时，尽量选择奥氏体不锈钢。　第５期　仝源：波纹管膨胀节的设计与选用　２９　３应力计算　现以ｕ形波纹管为例，重点介绍膨胀节的应力性　质及评定。　３．１计算公式　图１为Ｕ形波纹管结构尺寸图。　管　　ｌ＿／　，　，　＜　，　加强套｝　　ｔ　、　ｘ￣１　、　｜．｝　一　日　一　∞　３．１．１　周向薄膜应力　波纹管周向薄膜应力为　０＂１＝　ｆＩ南０．＋５７１　　Ｊ２ｈ］　式中：ｐ为设计压力，ＭＰａ；Ｄ　为波纹管平均直径，ｍｍ；　ｍ为层数；ｓ。为考虑成形过程中厚度减薄时，波纹管　一层材料的厚度，亦可采用成形减薄后的实测值，ｍｍ．　直边段周向薄膜应力为　ｐＤ２ｏＬ４也ｔｂｋ　２（ｍ阳６ｔ　４Ｄ０＋ＳｃｋＥ＇￣Ｌ　Ｄ　）　加强圈周向薄膜应力为　ｐＤ２ｃＬｃＥ；ｋ　２（ｍＳＥ＇￣厶Ｄｏ＋ＳｃｋＥ＇￣Ｌ　Ｄ　）　式中：　为设计温度下波纹管材料的弹性模量，ＭＰａ；　Ｄ。为波纹管直边段平均直径，ｍｍ；Ｓ为厚度；Ｄ　为直　边段加强圈平均直径，ｍｍ；　为系数；　为设计温度下　加强圈材料的弹性模量，ＭＰａ．　３．１．２径向薄膜应力　内压引起的径向薄膜应力为　０ｒ２　芝　轴向位移引起的径向薄膜应力为　（．ｓ。＋Ｃ２）　ｅｌ　—　一　式中：ｅ　为单波的轴向位移，ｍｍ；Ｅ　为室温下波纹管　材料的弹性模量，ＭＰａ；Ｃ，为系数，由文献［１］图６—３　查得。　３．１．３径向弯曲应力　内压引起的径向弯曲应力为　１９＼ｓｈ　Ｃ２ｍｐ　式中ｃ　为系数，由文献［１］图６—２查得。　轴向位移引起的径向弯曲应力为　５　（．ｓ。＋Ｃ２）ｅｌ　０ｒ５　—　式中：Ｃ　为系数，由文献［１］图６—４查得。　３．１．４组合应力　组合应力公式为　ｏｒｐ　０＂２＋　３　Ｏ＂ｄ＝０＂４＋　５　Ｒ＝０．７０＂。＋ｏｒｄ　３．１．５平面失稳压力　平面失稳压力为　Ｐ　＝　ｓ　—　’要求～，妥　ｐ≤ｐ　。　３．２各参数对膨胀节的影响　表１为各参数对膨胀节性能的影响。　表１各参数对膨胀节性能的影响　３．３应力校核　波纹管各应力应满足以下条件：　（１）ｏｒ　、ｏｒ：、ｏｒ　、ｏｒ：应分别≤［ｏｒ］‘（［ｏｒ］‘为设计温　度下波纹管材料的许用应力值，ＭＰａ）；　（２）Ｏ＇ｐ≤１．５　（Ｏｒ：为设计温度下波纹管材料的实　际屈服点，ＭＰａ）　（３）对碳素钢、低合金钢波纹管，ｏｒ　￣＜２ｏ－　；　（４）对奥氏体不锈钢波纹管，当　￣＜２ｏ－　时，可不　考虑低周疲劳问题，反之需进行疲劳寿命校核；对碳　素钢，因抗疲劳性能差，故限定总应力水平　≤２　．　当各应力无法满足上述条件时，按下述原则调整　结构尺寸，并重新进行应力计算。　（１）当轴向位移引起的应力过大时，适当增加波　数或减少波纹管壁厚；　（２）当内压引起的应力过大时，减少波高或增加　３０　Ｐｉｐｅｌｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　波纹管壁厚；　（３）增加波纹管的波数或层数可改善应力状态；　化处理。　４．４波的形状和表面质量　（１）波的形状应均一，表面不得有明显的凹凸不　（４）波高选取按成形比（Ｄ　／Ｄ。）确定的，当成形　比＝１．５５～１．１０时，其实际减薄量较接近计算减薄　量。如果成形比过大，由于减薄量太大致使波纹管在　成形过程中因承受不起成形压力而破裂，一般设计时　根据连接件口径的标准尺寸确定Ｄ。后，即可确定Ｄ　（波纹管外直径），波高ｈ＝（Ｄ　一Ｄｎ）／２，一般取波距　Ｗ＝（０．８～１．２）ｈ．　平和大于钢板厚度负偏差的划伤及焊接飞溅等其他　缺陷。液压成形波纹管表面允许有轻微的成型模分　型面的痕迹。　（２）制造中禁止在非焊接部位引弧，避免钢板表　面的机械损伤。对严重的尖锐伤痕，成形后应修磨，　使其圆滑过渡，修磨范围内的斜度至少为１：３。修磨　４制造成形　４．１成形方法　国内制造波纹管的方法主要有冲压、滚压和液压　成形３种。液压成形的波纹管具有质量好、精度高、板　材薄、轴向刚度小等优点，已在石油、化工等行业中广　泛应用，并具有生产　３　ｍ的大直径波纹管的能力。　波纹管应尽量采用整体方法成形，此时波纹管毛坯用　钢板卷制不得有环焊缝。ＨＦ型或ＨＺ型单层波纹管　允许板料分瓣拼焊（拼焊的钢板不允许有环焊缝），半　波整体冲压，然后采用２个半波零件焊接而成。　４．２焊接　４．２．１一般规定　（１）碳素钢和低合金钢波纹管纵、环焊缝应尽量　采用自动焊，奥氏体不锈钢波纹管纵、环焊缝以及波　纹管与端管连接的环焊缝应采用氩弧焊或等离子焊，　多层波纹管两直边端部应进行端接焊或滚焊封边，使　端口各层熔为整体。　（２）膨胀节对接焊缝和角焊缝应全焊透，其焊缝　坡口型式和尺寸应符合ＧＢ９８５、ＧＢ９８６规定。施焊　时，不得在非焊接处引弧，纵焊缝应有引弧板和熄弧　板，板长≥１００　ｍｍ，去除引弧板和熄弧板，应采用切除　的方法，严禁敲击，切除处应磨平。　（３）波纹管纵焊缝应为全焊透对接焊缝，成形之　前，１．０Ｓ≤焊脚高度≤１．１Ｓ，且满角的焊缝可作为波　纹管与邻接管节的主焊缝。　４．２．２纵焊缝条数　纵焊缝条数参照文献［１］执行，且应以最少为原　则，并且相邻两条纵焊缝间的距离应≥１２５　ｍｍ．　４．３热处理　（１）冷作成形的碳素钢、低合金钢波纹管需进行　消除冷作残余应力的热处理。　（２）奥氏体不锈钢波纹管冷作成形后不进行热处　理，热作成形后应进行固溶处理。需要时，加做稳定　后的厚度应大于波纹管的名义厚度减去钢板厚度负　偏差，且修磨处的深度不超过波纹管名义厚度的５％　并≤０．８　ｍｍ，膨胀节波形表面不许补焊。　５计算实例　现设计一膨胀节，Ｄ＝２　２００　ｍｍ，Ｐ＝０．２　ＭＰａ，介　质温度５００℃，膨胀量ｅ＝１６　ｍｍ，材料为０Ｃｒｌ８Ｎｉ９，膨　胀节安装在壳程出口位置。　５．１性能分析　（１）因膨胀节工作在壳程出口位置，故要使刚度　尽量小，以免给壳体带来较大的力和力矩；　（２）因膨胀节直径较大，而操作压力较低，故需满　足平面稳定性；　（３）保证膨胀量ｅ＝１６　ｍｍ．　５．２参数分析　已知膨胀节的工作压力较小，满足强度的波壳厚　度不大，但必须满足平面失稳要求，因此选用整体成　型小波高ＺＸ型膨胀节。由于小波高膨胀节刚度较　大，拟采用多层，设层数为３。为使每波的膨胀量小　些，缓解二次应力，提高疲劳寿命，波数选４，这里波高　的选择应参考文献［１］标准附录中Ｄ＝２　０００　ｍｍ的参　数，取ｈ＝８０　ｍｍ，波形半径Ｒ＝１７．５　ｍｍ，波纹管厚度　取Ｓ＝２　ｍｍ．这样初步选定波形参数，这也是该设计的　首选方案。　５．３膨胀节计算过程　图２为ＳＷ６—１９９８膨胀节计算。　在图２中，需注意的问题如下：　（１）在膨胀节参数输入栏，有膨胀节总轴向力和　总轴向位移两栏，若已明确给出相应数值即可输入；　若无明确数值，则根据计算固定管板中自动生成的数　值作为已知数据输入即可，这是管板计算工程中得到　的，建议使用该值进行膨胀节计算。　（２）在输入设计温度下膨胀节材料的实际屈服点　时，若在退火状态下，不应小于设计温度下屈服点的　第５期　仝源：波纹管膨胀节的设计与选用　３１　０．７５倍，一般直接输入１．０倍；若在应变硬化状态下，　５．４程序计算结果　应不超过２．０倍。　经计算，　＝０　ＭＰａ＜［ｏｒ］　＝１００　ＭＰａ　（３）在输入波纹管波长时，应根据公式　（４Ｒ＋　ｒＯ。＝１４．７８　ＭＰａ＜［Ｏｒ］‘＝１００　ＭＰａ　２ｍＳ）＋２　计算得出数值输入。　ｏｒ１＝４０．４８　ＭＰａ＜［Ｏｒ］‘：１００　ＭＰａ　２＝１．３６　ＭＰａ＜［　］　＝１００　ＭＰａ　ｒＯ　＝３２．５２　ＭＰａ＜１．５０－：＝１６６．５　ＭＰａ　以上各应力均通过应力校核。　＝０．２　ＭＰａ＜Ｐ　＝０．９２　ＭＰａ，平面失稳压力校核　通过。　ｒＯＲ＝１１１．５６　ＭＰａ＜２　２２２　ＭＰａ，不需做疲劳寿　命校核。　故膨胀节强度计算合格。　６结束语　根据各参数对膨胀节性能的影响规律，可以直观调　整各参数来改善应力状况，设计出更合格的膨胀节。　图２　ＳＷ６—１９９８膨胀节计算　膨胀节的设计虽然繁琐，但只要能找出主要性能　（４）在输人疲劳寿命安全系数及疲劳循环次数　指标，根据各参数与膨胀节性能的关系，同时结合制　时，应参照文献［１］中相关数值，取系数厂≥１５，循环次　造厂的模具，就能制造出合格的膨胀节。　数取７５　０００。　参考文献：　（５）当膨胀节受压缩时，应注意日的距离不能太　［１］　ＧＢ　１６７４９－－１９９７压力容器波形膨胀节．　［２］　李世玉．压力容器设计工程师培训教程．北京：新华出版　小，一定要大于其收缩量，过小则导流筒会和膨胀节　社，２００５：２４１．　相碰，使膨胀节不能起到应有的膨胀作用。　［３］　高海涛，钱才富，刘颖，等．膨胀节标准简述．化工机械，　（６）在输入数据时，只输入“成形前名义厚度”，不　２００１，２８（２）：１０６—１０９；１１３　输“成形后最小有效厚度”，否则计算结果膨胀节的厚　作者简介：仝源（１９８１一），讲师，从事化工机械方向教学和科研　度偏小，不安全。　工作。　（上接第２５页）的轴向加载而实现管箍的径向弹塑性　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，　变形，可以实现管道间的可靠连接。　２００６（７９）：４２０—４３８．　管道机械接头的密封性能主要取决于管箍挤压　［４］　张宝生．高度非线性有限元分析软件Ｍａｒｃ及在接触分析　环与管道之间的密封面的接触应力，该管接头与被连　中的应用．应用科技，２００１，２８（１２）：３６—３９．　接管道在工作过程中能够获得较大的接触应力，具有　［５］　张宝生，陈家庆，蒋力培．ＭＡＲＣ在接触分析中的应用．轴　一定的抗内压能力。　承，２００３（１１）：１～３．　有限元分析表明：利用ＭＳＣ．Ｓｕｐｅｒｆｏｒｍ软件建立　［６］　ＡＩ—ＱＵＥＳＳＨＩ　Ｈ　Ａ．Ｅｌａｓｔｉｃ—Ｐｌａｓｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，１９９９，　的有限元模型能够较好地分析管接头的受力及抗内　３９：８７—１０４．　压过程。　［７］　郭成，董伟，臧顺来．弹性模量与塑性变形变化规律试验　参考文献：　研究．锻压技术，２００８，３３（２）：１１６—１１９．　［１］刘耀华．安装技术．北京：中国建筑工业出版社，１９９７．　［８］　屈立军，李焕群．国产钢结构用Ｑ３４５（１６Ｍｎ）钢高温力学　［２］ＭＳＣ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｒｅｓｅａｃｈ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＭＳＣ．ＭＡＲＣ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　性能的恒温加载试验研究．土木工程学报，２００８，４１（７）：　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｕ．Ｓ．Ａ．：Ｐａｌｏ　Ａｌｔｏ，２０００．　３３—４０．　［３］ＥＫＩＮＳ　Ｐ，ＶＡＮＮＥＲ　Ｒ，ＦＩＲＥＢＲＡＣＥ　Ｊ．Ｄｅｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　作者简介　胡晓明（１９６２一），高级工程师，主要从事海洋石油生　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ：Ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｓｓｅｓｍｅｎｔ　ｏｆ　产设施油气总体配管设计。