U型波纹管膨胀节的设计与应用研究_李焕明

C H I N A V E N T U R E C A P I T A L
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膨胀节也被称作为波纹管补偿器或者伸缩节,它是利用波纹管补偿器的弹性元件的伸缩变形在一定程度上吸收导管、管线或者容器由热胀冷缩或者其他的原因而产生的横向、轴向或者角向位移，进而使管道结构紧凑严密，提高管道工作的可靠性，除此之外还可以用于降噪减振。

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，但是恰恰因为具有比较优良的柔性，如果膨胀节的设计不当，不仅仅不能发挥其优良的性能，而且还很容易发生破坏，所以只有加强U 型波纹管膨胀节的设计，才能进一步提高膨胀节的应用。

一、U 波纹管膨胀节的作用
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。

二、U 型波纹管膨胀节的材料的选择
在一般情况下，制造U 型波纹管膨胀节的材料必须要满足一些条件，制造膨胀节的材料弹性极限比较高，抗拉强度与疲劳强度比较强，只有这样才能保证波纹管正常工作，同时材料必须具有比较好的耐腐蚀性能，这样才能满足U 型波纹管在不同地质环境下工作的要求，此外材料还要有良好的焊接性能，满足U 型波纹管膨胀节在制作过程中的焊接工艺要求，最后材料必须要有比较良好的可塑性，这样便于波纹管前期的加工成形，并且还能通过后期的有关处理工艺获得足够的硬度与强度。

三、U 型波纹管膨胀节的设计研究1.膨胀节整体弹性刚度计算（1）膨胀节侧向刚度的计算
在膨胀节侧向刚度计算中又分为单式膨胀节侧向刚度与复式膨胀节侧向刚度，其中单式膨胀节的侧向刚度为K y =(1.5D m 2f i )/[L b N(L b ±X)2]，复式膨胀节侧向刚度为 K y =(K u D m 2f i )/[4NL u (L u -L b ±X/2)]， “+”表示轴向位移为拉伸，“-”表示压缩。

（2）膨胀节轴向刚度计算
这步计算中单式与复式膨胀节纵向刚度的计算同样不同，单式膨胀节整体 刚度为K x =f i /N，复式膨胀节整体刚度为 K x =f i /2N
（3）膨胀节整体弯曲刚度的计算Kθ=（πD m 2f i ）/（1.44×106N）
其中K x 代表膨胀节整体轴向刚度，K y 代表膨胀节整钵侧向刚度，K θ代表膨胀节整体弯曲刚度，D m 表示波纹管的平均直径，L b 是波纹管的波纹段长度，N 就是一个波纹管的波数，L u 为复式膨胀节中波纹管最外两端之间的距离。

2.膨胀节的疲劳寿命计算
由于U 型波纹管膨胀节是一种补偿管道位移的元件，往往必须要承受超负荷的应力，这样就会在一定程度上引起膨胀节的疲劳破坏，所以在设计中必须要重点计算膨胀节的疲劳寿命。

尽管每个国家对于膨胀节的疲劳寿命的计算公式都不尽相同，但是它们都是在柯芬----曼森公式的基础之上演变出来的，所以本次计算公式是在我国计算公式的基础之上再借鉴国外的计算公式总结出来的。

因此，膨胀节的疲劳寿命的计算为E c =[10850/(C t σt -380)]3.4（没有加强的波纹管），E c =[25435/(C t σt -280)]2.8 （加强型的波纹管）其中E c 表示波纹管设计疲劳
U 型波纹管膨胀节的设计与应用研究
北京东方华智石油工程有限公司　李焕明
寿命，C t 为修正温度系数，σt 表示子午向总应力范围。

3、U 型波纹管膨胀节的稳定性计算
稳定性是评定膨胀节质量的指标之一，如果设计出来的膨胀节的稳定性比较差就会在很大程度上降低波纹管的疲劳寿命与承受压力的能力。

因此在膨胀节的设计中膨胀节稳定性的计算就显得十分重要了，只有在精确计算的基础之上才能保证设计出来的膨胀节的稳定性。

首先就是U 形波纹管极限设计内压的计算，当波纹管两端固支柱失稳，并且L b /D b ≥F A 时的计算公式为P sc =(0.34πf iu )/(N 2q)，当L b /D b ＜F A 时计算公式为P sc =[(0.87BSσ0.2t)/(D b q)][1-0.73Lb/FADb] ,当波纹管固支时平面失稳时的计算式为Psi=(1.4nδm 2σ0.2t)/(h2Cp) ，接着就是U 型波纹管极限设计外压的计算，其近似计算公式为I1-1=N m δ{[(2h-q)3/48]+0.4q(h-0.2q)2}，其中F A 表示转换点系数，B S 表示单个波纹的截面积。

4.U 型波纹管 膨胀节性能测试
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。

四、U 型波纹管膨胀节的应用
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。

五、结束语
波纹管膨胀节作为补偿性能良好，维护使用简便的补偿元件，在国内外供热管网中得到了越来越广泛的应用为城市的现代化建设作出了贡献。

但是随着膨胀节使用年限的增加，也有时会出现膨胀节失效的现象，直接影响到百姓的生活，也已经引起社会上多方面的注意。

因此必须要了解膨胀节失效原因，并且在设计中尽量克服这些问题，提高波纹管膨胀节的安全可靠性，拓宽U 型波纹管膨胀节的应用领域。

参考文献：
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[5]杜明霞,李永生.典型管段中的膨胀节的选型[J].南京师范大学学报,2006,6(2):77～80.
作者简介：李焕明（1983－ ），男，汉族，河北廊坊文安人，本科生，机械设计制造及其自动化，机械设计、压力容器设计、膨胀节设计、石化、长输管道管系应力分析、油气储运相关机械设备设计。

摘 要：波纹管膨胀节被广泛应用于压力管道中,是用来补偿因机械移位或者热膨胀导致的管道或者设备在尺寸规格上变化的柔性元件。

并且随着我国科学技术的飞速发展,一些高参数与大尺寸的膨胀节在工程上的应用已屡见不鲜,特别是最近几年来,我国膨胀节的生产技术的提高了许多,因此压力容器标准与规范内容也发生了相应的比较大的变化。

但是由于U型波纹管膨胀节所承受的反复循环载荷经常超过其本身材料的弹性极限，因此很可能会产生高应变低循环破坏，所以加强U型波纹管膨胀节的设计变得越来越重要，本文全面详细的介绍了U形波纹膨胀节的结构材料、工程设计方法以及在工业部门的应用情况等。

关键词：U型波纹管；膨胀节；设计；应用研究。