文 献 综 述

膨胀节结构设计综述

0 引言

在现代管道技术中，管道的热变形、机械变形、各种振动、大型贵重设备与管道间的柔性连接等都离不开波纹膨胀节【1】。波纹管膨胀节是一薄壁挠性元件，以它的轴向伸缩或角度变化来补偿管路系统或设备因温差(或机械运动)造成的位置移动【2】。由于膨胀节具有补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形，波纹补偿器伸缩量、方便阀门管道的安装与拆卸，吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响，吸收地震、地陷对管道的变形量等作用，因而在现代工业生产中得到了广泛的应用【3】.膨胀节是安装在固定管板式换热器壳体上的挠性结构，依靠易变形的挠性结构，对管束间膨胀变形差进行补偿，来消除壳体与管束间的温差应力，现已在石油化工、电力、建筑、冶金、机械、核电等行业得到越来越广泛的应用【4】。膨胀节的结构形式较多，一般有波形(U形)膨胀节、Ω形膨胀节、平板形膨胀节等【5】。近年来，由于设备趋于大型化，压力和温度等参数也随之增高，因此，制造较为简单，能承受较高压力、应力分布均匀而不易产生应力集中的Ω形膨胀节就越来越多地被采用。如引进装置中二氧化碳汽提塔、管式反应器以及我国化肥设备、换热设备等均采用了由圆管弯曲而成的Ω形膨胀节【6】。金属波纹管膨胀节依靠波纹管的变形吸收位移，具有较大管径可承受较高压力，它是金管道中最常用的柔性元件，所以在选用的时候应该注意一些问题和使用技巧【7】。首先来简单介绍以下两种常用膨胀节。

1.1.Ω形膨胀节

所谓Ω形膨胀节，是由圆环形截面的波壳与附在开口波谷处直边段上的加强环所组成 (如图 1所示)。Ω型膨胀节由于承受高压性能较好，在高压管系中应用较多【8】。它的制造方法主要有：整体液压成形和管材弯曲焊接组装成形。前者一般用于中、小型Ω形波纹管的制作，而后者一般用于制造大设备中的Ω型膨胀节【6】。

Ω形膨胀节渡壳本身为圆环形壳体。在内压作用下会产生环向与经向薄膜应力，沿截面均匀分布。由于Ω形膨胀节在渡谷部分一般都设有加强环，它不仅承担了渡根处的内压载荷的大部分，且对渡壳的变形起到限制作用．承压变形以后截面形状仍为圆形。

Ω形膨胀节的设计比较复杂，其约束条件很多，各设计变量之间相互制约，传统的方法是通过手工试算，即确定一组参数后，再检验由此参数计算出的控制条件能否满足所有的许可约束条件；这样，一则效率低，二则很难找到最佳尺寸。因此，对于在压力、温度较高的情况下使用的大直径Ω形膨胀节进行优化设计成为一个重要的课题【9】。

图1 Ω型膨胀节几何尺寸示意图

1.2.U型膨胀节

U型膨胀节由三段圆弧和连接它们并与之相切的两条直边构成，几何尺寸如图2所示【10】。U型波纹管膨胀节在管道施工中是比较常用的，主要就是为了保障管道安全运行，它可以在最大程度上补偿吸收管道的变形，包括地陷或者是地震造成的变形量，同时还会吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响，此外还可以以U型波纹管膨胀节的伸缩量来方便阀门与管道的安装、拆卸与密封【11】。

U型波纹管膨胀节具有比较优良的柔性，在吸收机器产生的振动与管道位移方面具有优良的性能。由于U型波纹管膨胀节是一个同时承受内压与补偿位移的元件，要求其不仅仅具备设计时的要求，还要保证实际工作的安全性，因此在进行膨胀节的设计过程中对膨胀节的性能测试也是一项比较重要的工作，这也是设计监督的最后一道防线。因此在结束设计工作之前必须要按照国家或者行业的有关技术标准要求对所设计的膨胀节进行耐压、气密性与疲劳测验。只有这样才能使设计更为完善，才能保证制造出来的膨胀节在性能方面不存在任何问题，才能将膨胀节更广泛地推广到各个行业中去。

在我国由于架空管线将膨胀节暴露在外部环境中，但是外部大气环境的优劣对波纹管膨胀节的性能影响较比较大，对于沟内清洁干燥无污染时的管道，是波纹型膨胀节比较理想的工作环境，对于直埋于土壤的管线，膨胀节与管线接口处很难实现理想密封。因此正确选择与使用膨胀节就必须要考虑到管道的运行条件、管道和设备的承载能力与预期的循环寿命等多种因素，同时必须将土壤环境与地下水质条件作为波纹管膨胀节结构设计所必须考虑的因素【11】。

图2 U型膨胀节几何尺寸示意图

2膨胀节设计要点

2.1.设计工况

对于固定管板换热器，一般有多种设计工况，包括正常操作工况、开车工况、停车工况、事故工况等。除非能定性判断某些工况设计条件苛刻程度低于其他工况，否则应对每种设计工况逐一核算，因经常出现在正常操作工况下设备不需要设置膨胀节或设置膨胀节是安全的，而在其他工况下才需设置膨胀节或需改变膨胀节的结构参数。值得注意的是，如果工艺条件仅提供了正常操作工况的设计条件，应要求工艺专业补充提供其他工况下的设计条件【12】。

2.2.材料选用