1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

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

材料选用主要取决于波纹管的工作条件、环境和经济性。金属波纹膨胀节的种类很多，一般有轴向型、横向型、角向型、压力平衡型等。各种膨胀节的结构不同，对管道系统热膨胀的补偿方式及推力大小也不一样【13】。奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀型，是最常用的材料，例如0CrlSNi9、0Crl8Nil0Ti、0Crl7Nil2Mo2等。国内外标准中都列有推荐材料，但选用需考虑具体的工作介质和环境。材料选用若是参照厚度附加量C中腐蚀裕量C₂的值，当C₂≤1mm时，尽量根据标准选择碳素钢或低合金钢；当C₂gt;1mm时，尽量选择奥氏体不锈钢【14】。

2.3.何时设膨胀节

在固定管板换热器中，壳体与换热管之间是刚性连接，操作状态下，由于管壁与壳壁温差将引起温差应力，温差应力可能会引起换热管拉脱或管束失稳，因此，当热膨胀变形差很大时，必须设置膨胀差补偿元件#8212;#8212;膨胀节【12】。是否设置膨胀节，需要针对换热器具体的设计参数， 通过计算，求得的应力水平加以权衡，再予判定。特别是在两种材料不同时(如换热管为不锈钢，壳程圆筒为碳钢时 )，因两者的线膨胀系数相差很大，在极端情况下可能会出现：管壳程之间的金属温度差很大，然而热膨胀差为零；管壳程之间的金属温度差很小或为零，而其热膨胀差很大。因此，在管板的计算中按有温差的各种工况计算出壳体轴向应力、换热管的轴向应力、换热管与管板之间的拉脱力中，有个不能满足强度(或稳定）条件时，就需要设置膨胀节【15】。

2.4.膨胀节在管道设计中应考虑的因素

1.管道内压推力

为避免高压管道巨大的内压推力作用于管道支架及土建结构上，应优先选用自身可承受管道内压推力的膨胀节。

2.金属波纹管弹性力

由于上述高温高压管道轴向膨胀节弹性刚度在管道轴向变形量较大时，会大量累积弹性水平推力，造成膨胀节两侧固定支架较难承受。为显著减小作用于管道固定支架上的这种水平推力，对于长距离直线布置管道，还可适当设置如”Z””L””n”型，并在这些管道拐弯部位上，设置横向膨胀节组合单元，以此形式来吸收长距离直线管道的轴向热胀。

3.膨胀节所受外压力

为防止管道非工作状态时的自重及特殊工况对膨胀节的轴向挤压效应，而可能使膨胀节损坏，所以在设置横向补偿组合单元时，应优先选用铰链型膨胀节。

4.安装预变性

为充分利用各膨胀节的补偿能力，可对一个补偿单元在安装时做反向预变形热胀量的 50％。这样无论对于何种膨胀节设置方式，都有利于减少工作状态时管道及管道支架受力，有利于管道安全稳定运行。

5.管道支架摩擦力

设置膨胀节的管道中会有分割管道膨胀区段的固定支架，在布置水平管道时，应将这种固定支架两侧直接相连的刚性管道总重尽量设置相等。因为管道支架会有摩擦力，当管道工作受热变形时，管道的各滑动支架会滑动，这时滑动摩擦力会反向作用于相应的固定支架。若该固定支架两侧的剐性管道总重相差较大，会对该固定支架产生较大的水平摩擦反向推力，这种推力也容易很大，而损坏该固定支架【15】【16】。

3 膨胀节疲劳性能分析

3.1.环境腐蚀对疲劳寿命的影响

波纹管伸缩缝作为补偿变形的元件，在腐蚀介质中经常受到轴向载荷的热变形和经常性的工作。因为有些地方的波纹管具有高弹塑性应变进行循环加载的启动和关闭、多变的工作条件造成的，他们将通过腐蚀疲劳断裂。多年来的研究已经进行的低周疲劳寿命波纹管膨胀节，计算结果表明，奥氏体钢波纹管膨胀节的计算公式和疲劳曲线，其中EJMA是最具代表性的【17】。近年来，一些发展和腐蚀疲劳失效分析案例预防的实现，考虑到环境介质对奥氏体成分疲劳寿命的影响【18】。实验研究结果表明：由于腐蚀介质的存在，裂纹萌生和扩展速率将加快，伸缩缝的疲劳寿命降低。在处理材料时，疲劳寿命并不是唯一的判断标准，应考虑抗腐蚀能力【19-21】。

3.2.U型膨胀节疲劳性能的分析

装有膨胀节的热交换器，通常受有交变的温度和荷载作用，按照锅制石油化工压力容器设计规定中的要求，当

σ_max≤3[σ]^t （1）

时。可不考虑疲劳问题，否则必须考虑疲劳问题，式5中的[σ]为设计温度下材料的许用值，对不锈钢制的膨胀节，若条件（1）不满足时，应根据σmax的值疲劳寿命曲线查出所对应的疲劳破坏时的循环次数N，而许用循环次数为

[N]=N/mf （2）

式中mf为疲劳安全示数，mf≥15。在本文所计算的温度条件下，碳钢的许用应力为[σ]_碳=1140kgf/cm²，不锈钢的许用应力为[σ]_不锈钢=1130kgf/cm^2.。而表1中所列的四种模型的最大有效应力值均不满足条件（1）。因此应进行疲劳估算。可得到各膨胀节的循环次数N，再取mf=15，由式(2）得到许用的循环次数N，数据列于表1

表1

如按每天循环四次计算，单节碳钢的许用天数为16666年（45年以上)，单节不锈钢膨胀节的许用天数只有242天.而双节膨胀节的许用天数均在45年以上【22】。

3.3.Ω型膨胀节疲劳性能的分析

3.3.1.内压失稳与超压试验

先把试件压缩到设计的最大压缩量，两端加以固定后，才逐级增加内压。1号试件内压达5MPa时，各波波距比内压为零时的原波距，最大增加了2.700，远小于2000，且轴线径向偏移不明显，亦即1号试件在内压达5MPa时没有发生失稳现象。此SMPa值已比表3列出的，按文献「1]或「2」公式计算的许用柱状失稳内压值3. SMPa为大，可见1号试件实际失稳内压比许用柱状失稳内压高得多，故计算许用失稳内压公式的安全系数可减少，以符合实际。3号试件内压达16MPa时，波距比原波距最大增加3. 300，远小于2000，且轴线径向偏移不明显，亦即3号试件内压达设计内压2. 5倍时，仍没有发生失稳或破坏现象，可见试件承受超压能力大。

3.3.2.疲劳试验

在上述超压试验后，作试件的常温疲劳试验。1号试件疲劳试验时，内压保持2. 5士0. 1MPa，轴向位移从压缩15mm到拉伸15mm交变循环，频率为0. 1Hz。试件径3328。次循环后.在端波波谷的圆环开口附近，产生环向微小裂纹，内压下降.此时视为失效。此实测循环人效次数为按照文献[1]或[2]公式计算的常温循环失效次数22618次的1. 47倍。若按文献[1]或[2]公式，计及设计温度420的温度修正系数},T_f^3.25= 0. 609，则此实测的常温循环次数换算得到的，420 C下的循环失效次数为33280X 0. 609=20268次，为该温度下许用循环次数3000次的6. 76倍。2号试件常温疲劳试验时，内压保持4士0. 1 MPa，其轴向位移从压缩12. 5mm到拉伸I2. 5mm交变循环，频率为0. 083Hz。试件经循环37222次后泄漏失效。此实测循环失效次数为按文献[1]或[2]公式计算的常温循环失效次数46354次的0. 803倍。若计及420 C'的温度修正系数0. 609，则换算得到420 C'的循环失效次数为22668次，为许用循环次数3000次的7. 56倍。1号、2号两试件的实测循环失效次数，平均为其计算的循环失效次数的1.19倍，可见实测平均值与计算值相差不大【23】。

所以若在同样设计使用条件下，采用适于承受较高压力的加强U形膨胀节，以加强U形膨胀节与Ω形膨胀节试件耗用的波纹不锈钢材料重量相同或相近，且设计的加强U形膨胀节符合EJMA标准的要求和较优的原则，设计计算得到相应的三个加强的U形膨胀节，列于表3中，从表3可见，加强的U形膨胀节，其经向应力仍然比Ω形膨胀节大得多，疲劳寿命较Ω形膨胀节为短。加强U形膨胀节的层数较多和需用模具制造费用比Ω形膨胀节大。可见在较高内压下，使用Ω形膨胀节，其安全性和经济性较好【24】。

4.结束语

膨胀节的制造是一项复杂的技术，在制造前首先要有高质量的设计，再生产过程中必须按照直用的不同范围及具体要求，严格执行制造工艺的标准的要求，对每一道工序都必须高标准要求，以避免在工业生产中应用而对社会经济产生不良的影响。作为现代热管网和热补偿设备重要组成部件，金属波纹管膨胀节相关产品的质量问题不可忽视，波形膨胀节在水利化工、电力供热、航天航空、汽车船舶制造等行业有着非常显著的作用，其关系到城市用户安全使用和行业效能使用问题。为了能够达到效益的最大化，必须对其设计优化方面得到更高更好的关注【25】。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.研究问题

本课题要求在查阅大量文献资料基础上，根据hg20582-2011lt;钢制化工容器强度计算规定gt;, 采用vb软件编写Ω形膨胀节设计计算软件，并进行软件案例考核。

2.课题的主要工作