阀门用金属波纹管的参数和结构设计
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采用波纹管密封的阀门是利用波纹管的可 伸缩性 , 在阀门和空气之间形成无滑动的密封
屏障 , 以解决滑动密封引起的泄漏 ( 图 1) 。 波纹管的一端焊接在阀杆上 , 另一端焊接在一 个固定的法兰上 , 构成波纹管组件 。阀杆直线 运动时 , 波纹管压缩或拉伸 , 阀门完成启闭动 作 。波纹管密封比填料密封具有更高的可靠 性 。尤其在高腐蚀性 、放射性 、有毒 、有害 、 高纯及昂贵流体系统中应用 , 特点更为突出 。 3 波纹管设计 311 材料选择
构时 , 对扩口直径 、扩口长度应参照有关标准 或选型样本 , 不应随意选取 。波纹管两端的结 构可根据需要选择 。 6 结语
关于波纹管的理论计算 , 还有更为精确的 方法 , 但由于涉及了较深的基础理论和数学计 算 , 工程上应用不方便 , 故不做介绍 。
参考文献
〔1〕徐开先. 波纹管类组件的制造及其应用 〔M〕. 北京 : 机械工业出版社 , 1998.
加 , 通常
Pn外 = (115～6) Pn内
Ps外
=
014 ENδ0
D - d′2 2
(1 - μ) 2
D
2
d′3 L 1
式中 Pn内 ———波纹管承受内压时的最大耐压
力 , M Pa
Ps内 ———波纹管承受内压时总体失稳压
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
常用 的 波 纹 管 材 料 有 铜 合 金 ( H80 、 QSn6152011 、QSn6152014 、Qbe2) 、奥氏体不锈 钢(1Cr18Ni9 Ti 、0Cr18Ni9 、00Cr17Ni14Mo2) 和 高温耐蚀合金 ( 蒙乃尔 、因科镍 625 、哈氏 C276) 。铜合金加工性能好 , 价格低廉 。奥氏 体不锈钢加工性能好 , 具有良好的耐蚀性 。高
图 2 单层波纹管使用寿命 (常温)
412 压力冲击的影响 系统中的泵可以引起压力波动 , 快速关闭
阀门也可以产生压力峰值 。蒸汽管路重新通汽 时 , 较大冷凝物的自动蒸发可以产生水滴冲击 等 , 都会引起较大的降低波纹管使用寿命的变 形 。由于许多情况是难以预计的 , 设计时 , 对 波纹管的耐压强度要留有余地 。 413 热冲击的影响
1 概述 随着先进生产技术称波纹管) 在工业阀门生产领域 中的应用量迅速增长 。为了使阀门设计人员了 解波纹管的设计和生产方法 , 以便给波纹管制 造和使用带来方便 , 对阀用波纹管组件的特 点 、性能及选用进行了讨论和介绍 。 2 波纹管阀门的密封特点
阀门作为一种流体控制设备 , 密封是首要 解决的问题 。以截止阀和节流阀为例 , 解决阀 杆和阀盖移动间隙密封问题的传统方法是填料 密封结构 。但对于外漏密封有特殊严格要求的 工况 , 需要采用波纹管密封结构 。
力 Pn (临界失稳压力) 和产生总体失稳时的 总体失稳压力 Ps 。
当波纹管承受内压时
Pn内
=
N
〔
011σδs 20 S p ( D - d′) / 2〕2
Ps内 =
NπEf 2 ( S)
15 n (1 - μ2)
(δ0/ S ) 3 ( D + d′)
4
L1
当波纹管承受外压时 , 波纹管的稳定性增
作者简介 : 李增祥 (1941 - ) , 男 , 山西人 , 高级工程师 , 主要从事波纹管设计 , 制造及金属热处理研究 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
— 1 0 — 阀 门 2000 年第 6 期
(a) N 形 (内配合) ( b) W 形 (外配合) (c) QD 形 (波峰连接)
图 3 波纹管端部基本结构
形 工 艺 性 差 , 只 在 必 要 时 采 用 。选 用 N 形 结
E ———材料弹性模量 , M Pa
μ———泊桑系数
σs ———材料屈服强度 , M Pa S p ———系数 f 2 ( S) ———S 值修正系数 S ———波纹管外 、内径比
L 1 ———有效长度 , mm 315 刚度和有效面积的计算
刚度和 有 效 面 积 是 波 纹 管 的 重 要 性 能 参
数 , 其中
π Fe = 4
D+ d 2
2
K= 6n
NπE (δ0/ S ) 3
(1 - μ2)
d′2 2
f
0
(
S
)
式中 Fe ———波纹管有效面积 , cm2
K ———波纹管轴向刚度 , N/ mm
f 0 ( S) ———径比系数 4 波纹管使用寿命
波纹管的使用寿命与其工作位移 、工作压
L I Zeng2xiang , ZHAN G Zhong2xiao , L U Hong
(Shenyang Institute of Instrumentation Technology , Shenyang 110043 , China)
Abstract : It is int roduced in t his paper t he st ruct ural design met hods of t he metallic bellows and it s capability calculation met hods for t he valve designer. t he life assesses and influencing factor of t he metallic bellows has been discussed. In t he end , it is int roduced several in com2 mon use t he configuration and make choice of t he principle. Key words : valve ; seal ; metallic bellows ; design
摘要 介绍了金属波纹管几何参数的设计方法和性能参数的计算方法 。讨论了使用 寿命估定方法和工作状况对使用寿命的影响 。阐述了几种阀门中常用的波纹管端部结构 及选用原则 。
关键词 阀门 ; 密封 ; 波纹管 ; 设计 中图分类号 : TH136 文献标识码 : A
Design of the metall ic bello ws f or the valve
经常的温度变化 , 特别是较大温度梯度的 变化会加速材料的疲劳 , 降低波纹管使用寿 命 。此时应选用耐温材料制造波纹管或在设计 中采取温度隔离措施 。 414 安装使用影响
如果波纹管使用和安装不正确 , 工作时会产 生各种附加应力 , 降低波纹管的使用寿命。因 此 , 设计时应合理选择波纹管工作位移和结构 , 使波纹管始终工作在良好的状态。一般情况下 , 阀用波纹管推荐拉 1 压 2 , 避免采用安装过程中 能够引起波纹管轴线错位和扭转的结构 。 5 端部结构选择
力 、工作介质 、温度范围 、刚度 、频率 、材料
性能 、工艺因素和安装情况等有关 。其理论计
算较复杂 , 且计算结果与实际情况相差很大 。
工程中通常依据工作位移和压力对使用寿命进
行估定 (图 2) , 确切的数据经试验而定 。实
际应用中 , 由于其他工作条件的变化 , 也将引
起使用寿命的变化 。
411 工作温度的影响
— 8 — 阀 门 2000 年第 6 期
温合金适用于 400 ～ 600 ℃高温条件下工作 。 设计者应根据阀门的工作环境 、介质种类和工 作温度等条件选择合适的波纹管材料 。
图 1 波纹管密封截止阀
312 波形及内外径的选择 波纹管依波形 、壁厚层数和结构的不同其 性能也有差异 。波纹管有 U 形 、C 形 、Ω 形 和 S 形等波形 。应用于阀门的主要有 U 形和 S 形 , 一般常用的是 U 形 。在承受较高工作压 力和较大位移的条件下 , 采用多层 U 形波纹 结构 。S 形结构主要应用在工作压力高 , 工作 位移较小 , 有特殊要求的场合 。 波纹管外径 D 根据放置波纹管的空间确 定 。波纹管内径 d 根据所容纳的阀杆直径确 定 。通常波纹管外径与内径的比值 S = D/ d 应为 113 ～ 116 , 也 可 参 照 波 纹 管 相 关 标 准 (JB/ T6169292) 选用推荐的波纹管外径和内 径 。波纹管的波距 t 和波厚 a 可选用推荐值 , 也可以通过公式确定 。 D < 40mm t = (0109～0112) / D D > 40mm t = (0106～01085) / D 一般情况下波厚
(上接第 6 页) 因此 , 在设计计算方法上两者也有共性 。阀盖 结构尺寸和形式按 J IS 标准规定 , 中法兰尺寸 的设计计算和阀体中法兰相同 。 413 阀杆
L 1 = nt 一端内配合 , 一端外配合
314 壁厚选择
波纹管的壁厚 δ通常根据阀门的压力等
级按照相关标准和资料预先选定 。然后 , 根据 公式验算波纹管的耐压力 。高压波纹管 , 一般 采用多层结构 , 以降低波纹管的刚度和应力 。
波纹管耐压力验算时 , 应考虑波纹管波形 在压力作用下开始发生塑性变形时的最大耐压
移为最大许用位移的 50 %～70 % , 单波使用位
移为 (0115～012) t , 因此波纹管波数 n 为
n
=
W
( 0115～012 )
(计算后向上取整数)
t
根据 n 及选定的波纹管配合形式确定波
纹管有效长度 L 1
L 1 = nt ( t - a) 两端内配合
L 1 = nt + a 两端外配合
a = t -22δ≈016 t
为获得较好的综合性能 , 根据压力计算确
定的波纹管壁厚
δ应满足 a
-δ
d
=
0105 ～ 0101
的关系 , 否则应调整 t 和 a 值 。
313 波数选择
波纹管波数根据阀门启闭行程 W 确定。通
常波纹管的单波结构位移约为波距的 40 % , 单
波最大许用位移约为结构位移的 75 %。使用位
通常波纹管端部与阀杆或法兰采用焊接连 接 。因此在选用波纹管端部结构时 , 要同时考 虑焊接和波纹管成形的工艺性 。
常用的 3 种阀用波纹管端部基本结构形式 如图 3 。
其中 W 形和 QD 形结构的波纹管成形工 艺性好 , 建议优先采用 。N 形结构的波纹管成
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2000 年第 6 期 阀 门 — 7 —
文章编号 : 100225855 (2000) 0620007204
阀门用金属波纹管的参数和结构设计
李增祥 , 张中校 , 陆 宏 (沈阳仪器仪表工艺研究所 , 辽宁 沈阳 110043)
一只用 1Cr18Ni9 Ti 制造的波纹管 , 常温
下具有 10 000 次使用寿命 。在温度达到 200 ℃
时 , 抗压强度下降 24 % , 弹性下降 20 % , 其使
用寿命降为 2 000 次 。所以 , 应采用适宜的设 计措施降低波纹管的工作温度 。
p —工作压力 Pg 与最大耐压力 Pn的比 w —工作位移 W g 与 最大允许位移 W n的比 , w 取波纹管结构位移的 75 %。
2000 年第 6 期 阀 门 — 9 —
力 , M Pa
Pn外 ———波纹管承受外压时的最大耐压 力 , M Pa
Ps外 ———波纹管承受外压时的总体失稳 压力 , M Pa
d′———波纹管计算内径 , mm
d′= d + 2 Nδ0 δ0 ———波纹管单层壁厚 , mm N ———层数
屏障 , 以解决滑动密封引起的泄漏 ( 图 1) 。 波纹管的一端焊接在阀杆上 , 另一端焊接在一 个固定的法兰上 , 构成波纹管组件 。阀杆直线 运动时 , 波纹管压缩或拉伸 , 阀门完成启闭动 作 。波纹管密封比填料密封具有更高的可靠 性 。尤其在高腐蚀性 、放射性 、有毒 、有害 、 高纯及昂贵流体系统中应用 , 特点更为突出 。 3 波纹管设计 311 材料选择
构时 , 对扩口直径 、扩口长度应参照有关标准 或选型样本 , 不应随意选取 。波纹管两端的结 构可根据需要选择 。 6 结语
关于波纹管的理论计算 , 还有更为精确的 方法 , 但由于涉及了较深的基础理论和数学计 算 , 工程上应用不方便 , 故不做介绍 。
参考文献
〔1〕徐开先. 波纹管类组件的制造及其应用 〔M〕. 北京 : 机械工业出版社 , 1998.
加 , 通常
Pn外 = (115～6) Pn内
Ps外
=
014 ENδ0
D - d′2 2
(1 - μ) 2
D
2
d′3 L 1
式中 Pn内 ———波纹管承受内压时的最大耐压
力 , M Pa
Ps内 ———波纹管承受内压时总体失稳压
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
常用 的 波 纹 管 材 料 有 铜 合 金 ( H80 、 QSn6152011 、QSn6152014 、Qbe2) 、奥氏体不锈 钢(1Cr18Ni9 Ti 、0Cr18Ni9 、00Cr17Ni14Mo2) 和 高温耐蚀合金 ( 蒙乃尔 、因科镍 625 、哈氏 C276) 。铜合金加工性能好 , 价格低廉 。奥氏 体不锈钢加工性能好 , 具有良好的耐蚀性 。高
图 2 单层波纹管使用寿命 (常温)
412 压力冲击的影响 系统中的泵可以引起压力波动 , 快速关闭
阀门也可以产生压力峰值 。蒸汽管路重新通汽 时 , 较大冷凝物的自动蒸发可以产生水滴冲击 等 , 都会引起较大的降低波纹管使用寿命的变 形 。由于许多情况是难以预计的 , 设计时 , 对 波纹管的耐压强度要留有余地 。 413 热冲击的影响
1 概述 随着先进生产技术称波纹管) 在工业阀门生产领域 中的应用量迅速增长 。为了使阀门设计人员了 解波纹管的设计和生产方法 , 以便给波纹管制 造和使用带来方便 , 对阀用波纹管组件的特 点 、性能及选用进行了讨论和介绍 。 2 波纹管阀门的密封特点
阀门作为一种流体控制设备 , 密封是首要 解决的问题 。以截止阀和节流阀为例 , 解决阀 杆和阀盖移动间隙密封问题的传统方法是填料 密封结构 。但对于外漏密封有特殊严格要求的 工况 , 需要采用波纹管密封结构 。
力 Pn (临界失稳压力) 和产生总体失稳时的 总体失稳压力 Ps 。
当波纹管承受内压时
Pn内
=
N
〔
011σδs 20 S p ( D - d′) / 2〕2
Ps内 =
NπEf 2 ( S)
15 n (1 - μ2)
(δ0/ S ) 3 ( D + d′)
4
L1
当波纹管承受外压时 , 波纹管的稳定性增
作者简介 : 李增祥 (1941 - ) , 男 , 山西人 , 高级工程师 , 主要从事波纹管设计 , 制造及金属热处理研究 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
— 1 0 — 阀 门 2000 年第 6 期
(a) N 形 (内配合) ( b) W 形 (外配合) (c) QD 形 (波峰连接)
图 3 波纹管端部基本结构
形 工 艺 性 差 , 只 在 必 要 时 采 用 。选 用 N 形 结
E ———材料弹性模量 , M Pa
μ———泊桑系数
σs ———材料屈服强度 , M Pa S p ———系数 f 2 ( S) ———S 值修正系数 S ———波纹管外 、内径比
L 1 ———有效长度 , mm 315 刚度和有效面积的计算
刚度和 有 效 面 积 是 波 纹 管 的 重 要 性 能 参
数 , 其中
π Fe = 4
D+ d 2
2
K= 6n
NπE (δ0/ S ) 3
(1 - μ2)
d′2 2
f
0
(
S
)
式中 Fe ———波纹管有效面积 , cm2
K ———波纹管轴向刚度 , N/ mm
f 0 ( S) ———径比系数 4 波纹管使用寿命
波纹管的使用寿命与其工作位移 、工作压
L I Zeng2xiang , ZHAN G Zhong2xiao , L U Hong
(Shenyang Institute of Instrumentation Technology , Shenyang 110043 , China)
Abstract : It is int roduced in t his paper t he st ruct ural design met hods of t he metallic bellows and it s capability calculation met hods for t he valve designer. t he life assesses and influencing factor of t he metallic bellows has been discussed. In t he end , it is int roduced several in com2 mon use t he configuration and make choice of t he principle. Key words : valve ; seal ; metallic bellows ; design
摘要 介绍了金属波纹管几何参数的设计方法和性能参数的计算方法 。讨论了使用 寿命估定方法和工作状况对使用寿命的影响 。阐述了几种阀门中常用的波纹管端部结构 及选用原则 。
关键词 阀门 ; 密封 ; 波纹管 ; 设计 中图分类号 : TH136 文献标识码 : A
Design of the metall ic bello ws f or the valve
经常的温度变化 , 特别是较大温度梯度的 变化会加速材料的疲劳 , 降低波纹管使用寿 命 。此时应选用耐温材料制造波纹管或在设计 中采取温度隔离措施 。 414 安装使用影响
如果波纹管使用和安装不正确 , 工作时会产 生各种附加应力 , 降低波纹管的使用寿命。因 此 , 设计时应合理选择波纹管工作位移和结构 , 使波纹管始终工作在良好的状态。一般情况下 , 阀用波纹管推荐拉 1 压 2 , 避免采用安装过程中 能够引起波纹管轴线错位和扭转的结构 。 5 端部结构选择
力 、工作介质 、温度范围 、刚度 、频率 、材料
性能 、工艺因素和安装情况等有关 。其理论计
算较复杂 , 且计算结果与实际情况相差很大 。
工程中通常依据工作位移和压力对使用寿命进
行估定 (图 2) , 确切的数据经试验而定 。实
际应用中 , 由于其他工作条件的变化 , 也将引
起使用寿命的变化 。
411 工作温度的影响
— 8 — 阀 门 2000 年第 6 期
温合金适用于 400 ～ 600 ℃高温条件下工作 。 设计者应根据阀门的工作环境 、介质种类和工 作温度等条件选择合适的波纹管材料 。
图 1 波纹管密封截止阀
312 波形及内外径的选择 波纹管依波形 、壁厚层数和结构的不同其 性能也有差异 。波纹管有 U 形 、C 形 、Ω 形 和 S 形等波形 。应用于阀门的主要有 U 形和 S 形 , 一般常用的是 U 形 。在承受较高工作压 力和较大位移的条件下 , 采用多层 U 形波纹 结构 。S 形结构主要应用在工作压力高 , 工作 位移较小 , 有特殊要求的场合 。 波纹管外径 D 根据放置波纹管的空间确 定 。波纹管内径 d 根据所容纳的阀杆直径确 定 。通常波纹管外径与内径的比值 S = D/ d 应为 113 ～ 116 , 也 可 参 照 波 纹 管 相 关 标 准 (JB/ T6169292) 选用推荐的波纹管外径和内 径 。波纹管的波距 t 和波厚 a 可选用推荐值 , 也可以通过公式确定 。 D < 40mm t = (0109～0112) / D D > 40mm t = (0106～01085) / D 一般情况下波厚
(上接第 6 页) 因此 , 在设计计算方法上两者也有共性 。阀盖 结构尺寸和形式按 J IS 标准规定 , 中法兰尺寸 的设计计算和阀体中法兰相同 。 413 阀杆
L 1 = nt 一端内配合 , 一端外配合
314 壁厚选择
波纹管的壁厚 δ通常根据阀门的压力等
级按照相关标准和资料预先选定 。然后 , 根据 公式验算波纹管的耐压力 。高压波纹管 , 一般 采用多层结构 , 以降低波纹管的刚度和应力 。
波纹管耐压力验算时 , 应考虑波纹管波形 在压力作用下开始发生塑性变形时的最大耐压
移为最大许用位移的 50 %～70 % , 单波使用位
移为 (0115～012) t , 因此波纹管波数 n 为
n
=
W
( 0115～012 )
(计算后向上取整数)
t
根据 n 及选定的波纹管配合形式确定波
纹管有效长度 L 1
L 1 = nt ( t - a) 两端内配合
L 1 = nt + a 两端外配合
a = t -22δ≈016 t
为获得较好的综合性能 , 根据压力计算确
定的波纹管壁厚
δ应满足 a
-δ
d
=
0105 ～ 0101
的关系 , 否则应调整 t 和 a 值 。
313 波数选择
波纹管波数根据阀门启闭行程 W 确定。通
常波纹管的单波结构位移约为波距的 40 % , 单
波最大许用位移约为结构位移的 75 %。使用位
通常波纹管端部与阀杆或法兰采用焊接连 接 。因此在选用波纹管端部结构时 , 要同时考 虑焊接和波纹管成形的工艺性 。
常用的 3 种阀用波纹管端部基本结构形式 如图 3 。
其中 W 形和 QD 形结构的波纹管成形工 艺性好 , 建议优先采用 。N 形结构的波纹管成
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2000 年第 6 期 阀 门 — 7 —
文章编号 : 100225855 (2000) 0620007204
阀门用金属波纹管的参数和结构设计
李增祥 , 张中校 , 陆 宏 (沈阳仪器仪表工艺研究所 , 辽宁 沈阳 110043)
一只用 1Cr18Ni9 Ti 制造的波纹管 , 常温
下具有 10 000 次使用寿命 。在温度达到 200 ℃
时 , 抗压强度下降 24 % , 弹性下降 20 % , 其使
用寿命降为 2 000 次 。所以 , 应采用适宜的设 计措施降低波纹管的工作温度 。
p —工作压力 Pg 与最大耐压力 Pn的比 w —工作位移 W g 与 最大允许位移 W n的比 , w 取波纹管结构位移的 75 %。
2000 年第 6 期 阀 门 — 9 —
力 , M Pa
Pn外 ———波纹管承受外压时的最大耐压 力 , M Pa
Ps外 ———波纹管承受外压时的总体失稳 压力 , M Pa
d′———波纹管计算内径 , mm
d′= d + 2 Nδ0 δ0 ———波纹管单层壁厚 , mm N ———层数