不锈钢膨胀节合理使用的探讨

向才勇

向才勇

宁波埃美柯铜阀门有限公司浙江宁波315020

摘要：本文着重从不锈钢膨胀节的设计、选型和合理使用角度出发，分析在管系运行前后如何确保不锈钢膨胀节的性能和产品寿命，并结合实例分析产品在日常使用过程中出现的失效及失稳现象，并提出相应的解决办法。

关键词：选型；膨胀节；使用；管路；失效

1不锈钢波纹管补偿器简介

不锈钢波纹管膨胀节（又称波纹补偿器），是由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道和（或）设备尺寸变化的装置。是现代管网和设备进行静态补偿的关键部件之一，除了位移补偿的作用外，还同时兼有减振降噪和密封的功能。同时，不锈钢膨胀节又是一个比较特殊的受力结构，在使用中既要求它要有较高的承压能力，又要有良好的柔性和抗腐蚀的能力。

第1章不锈钢波纹管补偿器的安装

补偿器是以不锈钢波纹管为核心挠性元件，在分段管系上可作轴向、横向和角向3个方向的补偿.，但由于受到导向杆（板）等附件的限制，往往膨胀节只能做轴向位移和小量的横向和角向位移。在选用时要注意各个方向的位移量，便正确地选用膨胀节补偿量，为保证膨胀节的寿命，还应考虑膨胀节的疲劳寿命。市面上现有的很多产品的额定补偿量是按其许可疲劳寿命1000次进行计算的.适当减小实际补偿量，可以大大延长不锈钢膨胀节的使用寿命。比如：如果实际补偿量为额定补偿量的74%，则寿命次数可为标准次数的3~4倍，当实际补偿量为额定补偿量的70%以下时，可达到4~5倍。

1.1管系支座的设计

合理的设计管路系统的支座，是保证波纹膨胀节正常发挥作用的必要条件，不同类型的波纹膨胀节对于管系的支座有

管系支座的配置同的要求。

D为管道的公称通径，膨胀节一端应靠近固定支架，两固定支架之间

间距过长，须设置导向支架，距离如图所示。Lmax为其它导向支架的最大间距，可按下面公式计算：

式中：Lmax—最大的导向间距（m）E—管道材料弹性模量（N/cm2）I—管道断面惯性矩（cm4）Kx—波纹膨胀节轴向刚度（N/mm）x0—波纹膨胀节额定位移量（mm）

当波纹膨胀节压缩变形时，符号为“＋”；拉伸变形时，符号为“－”。在管段的2个固定支座之间，只能设置1个轴向膨胀节，固定支座和滑动支座，分布如图1所示配置。膨胀节一端应靠近固定支座，若过长，则按第1滑动支座的设置要求设置滑动支座，另1端按第1滑动支座、第2滑动支座的设置要求设置。管道系统中安装轴向膨胀节的管段，在管道盲端、弯头、弯截面处装有截止阀或减压阀的部位、介质流向改变、管道变径处及管道分支处，都要设置固定支架。

1.2导向支座的设计

以轴向型波纹膨胀节为例，在管路中设置滑动支座起到保证补偿器沿规定方向位移，并防止管道轴向失稳的作用。这种支座除承受限制管道横向位移的载荷外，还应考虑承受管道自重载荷、轴向弹性力Fx，在管路设计和受力校核时，通常导向支座设计强度Fp考虑。

（1）内压推力Fp计算公式：

Fp=100×P·A

式中：Fp—轴向压力推力A—波纹管的有效面积（cm2）P—此管段管道的最高压力（MPa）10％—15％的压力推力（2）轴向弹性力Fx计算公式：

Fx=f·KX·X

式中：Fx—轴向弹性力（N）

Kx—轴向刚度（N/mm）

X—实际轴向补偿量（mm）

f—系数、有预变形时；无预变形时f=1；

在仅有轴向位移的管段上，导向支座将只允许管道轴向位移，而限制其它任何方向的位移，这种导向支座称为一般导向支座，而对于带横向位移和偏转的管段时，除轴向位移外还应在横向留出合适的附加余量以允许一定幅度的横向位移和偏转，这种导向支座称为平面导向支座。

1.3固定支座的设计

固定支座是安装在具有一个或几个无约束补偿器的管系上，它必须承受由与它相连接的每一管段所施加在它上面的力和力矩。固定支架的间距必须满足管段的伸长量不超过补偿器所允许的补偿量及管段因热胀冷缩产生的推力不得超过固定支架所承受的允许推力。固定支架所承受的力F=Fp+Fx+Fq。由于管内水压的作用，会在垂直于管道内壁面上产生压力。Fp=100*P*Ap*Fp其中：Fp为膨胀节的轴向压力推力（盲板力），N；P为管段管道最高工作压力，MPa；Ap为膨胀节平均直径的有效面积，cm2。

2、不锈钢膨胀节的失稳类型及分析

造成补偿器失稳的因素很多，根据实际使用情况分析，造成失稳的常见因素为瞬间内压过大、支座设置不合理、选型不合理等，这些因素都可以使波纹管丧失稳定。

出现稳的主要原因有两点：

第一、在补偿器的上端没有向下端面一样设置导向支架，并且上端面的固定支座设置不合理，根据7.1管系支座的配置可知，本案例的支座设置位置应该在补偿器上端面800mm处，而实际设置位置在1500mm处，在内压推力的作用下，使得管系发生位移，从而带动补偿器发生偏转。

第二、因为现场安装环境限制，在该设置支座的地方没条件设置，那么补偿器的选型就存在问题，最理想的办法应该选用单式轴向护套型膨胀节。

在使用中最常见的两种失稳现象为：柱失稳和平面失稳，很多时候，这两种失稳现象是同时出现的，此时需要分析柱失稳和平面失稳的主次关系，从而在使用中有争对性的避免其出现，选用适合的产品。

2.1柱失稳

是指波纹管的波纹连接发生横向偏移，使波纹管偏移后的实际轴线成弧形或成s形。波纹管因总厚度不够，难以抵御试验压力或运行压力，波纹管波数过多及安装同轴度偏差大等都容易产生柱失稳。柱失稳的临界载荷分为弹性和非弹性两个区域。PcN

图2

图2表示一系列相同直径，厚度和波形的波纹管发生柱失稳的临界压力值，随着波数的增多，曲线从非弹性向弹性过渡，可用下列公式对波纹管柱失稳进行校核：

根据柱失稳而确定的极限设计内压（两端固定）

Pt=0.34Fi/NqPc=0.58Ac/Sy

其中：Fi—波纹管初始单波轴向刚度的理论值（N/mm）N—波数（对于复式膨胀节N为两个波纹管的总数）Ac—波纹管横截面积cm2Sy—波纹管材料在设计温度下的屈服极限（Mpa）Db—波纹管直边段内径（mm）q—波纹管的波距（mm）

2.2平面失稳

平面失稳的主要原因是由于子午向作用的弯曲应力过大，在波纹的峰顶和谷底形成了塑性铰。根据平面失稳而确定的极限设计压力（两端固定）

Pu=1.4ntp2Sy/W2Cp

其中：n—多层波纹管中厚度为t的材料层数tp—波纹管单层的厚度（mmw2—波高与波纹管材料厚度nt之差（mm）Cp—在特定的设计计算中，把U型波纹管波纹段的性能折算成一个板条梁的修正系数。

3、波纹管膨胀节的失效形式

根据不同的使用工况，波纹管膨胀节发生失效的主要原因是腐蚀破坏，约占80%，最常见的腐蚀类型主要有

（1）应力腐蚀（表现为裂纹，是应力和腐蚀环境二者相结合的产物〕；（2）晶间腐蚀（其特点是沿晶粒的边界进行浸蚀〕；

（3）点蚀（金属的局部腐蚀——腐蚀穿孔〕；（4）一般腐蚀（即有规律地逐步“吃掉”金属〕；（5）磨蚀（由液体或气体介质冲击材料表面所至〕；（6）高温氧化，烟气管道里最为常见。根据实际使用中出现的腐蚀类型得知，其中最为普遍的是点蚀。

总结

随着社会的发展，经济水平的提高，工业化及城市化进程的加速，不锈钢膨胀节已经被广泛使用，因其有效性和实用性已经得到普遍认可，在建筑、化工等行业的管系设计中已成为标配部件。由于学识有限，本文只在粗略的层面分析了补偿器在实际应用中遇到的普遍问题，从补偿器的设计、使用、失效等方面结合实际加以分析，并提出应建议，为使用、设计提供一定的参考，让该类型产品在经济社会中得到更好的使用，发挥其最大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]《钢制压力容器》GB150-1998[2]《压力容器波形膨胀节》GB16749-1997

[3]《波纹金属软管通用技术条件》GB/T14525-2010

[4]《不锈钢及薄壁无缝钢管》GB/T3089-2008

[5]《耐蚀合金冷轧薄板》YB/T5354-2006

[6]《工业金属管道工程施工及验收规范》GB50235-1997

[7]《金属波纹管膨胀节通用技术条件》GB/T12777-2008

[8]《美国膨胀节制造商协会（EJMA）标准2003板》