波纹管补偿器.docx

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波纹管补偿器

波纹管补偿器

一.概述

波纹管习惯上也叫波纹管补偿器、膨胀节,伸缩节,是用以利用波纹管的弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置,属于一种补偿元件。

补偿器由波纹元件及接管（筒节、导流筒、外护管、端板等相关结构件构成。

可对轴向,横向,和角向位移的的吸收,用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸收振动、降低噪音等。

二.主要技术参数和设计制造标准

主要技术参数:

压力、温度、补偿量、刚度、使用寿命、工作介质、连接形式。

目前国家认可并执行的标准有美国膨胀节制造商协会EJMA标准,国家标准GB/T12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》。

三.波纹补偿器的型式和工作原理

波纹管按位移形式分类,基本可分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型波纹管。

按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力（盲板力分类,可分为无约束型波纹管和有约束型波纹管。

按波纹管的波形结构参数分类,可分为U形、Ω形、S形、V形波纹管（当前国内外的金属波纹管产品以采用U状波形结构者居多。

每一类都有各自的优点和缺点,所以必须根据不同的使用条件,恰当地选用才能使金属波纹管正常工作,做到金属波纹管设计选型的经济合理。

（1单式轴向型波纹管

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压力推力的波纹波偿器。

如图3.1所示:

（a结构简图（b拉伸及压缩变形示意图

（c轴向型补偿器照片

图3.1轴向型补偿器

这种形式补偿器也可以用于吸收在管段上的三种基本位移,即轴向、径向和角向位移,

但主要是轴向位移。

（2单式铰链型波纹补偿器

由一个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成,只能吸收一个平面内的角位移并能承受波纹管压力推力的补偿器。

如图3.2所示:

（a结构简图（b角变形示意图

（c单式铰链型补偿器照片

图3.2单式铰链型波纹补偿器

铰链型波纹补偿器只能以两个或三个组合在一起使用才能恰当的发挥作用。

（3单式万向铰链型波纹补偿器

由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构件组成,能吸收任一平面内的角位移并能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。

如图3.3所示:

（a结构简图（b角变形示意图

（c万向铰链型补偿器照片

图3.3万向铰链型波纹补偿器

（4复式自由型波纹补偿器

由端管和中间管所连接的两个波纹管及结构件组成,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补偿器,这种补偿器也能吸收角位移。

如图3.4所示:

（a结构简图（b组合变形

（c自由复式补偿器照片

图3.4复式自由型波纹补偿器

（5复式拉杆型波纹补偿器

由端管和中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成,能吸收任一平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。

如图3.5所示:

（a结构简图

（b横向变形示意图

（c复式拉杆补偿器照片

图3.5复式拉杆型波纹补偿器

（6复式铰链型波纹补偿器

由端管和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,只能吸收一个平面的横向位移并能承受波纹管压力推力的补偿器,这种补偿器端部可以在一个平面内转动,从而可吸收角向位移,与一个单式铰链型补偿器组合使用,能吸收平面内所有位移。

如图3.6所示:

（a结构简图（b横向变形示意图

（c复式铰链型补偿器照片

图3.6复式铰链型波纹补偿器

（7复式万向铰链型波纹补偿器

由端管和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,能吸收任何一平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。

这种补偿器端部可以在任何一平面内转动,从而吸收角向位移,可以与一个单式铰链型波纹补偿器结合使用,构成三铰链组合系统,能吸收空间任一方向的位移。

如图3.7所示:

（a结构简图（b横向变形示意图

图3.7复式万向铰链型波纹补偿器

（8弯管压力平衡型波纹补偿器

由一个工作波纹管或中间管所连接的两个波纹管与一个平衡波纹管及弯头或三通、封头、拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成,主要用于吸收轴向与横向位移并能平衡波纹管压力推力的波纹补偿器。

如图3.8所示:

（a结构简图（b组合变形示意图

（c弯管压力平衡型补偿器照片

图3.8弯管压力平衡型波纹补偿器

（9直管压力平衡型波纹补偿器

由位于两端的两个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平衡波纹管压力推力的波纹补偿器。

如果让一组工作波组成复式型波纹管,并在相应处拉杆端部设置球面、锥面垫圈,则这种波纹补偿器既能吸收轴向位移,也能吸收横向位移。

如图3.9、图3.10

（a结构简图（b轴向变形示意图

（c直管压力平衡型补偿器（内拉式照片（d直管压力平衡型补偿器（外拉式照片

图3.9直管压力平衡型波纹补偿器

（a结构简图（b组合变形示意图

（c复式型直管压力平衡型补偿器照片

图3.10复式型直管压力平衡型波纹补偿器

（10旁通压力平衡型波纹补偿器

由一个工作波纹管与一个平衡波纹管及工作管、旁通管和相应结构件组成,主要用于吸收轴向位移并能平衡波纹管压力推力的波纹补偿器。

与直管压力平衡型波纹补偿器相比较,其吸收位移功能一致,刚度要小三分之一以上,但流速造成的阻力损失较大。

如图3.11所示:

（a结构简图（b轴向变形

图3.11旁通压力平衡型波纹补偿器

（11外压轴向型波纹补偿器

由承受外压的一组或多组波纹管及外管、内管和端环等结构件组成,只能用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。

这种波纹补偿器由于承受外压的作用,工作时波纹管处于拉伸状态,可以由多个波纹管串联使用而不会产生柱失稳,所以吸收轴向位移能力较大。

如图3.12所示:

（a结构简图（b轴向变形

图3.12外压轴向型波纹补偿器

（12轴向串式波纹补偿器

轴向串式补偿器是由两组波纹管和一个中间管及可与相邻管道、设备相接的端管、以及稳定用外套管（或稳定杆等结构件组成的挠性部件。

这种补偿器只能吸收轴向位移而不能承受压力推力。

其轴向补偿能力比外压轴向型小,但比普通轴向型更大。

稳定用套管（或稳定拉杆主要用于防止波纹管工作时产生柱失稳,也可以作为补偿器直埋时的外保护管。

如图3.13所示:

（a结构简图（b拉伸及压缩变形

图3.13轴向串式波纹补偿器

四.波纹管常用的制造方法及特点

波纹管制造工艺方法较多。

不同工艺制造的波纹管性能差异较大,对波纹管性能影响较大。

4.1液压成型工艺及特点

利用模具和水介质压力成型的一种方法。

其特点是:

波纹管集合尺寸准确,表面无损伤。

因此,该方法制造的波纹管抗腐蚀能力强,疲劳寿命高,是目前波纹管制造最先进、质量最可靠的工艺方法。

但模具成本较高,成型速度较慢。

液压成型可生产多层波纹管。

4.2滚压成型工艺及特点

是利用一组工作滚轮研展出波纹的一种工艺方法,其特点是可制造大口径尺寸的波纹管,工艺成本低,只能成型单层波纹管。

该工艺生产的波纹管,表面损伤严重,因此抗腐蚀性能差,疲劳寿命低,只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。

4.3机械胀压成型工艺及特点

是利用内模撑出波纹的一种工艺方法。

成型时无需充液体介质,因此成型简便、速度快、工艺成本低。

但该波纹管内表面的损伤也很严重,抗腐蚀性能较低,疲劳寿命较低。

所成型的波纹管不是一个理论上的圆形,几何尺寸不准确。

只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。

3.4焊接成型、爆炸成型、电沉积成型、机械旋压成型方法因使用较少,只用于一些特种波纹管的制造。

五.补偿器设计与应用

5.1疲劳寿命

波纹管的工作能力由承压能力和补偿能力构成,而疲劳性能则是这两种能力的全面反映。

EJMA和GB/T12777-1999标准中关于疲劳寿命只有两个概念。

第一个概念就是平均疲劳寿命Nc,这是由实验数据的拟合曲线得来的。

但是,由于制造厂家的不同,表面粗糙度的不同,材料性能的差异以及实验设备等的差异,疲劳寿命的实测值有较大的分散性。

所以保证产品安全可靠工作的疲劳寿命必须要在平均疲劳寿命Nc

的基础上除以一个适当的安全系数

来得到,即所谓的许用疲劳寿命[Nc]。

选用产品时必须明确产品的许用疲劳寿命。

5.2补偿量

补偿量的大小决定了波纹管的应力范围,应力范围的大小直接关系到疲劳寿命的多少。

这是因为补偿器的疲劳寿命是由内压和位移引起的应力变化范围之和的函数。

产品样本中各型号的补偿量指的是产品在指定许用疲劳寿命下产品的最大变形能力。

波纹管完整一次循环疲劳寿命就是在波纹管从初始味道变形到最大位移后再返回到初始位置。

波纹管正向和反向变形之和才是波纹管的最大位移范围。

这个位移范围不能超过波纹管的最大变形能力。

5.3预变位和冷紧

管道变形在补偿器给定的许用补偿范围内时,补偿器是否预变位并不影响补偿器的补偿量或寿命。

补偿器的预变位不能增大补偿量。

当补偿量变形后产生的位移反力较大时,可以采用预变位的方法达到减小设备或管道支架所受载荷的目的。

轴向型补偿器的预变位可在补偿器制造完成后由补偿器制造厂家进行,其他形式补偿器的预变位通常在安装现场进行,进所谓的冷紧张。

冷紧的方法是预先在管道上预留等于冷紧量的间隙,待补偿器一端与管道连接固定并将运输拉杆拆除后,将补偿器朝向热变形相反的方向变形,填满预留间隙后再将补偿器与管道连接。

采用50%变形量的冷紧,可使设备或管道支架受到的补偿器变形反力减小一半。

5.4管道支架的设置

固定支架分为主固定支架和次固定支架。

主固定支架要承受补偿器产生的压力推力（盲板力、补偿器变形反力、管道摩擦力、风载、重量等载荷以及它们产生的力矩等。

而次固定支架则只要承担除压力以外的其他力的作用。

在设有轴向型补偿器的管段中,管道的拐弯处、阀门、变径、分支管和盲端等地方均应设置主固定支架。

补偿器产生的压力推力为F=P×A,A为波纹管的有效面积,P为介质压力。

管径越大,即使压力不高,压力推力也会很大;若管径不大,但压力较高,压力推力也会很大。

因此压力推力在管道支架设置时是不能疏忽的。

若轴向型补偿器两端连接有设备或容器时,这些容器和设备必须考虑此压力推力的作用。

在特殊情况下,也可使用定向固定支架。

另外,在管道的拐弯处,主固定支架还应当考虑流体产生的离心力的作用。

5.5波纹管材料的选用和特点

波纹管材料的选用主要取决于波纹管的工作条件、工作环境和经济性。

金属波纹管多用奥氏体不锈钢薄板制造,管道用波纹管的厚度一般在0.4~3mm。

这是因为波纹管在压力和位移作用下,应力水平相当高,波峰和波谷部分基本上处在塑性范围内工作,如果处于腐蚀环境,则高应力部位是很危险的。

若壁厚太厚,在同样位移作用下波纹管的应力反而会升高,波纹管材料更加容易产生腐蚀作用,所以,波纹管宜选用较薄的耐蚀材料。

常用的奥氏体不锈钢有304、304L、316、316L、321等,这些材料在一般工况条件下,都具有优良的耐蚀性,适用于很多行业。

波纹管常用材料的化学成分见表1、机械性能见表2。

表3为各种介质下波纹管的推荐材料。

管道补偿器通常选用SUS316L、SUS304不锈钢,当温度大于600℃,则多用镍基合金、钴基合金,但其物价很高。

300系列不锈钢也可用于高温环境,如SUS316、SUS316L可用于450~600℃,SUS321可用于450~650℃,对高温腐蚀环境可选用Incology800H或Inconel600、625。

表1波纹管常用材料的化学成分

表2波纹管常用材料的机械性能

表3各种介质条件下波纹管的推荐材料

5.6固溶处理

波纹管的成型过程,是其基材产生塑性大变形的过程,它使结构材料（通常为奥氏体不

锈钢）经历了塑性范围的加载与卸载。

因此结构材料的性能（主要是屈服强度）发生了很大的变化，这就是所谓的硬化现象。

一般，波纹管成型完成后，材料的屈服强度会成倍的提高。

虽然18-8系列不锈钢具有优异的成型性、较高的疲劳强度、高温强度和耐多种腐蚀的能力，被大量的用于制造波纹管，并且应用的十分成功。

但也发现应力腐蚀或晶体腐蚀对18-8系列不锈钢的破坏问题还是大量存在的。

为了克服上述两类腐蚀，常用的方法有两种：

选择新型的高镍波纹管材料（如Incolloy800、Inconel625等）或对成型后的波纹管进行固溶处理。

固溶处理后的波纹管材料晶粒细化、组织单一，可消除成型压力，提高耐蚀性能。

固溶处理后，应进行酸洗、钝化。

固溶处理后的波纹管具有以下几个特点：

1）固溶处理后的波纹管弹性初始刚度变化并不大，但波纹管弹性工作范围与成型态波纹管相比明显减小。

这种差异，有利于改善管道支架的受力情况。

2）固溶处理后的波纹管承压能力大幅度下降，通常只有成型态波纹管的一半左右。

因此在进行波纹管设计时，需要增加波纹管的厚度，保证波纹管的柱稳定性和平面稳定性。

3）固溶处理对波纹管的疲劳寿命影响较小，只要充分考虑波纹管承压能力的减小量，成型态波纹管的疲劳寿命计算公式可用于固溶态波纹管的寿命计算。

4）固溶处理只能消除波纹管成型过程中的焊接过程中产生的残余应力，无法消除波纹管吸收位移时由变形产生的局部应力，因此不能用固溶处理的方法来消除波纹管的应力腐蚀问题。

5.7腐蚀问题出现腐蚀会显著缩短补偿器的工作寿命。

由于补偿器在设计上和使用中所具有的特点，某些条件虽然不会对用同样材料制成的管道和管件造成影响，却会使补偿器遭到腐蚀而失效。

补偿器在使用中最常见的腐蚀类型有以下几种：

①应力腐蚀：

表现为裂纹，是在应力和腐蚀环境同时作用的产物。

②晶间腐蚀：

其特点是沿金属晶粒的边界进行侵蚀。

③点蚀：

金属材料上的局部腐蚀。

④一般性腐蚀：

即有规律的逐步将金属腐蚀掉。

⑤腐蚀：

由液态或气体（含尘）介质冲击材料表面所致。

⑥高温氧化：

在热气中、排气管道中最为常见。

虽然有时对奥氏体不锈钢制作的管件进行热处理（即固溶处理），以增强其抵抗腐蚀的能力，但对波纹管一般不这样做。

补偿器中的波纹管在使用中要吸收较大的位移量，不可避免的会造成很大的工作应力，并常常在塑性范围内工作。

因此，波纹管的工作应力很快就会使为消除成型产生的残余应力的努力变得毫无意义。

EJMA中指出，采用热处理或通过减小波纹管位移量都不能消除不锈钢波纹管发生压力腐蚀的可能性。

5.8波纹补偿器的失效波纹管补偿器是压力管道系统中最常用的补偿元件，与其它受压元件阀门、弯头、法兰等相比，它是管道系统中最薄弱的部分，同样也是最容易出事故的部位。

所有波纹补偿器的失效现象都可划分到设计、制造、安装、使用四个环节中。

表4为失效统计比例。

表4补偿器失效统计所占比例%设计40～50失效原因受压及受力件应力校核失误、选材失误、技术要求不正确生产和设备条件不具备、质量管理失控不具备安装资格、未按规程安装失效现象柱失稳、平面失稳、受压及受力件损坏、腐蚀补偿器渗漏、焊缝开裂、装配尺寸不合格固定支架破坏，波纹管扭曲，超过额定补偿量制造20～30安装10～20使用10～20使用温度、压力、介质与原设计不符合应力腐蚀、孔蚀、超压破坏、超温破坏