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金属波纹管膨胀节在管道设计中的应用

金属波纹管膨胀节在管道设计中的应用

弗莱希波·泰格金属波纹管有限公司（ＦＴＣ）

　　膨胀节也称补偿器，是一种弹性补偿装置，主要用来补偿管道或设备因温度影响而引起的热胀冷缩位移 (有时也称热位移)。膨胀节的补偿元件是波纹管。在操作过程中，波纹管除产生位移 (变形)外，往往还要承受一定的工作压力。因此，膨胀节也是一种承压的弹性补偿装置。所以，保证其安全可靠地工作是十分重要的。膨胀节除作为热位移补偿装置使用外，也常被用于隔振和降噪。膨胀节波纹管的波形较多，常用的有U形、Ω形、S形等。在这里，主要介绍U形波纹管膨胀节的设计与应用中的有关问题。

1、膨胀节结构类型

U形波纹管膨胀节的结构类型
U形波纹管膨胀节的结构类型较多，不同类型的膨胀节，适用的场合也各不相同。主要的类型有单式轴向型、单式和复式铰链型、复式自由型、复式拉杆型、直管和弯管压力平衡型等。各种类型的结构示意图见图l～图10。
为提高膨胀节的承载能力，可设计带加强环或稳定环的膨胀节，其结构示意 如图11 所示。
(1) 单式轴向型膨胀节
　　由一个波纹管及结构件组成，主要用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图1）。

(2) 单式铰链型膨胀节
由一个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成、承受波纹管压力推力的膨胀节（见图2） 。

(3) 单式万向铰链型膨胀节
由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构组成、能在任意平面内角位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图3）。

(4) 复式自由型膨胀节
由中间管所连接的两个波纹管(及控制杆或四连杆)等结构件组成、主要用于吸收轴向与横向组合位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图4）。

(5) 复式拉杆型膨胀节
由中间管所连接的两个波纹管及拉杆和端板等结构件组成、能吸收任一方向横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节，（见图5）。

(6) 复式铰链型膨胀节
由中间管所连接的两个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成、只能吸收单方向横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图6）。

(7) 复式万向铰链型膨胀节
由中间管所连接的两个波纹管及十字销轴、铰链板和立板等结构件组成、能吸收一方向横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图7）。

(8)弯管压力平衡型膨胀节
由一个或中间管所连接的两个工作波纹管和一个平衡波纹管及弯头或三通、封头、拉杆和端板等结构件组成、主要用于吸收轴向与横向组合位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图8）。

(9) 直管压力平衡型膨胀节
由位于两端的两个工作波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆和端板等结构件组成、主要用于吸收轴向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节(见图9)。

(10)外压单式轴向型膨胀节
由承受外压的波纹管及外管和端环等结构件组成、只用于吸收位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节（见图10）。

2 、膨胀节的应用示例

不同型式的膨胀节有不同位移补偿功能，在管路设计中，可以根据管路的结构及压力与通径等参数综合考虑给予选型。

2.1 轴向位移的补偿
图12是采用单式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例。

图13是采用复式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例。

图14是采用膨胀节吸收带支管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例。

图15是采用膨胀节吸收具有异径管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例。

图16表示一个包含“Ｚ”形管段的管线上使用膨胀节的方法。

图17是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例。

图18表示如何采用直管压力平衡式膨胀节吸收长的直管段上的轴向位移。

图19是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收汽轮机、泵、压缩机等设备的热膨胀的一个良好的典型实例。膨胀节的主要作用是减小作用到设备壳体上的载荷。

2.2 对横向位移、角位移及其组合位移的补偿
在具有横向位移、角位移及其组合位移的场合，正确选择和使用膨胀节需要考虑到管道的构形、运行条件、预期的循环寿命、管道和设备的承载能力、可用于支承的结构物等多种因素。在某些情况下，可能有几种膨胀节都适合同一项应用，这时可以单纯根据经济性来考虑选择哪一种。然而，更为常见的是在各种可行的设计之中，应考虑到这一种或那一种具有独到之处，特别适合在某些特定的场合下使用。

(1) 单式膨胀节
图20、图21是采用单式膨胀节吸收轴向与横向组合位移的典型实例。

图22，图23将图21中膨胀节两端的主固定支架改换为连杆。

(2) 万能式膨胀节
万能式膨胀节特别适合吸收横向位移。此外，这种设计形式也可用于吸收轴向位移、角位移以及任意由这三种形式合成的位移。万能式膨胀节一般用法是将这种带连杆的膨胀节设置在呈90°的"z"型管道的中间管臂内，图24和图25是两个应用实例。

图26是在存在轴向与横向组合位移的场合使用弯管压力平衡式膨胀节的典型实例。

图27表示在管道转角不等丁90°时也可以使用弯管压力平衡式膨胀节。

图28给出一种常见的非常适于使用弯管压力平衡式膨胀节的场合。

图29给出了在横向位移较大的场合使用万能压力平衡式膨胀节的实例。

(3) 铰链式膨胀节
铰链式膨胀节一般以两、三个作为一组使用，用于吸收单平面管系中一个或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨胀节被它的铰链所制约，产生纯角位移;然而，被管段分开的每对铰链式膨胀节互相配合，能够吸收横向位移。给定单个膨胀节的角位移。每对铰链式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间的距离成正比，因此为了使膨胀节充分发挥效用，应尽量加大这一距离。
膨胀节的铰链通常用于承受作用于膨胀节上的全部压力推力;另外，也可以用于承受管道和设备的重量、风载或类似的外力。
图30说明如何用双铰链系统吸收单平面"z"形弯管的主要热膨胀。

如果单平面管系的柔性不足以吸收双铰系统的弯曲挠度，或者由弯曲而产生的载荷超过了连接设备的许用极限，则可采用具有三个铰链式膨胀节的系统。图31即表示在单平面"Z"形弯管中的三铰系统。竖直管段的热膨胀将由B和C两个膨胀节的动作来吸收。于是，很明显，膨胀节B必须能吸收由A和C两个膨胀节一起形成的转动。

图32说明在弯管角度不等于90°时，使用铰链式膨胀节的工作原理。在这里只需要使用中间固定支架平面导向支架。

图33说明连接设备亦产生平面位移时应用铰链式膨胀节的实例。

图34给出了设备与管道连接系统中应用铰链膨胀节的实例。

(4) 万向铰链式膨胀节
正如铰链式膨胀节在平面管系中具有很大的优越性一样，万向铰链式膨胀节在空间管系中具有类似的优越性。万向铰链式膨胀节具有吸收任意平面内的角位移的能力，常常利用这一点将它们组成一对，用来吸收横向位移。图35给出了一个应用实例。

如果不可能或不打算利用管道的弯曲来吸收竖直管臂的伸长，则可采用如图36所示由两个万向铰链式膨胀节和一个铰链式膨胀节组成的系统。

与波纹管有关的名词术语

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与波纹管有关的名词术语

波纹管的波形
　　可分为“U”形和“Ω”形。
　　"Ω"形波纹管能够承受高压，但只能承受较小的轴向位移；“U”形波纹管则相反，在壁厚相同的情况下，它能承受较大的位移，但只能承受较小的压力。
　　为采用U形波纹管伸缩位移较大的特性，弥补U形波纹管只能较小的压力，人们常采取“补强”的方法-即在“U”形波纹管的外部增加增强部件（一般称作铠装环、加强环）。采用多层结构或增加波纹管的厚度也可以提高波纹管承受内压的能力，但是增加厚度会显著降低波纹管的疲劳寿命和增加波纹管的刚度。

膨胀节形式
　　波纹膨胀节能够起到伸缩作用主要是靠波纹管来实现的，对波纹管膨胀节的功能及强度设计主要是对波纹管的设计，对波纹管的不同设计及组合，可以使波纹管拉伸、压缩或弯曲，从而形成轴向、横向、角向三种基本形式的波纹膨胀节。

波纹管的制作方法
　　有：机械胀形、液压成形、滚压成形、焊接成形、和电沉积成形等。
　　液压成形可以获得综合性能较好的波纹管。
　　滚压成形可以用来制作大直径的波纹管。
　　焊接成形可以获得弹性较好的波纹管。
　　电沉积成形可以制作小直径和高精度的波纹管。

刚度
　　使波纹管产生单位位移所需要的力。是计算波纹膨胀节弹性推力的基础。
　　对于相同口径相同压力的波纹管，刚度大小是衡量波纹管性能好坏的参数之一。目前生产厂家都是采用EJMA法计算出波纹管单波轴向刚度(fir),由此得出膨胀节轴向刚度（Kx)。

有效面积
　　一个等效面积，（Ae=(πDm2)/4 mm2 Dm 波纹管平均直径)。

疲劳寿命
　　在正常工作条件下，波纹管能正常工作的最小循环次数。