波纹膨胀节的计算与设计排水阀

波纹膨胀节的计算与设计

波纹膨胀节的计算与设计 2011年12月03日 来源： 膨胀节的分类和特点波纹膨胀节的主要元件是波纹管，利用波纹管易于伸缩变形而起补偿作用。按波纹管横截面可分为U形、Ω形、S形、V形等波纹膨胀节。U形波纹管工艺性好，便于加工，耐压能力和补偿能力较好，无增强U 型波纹管一般适用于压力2.5MPa以下场合。目前，波纹膨胀节绝大多数采用U形波纹管。Ω形波纹管工艺性一般，采用加强环在波谷处加强，适用于压力和温度较高的场合，但补偿能力较差。S形波纹管工艺性较差，制造比较复杂，但不易产生应力集中，波纹管受力状态较好。在既要耐压高，又要求较大位移时，可采用S形波纹管。V形波纹管补偿能力强，可用以吸收超大伸缩，但边角应力较集中，耐压能力差。波纹膨胀节按波纹管层数可分为单层多层波纹膨胀节。单层波纹管由一层管壁组成，容易制造，但补偿能力一般。多层波纹管由多层管壁组成，如同多个薄片弹簧，因而刚度小。与单层波纹管相比，在总的管壁厚度和波形相同条件下，多层波纹管容易变形，补偿能力大。变形所产生的应力较小，疲劳寿命高。因此，它可满足大补偿量与高压力冲击的要求（单层波纹管要求管壁薄，波纹深；多层波纹管要求管璧厚，波纹浅）在一定的工作条件下，即一定的压力、补偿量与疲劳寿命下，多层波纹管比单层波纹管外径较小，长度较短。使得多层波纹膨胀节结构紧凑，可节省材料，制造时成形容易。由于波高小，设置外套筒保护容易，安装支撑和间隔方便。当波纹膨胀节用于腐蚀环境时，多层波纹管只需在内、外层用耐腐蚀材料制造，因而可节省贵重金属。有时为了防腐，内、外层可用较大板厚的材料制造。此外，如果管壁内层由于某一原因，如腐蚀、缺陷、疲劳、安装等而出现裂纹，虽然内层已经泄漏，但其它层仍能起密封作用，这样多层波纹膨胀节不易出现突发性破坏，可延长检修周期。由于多层波纹膨胀节具有良好的性能，因此在国外已经有了较大的发展。例如美国，日本、德国、英国、前苏联等国家，均已设计、制造与使用。国外制造的多层波纹膨胀节产品，直径已超过4m。美国膨胀节制造商协会标准已将多层波纹膨胀节列入标准。在我国，多层波纹膨胀节也得到了很大的发展，大多数生产厂家采用了多层结构。由于现在国内生产和使用的波纹膨胀节绝大多数都采用U形，下面所谈的主要是U形波纹膨胀节。膨胀节的几种主要计算方法波纹管的设计计算是一个复杂的弹性力学间题，而且随着波纹膨胀节在管道、设备、装置上日益广泛应用，波纹管的变形不再局限于弹性变形，而且有很大的塑性变形，仅用弹性力学的理论来分析将会产生较大误差。由于波纹管是一个复杂的壳体，其工艺过程及使用条件对性能又有很大的影响，故不可能提出能适应各种条件的工程上实用的计算公式。近些年来，人们作过大量的分析研究和实验验证工作，提出了不少工程设计使用的计算公式和图表但是有的方法由于公式和图表繁复，工程设计使用不方便；也有些假设条件过于简化和理想．与实际应用情况偏差较大，难以保证工程上的安全可靠，均未能为工程界所接受。目前，能够符合工程实用要求的计算方法并不很多，应用较普遍的主要有以下几种方法：1. 美国膨胀节制造商协会标准计算法（EJMA法）2. 美国凯洛格公司计算法（KELLOGG法）3. 日本东洋公司计算法（TOYO法）4. 前苏联维赫曼等人提出的计算方法（维赫曼法）5. 前西德AD受压容器规范计算法（AD法）6. 日本滨田一竹园提出的计算法（滨田一竹园法）EJMA 法在计算方法上有比较明显的优点，如：对波壳的应力分析比较全面，假设条件较合理，加上算式对实际存在的影响作了必要的修正，因而计算结果有一定准确性。同时，在内容上不仅对工程设计中必须考虑的间题，如强度、刚度、位移、疲劳、稳定性、振动等都规定了相应的算式，而且对各种多层或单层、无加强和带加强元件的波壳均可适用，较好地满足了工程上实用的要求。特别是作为膨胀节制造者的专用标准，这个标准不仅在计算方法具有优点，而且对膨胀节的制造和使用，甚至包装运输都作出了相应的规定，因而EJMA有相当大的影响。目前国外一些标准和规定已逐步采用EJMA 法，可推荐作为工程设计中的通用计算方法。我国的国家标准《金属膨胀节通用技术条件（GB/T 12777）》、《钢制压力容器（GB 15）》和《钢制管壳式换热器（GB 151）》中有关波纹管的计算均采用EJMA 的计算方法。目前，我国的波纹膨胀节生产厂家大多也是应用EJMA 法进行产品设计。KELLOGG法是美国凯洛格公司工程设计的规定方法，具有简便实用的特点，而且对各项计算内容的评定标准有一定的实践基础，故比较稳妥可靠，多年来在国外广为采用。如1977 年日本工业标准JISB 8243 - 1977 和JISB2352 - 1977仍将KELLOGG法列入其中。近些年来，凯洛格公司又在总结实践的基础上进一步对计算方法进行了修订，内容更加完善，计算准确性和应用范围大有改进，适于在工程设计中使用和参考。TOYO法由于其假设条件能较好反映波壳特性，计算有一定的准确性，而且算法简便，规定较具体，近些年来国内的工程设计上也有应用此种方法。但与上面两种方法相比，无论在计算内容和算式对有关实际因素的修正方面均有不及之处，作为通用性计算方法不够理想。维赫曼法在我国也有应用，《钢制石油化工压力容器设计规定（1977年版）》就采用了此法。维赫曼法和AD法一个很大的缺点是不作疲劳分析，这对许多补偿量要求大、载荷变动剧烈和波形比较特殊的场合，不很适用，具有很大的局限性。滨田一竹园法由于计算图表繁复，故国内很少采用此法。膨胀节的结构设计1．波纹管连接型式设计波纹管的连接型式有焊管式和法兰式。焊管式焊接工艺性较好，结构简单，成本低。外圆焊接式波纹管直边段受力较大，可根据计算采用加强套箍，内圆焊接式适用于直径较大的波纹管，对于直径较小的波纹管，由于空间小，操作不便而不宜采用。法兰式焊接工艺性好，装配比焊管式方便、容易。法兰可作为拉杆或外套的支撑，结构紧凑，但成本比焊管式高，不适用于大直径的波纹管。2．结构设计波纹膨胀节按结构型式可分为轴向型、角向型（铰链式）、横向型、力平衡式等。因为波纹膨胀节的轴向刚度很小，所以管路内压产生的轴向力常常影响管路系统的设计和使用。轴向力不受任何约束传导至管路系统中的波纹膨胀节，叫做自由型（不平衡型）波纹膨胀节；轴向力受到某些机构或装置的约束而不能传导至波纹膨胀节上的，叫做平衡型波纹膨胀节。其中平衡型波纹膨胀节又分为阻尼式和吸收式两种：采用拉杆、铰链等构件阻止轴向力传导的波纹膨胀节，为阻尼式；利用工作压力自身来实现平衡的波纹膨胀节，为吸收式。轴向型（包括轴向类型的抗弯式、直埋式、外压式、一次性补偿式）和万能式，均为自由型波纹膨胀节；铰链式（可分为角度型、万向角度型、横向型、万向横向型）和大拉杆式为阻尼式平衡型波纹膨胀节；直管力平衡式和弯管力平衡式为吸收式平衡型波纹膨胀节。(end)

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