波纹管膨胀节的选型设计与应用.doc
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金属波纹管膨胀节的设计与应用膨胀节也称补偿器，是一种弹性补偿装置，重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，重要介绍U形波纹管膨胀节的设计与应用中的有关问题1、膨胀节结构类型及其应用1.l 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，合用的场合也各不相同重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，其纳构示意如图11所示1) 单式轴向型膨胀节 由一个波纹管及结构件组成、重要用于吸取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、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、能在任一平而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、重要用于吸取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) 复式技杆型膨胀节 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、能吸取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、只能吸取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、能吸取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、重要用于吸取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、重要用于吸取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、只用于吸取位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节(见图10） 1.2 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1.2.1 轴向位移的补偿 图12是采用单式膨胀节吸取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取管线轴向膨胀的一个良好的典型实例 图14是采用膨胀节吸取带支管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例 图15是采用膨胀节吸取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表达一个包含"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取管线轴向膨胀的一个良好的典型实例 图18表达如何采用直管压力平衡式膨胀节吸取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取汽轮机、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重要作用是减小作用到设备壳体上的载荷1.2.2 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，对的选择和使用膨胀节需要考虑到管道的构形、运营条件、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，也许有几种膨胀节都适协议一项应用，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取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取横向位移此外，这种设计形式也可用于吸取轴向位移、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立在呈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表达在管道转角不等丁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，用于吸取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，可以吸取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取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足发挥效用，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所有压力推力;此外，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取单平面"z"形弯管的重要热膨胀 假如单平面管系的柔性局限性以吸取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，则可采用品有三个铰链式膨胀节的系统图31即表达在单平面"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取。
于是，很明显，膨胀节B必须能吸取由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同样，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取任意平面内的角位移的能力，经常运用这一点将它们组成一对，用来吸取横向位移图35给出了一个应用实例 假如不也许或不打算运用管道的弯曲来吸取竖直管臂的伸长，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 2、U形波纹管膨胀节刚度和应力计算 符号说明: Fex---- 作用在以Dm为直径的圆周上的轴向力，N; ex---- 单波轨向变形量，mm; h---- 波纹管的波高，mm; Dm---- 波纹管的平均直径，mm; q---- 波纹管的波距，mm; Dm=Db+h r---- 波纹管波纹的曲率半径，mm; Db---- 波纹管直边段内径，mm; a---- 波纹管波纹的直线段长度，mm; δ---- 波纹管的名义厚度，mm; δm---- 波纹管成形后的壁厚，mm; E---- 波纹管材料的弹性模量，Mpa; m----波纹管厚度为δ的层数; Cm---- 材料强度系数，热解决态波纹管取Cm=l.5；成形态波纹管取Cm=3.0; Cwb---- 波纹管纵向焊缝; Cf、Cp、Cd---- 形状尺寸系数，由图38、41、42求取。
fi---- 波纹管单波轴向刚度，N/mm; Kx---- 膨胀节整体轴向刚度，N/mm; Ky---- 膨胀节整钵横向(侧向)刚度，N/mm; Kθ---- 膨胀节整体弯曲(角向)刚度,K·m/°θ; Ku---- 计算系数 Ku=(3Lu2-3LbLu)/(3Lu2-6LbLu+4Lb2) Lb---- 波纹管的波纹段长度，mm;Lb=Nq N---- 一个波纹管的波数; Lu----复式膨胀节中，两波纹管最外端间的距离，mm;2.1 刚度计算2.1.1 波纹管单波轴向刚度计算 波纹管的波高与直径之比较小，如将其展开，可简化为如图37(b)所示的两端受轴向线载荷的曲杆轴向的总力为Fex在弹性范围内，运用变形能法可以推导出轴向力与轴向变形之间的近似关系式(1) Fex=[(πDmEδ3)/24C]-ex N (1) 式中 C=0.046r3-0.142hr2+0.285h2+0.083h3 mm3 (2) 则波纹管刚度fi′为 fi′=Fex/ ex (3) 考虑到力学模型的近似性以及波纹管制成后壁厚减薄等因素，对公式（1）进行修正并代入（3）式则得： fi′=(1.7DmEδm3)/(h3Cf) N/mm (4) 式中：δm=δ√Db/Dm (5) 对于多层结构的波纹管，其刚度按（6）式计算： fi=(1.7DmEδm3m)/(h3Cf) N/mm (6) 图38 系数Cf2.1.2 膨胀节整体弹性刚度计算 （1）轴向刚度 （a）单式膨胀节整体刚度 Kx=fi/N (7) （b）复式膨胀节整体刚度 Kx=fi/2N (8) （2）侧向刚度 （a）单式膨胀节整体刚度 Ky=(1.5Dm2fi)/[LbN(Lb±X)2] (9) （b）复式膨胀节整体刚度 Ky=(KuDm2fi)/[4NLu(Lu-Lb±X/2)] (10) 侧向刚度计算中，轴向位移X拉伸时取“+”，压缩时取“-”。
（3）整体弯曲刚度 Kθ=（πDm2fi）/（1.。
