波纹管-膨胀节

• 轴向运动可以模拟为一个活塞和一个弹 簧的关系 • “F” = 有效面积 x 内压 + 弹簧刚度*轴 向位移行程 • 活塞的力（内压盲板力）是作用在管道 固定点或膨胀节的端板和拉杆上面。 • 一般内压盲板力远远大于波纹管弹性力。
波纹管形式
Simplified Bellow—波纹管
Tied Bellows—单式拉杆型膨胀节 •Simple—建单建模 •Comples—复杂建模 Universal Expansion Joints—复式拉杆型膨胀节 •Simple —建单建模 •Comples —复杂建模 Hinged Joint—绞式膨胀节 Slotted Hinge Joint---轴向补偿绞式膨胀节 Slip Joint--轴向补偿套筒型膨胀节
弯管压力平衡型膨胀节
图5 所示为一种常见的非常适于使用弯管压 力平衡型膨胀节的场合。 在工艺操作中，容器和竖向管道的膨胀量可能不 同，按图示安装一压力平衡式膨胀节，竖直方向 的位移差可以由膨胀节的轴向位移吸收，容器中 心线到管线之间的热膨胀可由膨胀节的横向位移 吸收。
• 其他形式还有直通压力平衡式波纹管补偿器。 • 旁流式压力平衡是波纹管补偿器。（振动和 压力损失）
压力平衡式波纹膨胀节
适用于需要平衡波纹管压力推力的管线上。 分为 直管式压力平衡型膨胀节、补偿轴向位移直 管旁流式压力平衡型膨胀节、补偿轴向位移弯管 式压力平衡型膨胀节。补偿横向位移和轴向位移； 主要用于设备进、出口处及设备与设备相连 接的管段，如果在一条很长的管线上采用压力平 衡型膨胀节来减少对固定支架的推力，必须整个 管线全部采用压力平衡型膨胀节。
Gimbal Joints--万向式膨胀节
Dual Gimbal—复式万向型膨胀节 Pressure-Balanced Tees and Elbows—压力平衡型膨胀节
一、膨胀节的类型及典型管段的补 偿设计
1.单式轴向型膨胀节 • 由一个波纹管和两个可与相邻管道、设备 相接的端管（或法兰）等组成的 挠性装置，主要用于补偿直管段轴向位移， 另外也可以吸收少量的横向位移. 图1 是采用轴向型膨胀节设置实例。
• 3）图8 是弯管角度不等于90°时，使用铰链式 膨胀节的示例。铰链型膨胀节的主要优点是它的 尺寸紧凑，便于安装，而且可以使它的铰链板具 有很大的刚度和强度，使用它们通常可以对构形 不规则的复杂管线的热膨胀进行补偿，在这样的 管线上使用别种膨胀节往往行不通，由于铰链结 构能够传递载荷，铰链型膨胀节的管系施加到固 定支架的作用力很小，这种系统的支撑点可设在 不妨碍系统活动的任何位置上，这给系统的设计 带来了很大的自由。
Gimbal Joints--万向式膨胀节
形式一：仅吸收角变形 形式二：即可吸收角变形，也可吸收横向位移
形式二
形式一
5.弯管压力平衡型膨胀节
• 由两个或一个工作波纹管和一个平衡波 纹管以及端管，端板、弯头、封头、拉杆 等组成的挠性装置，用于补偿管段的轴向 位移，横向位移或二者的合成位移，且不 使固定管架或相连设备承受压力推动的作 用，拉杆装置承受压力推力和其它附加外 力的作用。
对零长度绞式
KBEND = (1/8) (KAX) (D2) (/180)
膨胀节刚度
零长度膨胀节
用来模拟绞式和万向型。 完全柔性刚度为 1.0, 完全刚性刚度为1.0E12. 所有刚度必须输 入。
给定长度膨胀节
用户定义膨胀节长度 用户输入轴向刚度，横向刚度，软件自动计 算弯曲刚度。
扭转刚度
一般膨胀节避免扭转
Universal Expansion Joints—复式拉杆型膨胀节
简单模型 复杂模型
考虑拉杆的端部摩擦作用，建议将横向刚 度值增加10%
简单模型-1
简单模型-2
复杂模型-1
复杂模型-2
3.铰链型膨胀节
• 由一个波纹管、两组与端管相连的铰链板及一对 销轴等组成的挠性装置，铰链式膨胀节一般以两、 三个作为一组使用，用于吸收单平面管系中一个 或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨 胀节被它的铰链板所制约，产生纯角位移，然而， 被管段分开的每对铰链型膨胀节互相配合可吸收 横向位移。给定单个膨胀节的角位移，每对铰链 式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间 的距离成正比，因此，为了便膨胀节充分发挥应 用，应尽量加大这一距离。膨胀节的铰链板通常 用于承受作用于膨胀节上的全部压力推力，另外 也可 • 以用来承受管道和设备的重量、风载
复式大拉杆波纹管膨胀节的应用
Tied Bellows—单式拉杆型膨胀节
简单模型 近来吸收横向位移，无轴向位移，弯曲和 转角吸收功能 拉杆螺栓在外侧，允许拉杆承受拉力条件 下，或拉杆螺栓在内外两侧，拉杆可以收 押的条件下。 复杂模型 失效分析时采用 管直径大，波数多时采用
拉杆螺栓在外侧，仅允许拉杆承受拉力条 件下 均匀的将荷载分配到拉杆上 单拉杆用一个零重量刚性件模拟轴向刚度。 刚性件的直径等于拉杆直径，刚性件的壁 厚等于杆的直径 考虑拉杆的端部摩擦作用，及其它影响恒 向变形的因数，建议将横向刚度值增加 30% 考虑拉杆的端部摩擦作用，及其它影响恒 向变形的因数，建议将横向刚度值增加 30%
单式轴向波纹管膨胀节应用
•
存在横向位移或存在轴向与横向组合位移 的场合，使用单式膨胀节所受到的限制主要是 膨胀节吸收横向位移的能力有限。另外在工作 压力，温度较高，直径较大或无法在结构物上 安设主固定支架或多个导向支架的场合，使用 轴向型膨胀节可能行不通。
2.复式拉杆型波纹管膨胀节
由中间接管连接的两个波纹管及拉杆、端板等 组成的挠性装置，以横向位移方式补偿平面或立 体弯曲管段的热位移，拉杆装置应能承受压力推 力及其附加外力的作用。 • 复式拉杆型膨胀节特别适合吸收横向位移，此外， 这种设计形式也可用于吸收轴向位移，角位移以 及任意由这三种形式合成的位移，一般用法是将 这种带连杆的膨胀节设置在呈90°的“Z”形管系 的中间管臂内，调整连杆以阻止外部的轴向位移， 图2、3 是两个应用实例。
弯管压力平衡式膨胀节的主要优点，是它在吸收来自外 部的轴向位移时，不会使系统受到内压推力的作用。由 波纹管整体刚度造成的力并未消除，实际上这个力一般 要超过单式膨胀节位移引起的弹力。因为工作波纹管和 平衡波纹管都要受到压缩或拉伸，作用在管道或设备上 的力是两者的轴向合力。 图4 是存在轴向与横向组合位移的时使用弯管压力平 衡式膨胀节的典型实例，在管道的端部和汽轮机上的支 架均为中间固定支架，并且只需要使用导向支架，采用 合理的设计可以使汽轮机上方的导向支架承受使膨胀节 产生轴向位移的作用力，避免该力作用到汽轮机上，作 用在汽轮机上的只有使膨胀节产生横向位移的作用力。
有效内径
和盲板力相关
Simplified Bellow—波纹管
波纹管长度可为0长度也可为一个定长度。 在定长度的条件下，弯曲或横向刚度其一不用输 入。推荐不输弯曲刚度，而输入横向刚度。 如果输入弯曲刚度，刚度计算有一定要求。 波的重量和附件的重量分别加在两侧法兰上。
Pressure Thrust盲板来承受的，只 需在管系的两端设置中间固定支架， • 由于膨胀节受铰链制约只能产生纯角位移， 不能伸缩，包含有膨胀节的中间管臂的热膨 胀必须由与它相垂直的管臂发生弯曲来吸收， 两个长管臂的弯曲挠度由正确设计的导向支 架和支架来控制 • 1）图6 是用双铰链系统吸收单平面“Z”形弯 管的主要热膨胀.
Hinged Joint—绞式膨胀节
采用零长度膨胀节，横向，周详，扭转刚度均为无 穷大。 绞方向通过约束和关联节点来定义。限制转动方向 永远是转轴的法线方向。
4.万向铰链型膨胀节
• 由一个波纹管，万向铰链环及两对与万向铰链环 和端管相连的铰链板等组成的挠性装置。通常以 两个万向铰链型或以两个万向铰链型与一个单式 铰链型膨胀节一起配套使用，如图9，两个万向铰 链型膨胀节协同动作吸收上、下两个水平管臂的 组合位移，铰链型膨胀节则与上部的万向铰链型 膨胀节互相配合吸收竖直管臂的位移。 • 用万向铰链型膨胀节构成的系统与上节提到的用 铰链型膨胀节构成的系统有类似的优点，但万向 铰链型膨胀节的应用具有更大的灵活性，它不限 于单平面系统。
Pressure-Balanced Tees and Elbows—压力平衡型膨胀节
Pressure balanced tees and elbows are used primarily to absorb axial displacements at a change in direction, without any associated pressure thrust. Pressure balanced tees can also be used in universal type configurations to absorb axial and lateral movement.
• 2) 如果单平面“Z”形管系的中间管臂较长过，可 采用三个铰链型膨胀节的系统。图7 表示在单平 面弯管中的三铰链型膨胀节系统，竖直管段的热 膨胀将由B 和C 两个膨胀节的动作来吸收，水平 管段的热膨胀由A 和B 两个膨胀节来吸收，很明 显，膨胀节B 的角位移是A 和C 之和。
• 和前面的示例一样，在管系两端只用中间固定支架 来固定，本例中所有的热变形全部被膨胀节所吸收， 因管道的热变形作用于固定支架的载荷非常小，如 果左侧的固定支架与第一个铰链型膨胀节的间距较 大，在靠近膨胀节处应设置导向支架，该支架为以 承受膨胀节转动的力，从而减少膨胀节C 至左侧固 定支架之间部分管道的弯曲，为了保持管系位于平 面内，并消除可能由外载所产生的作用于铰链的弯 曲力，可以增设一个或多个导向支架，管系的支撑 可以采取多种方式，对膨胀节之间的管道进行支撑 而不妨碍其自由移动时，可采取弹簧支吊架。
波纹管-膨胀节
主讲人：王大辉、金红伟 2008
膨胀节刚度
• Axial Stiffness—轴向刚度 • Transverse Stiffness—横向刚度（往往输入横向刚度，软件计算弯曲刚度） • Bending Stiffness—弯曲刚度(应用在零长度角式和弯向始终） • Torsional Stiffness—扭转刚度