【正文】 波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計與應(yīng)用膨脹節(jié)也稱補償器，是一種彈性補償裝置，主要用來補償管道或設(shè)備因溫度影響而引起的熱脹冷縮位移 (有時也稱熱位移)。膨脹節(jié)的補償元件是波紋管。在操作過程中，波紋管除產(chǎn)生位移 (變形)外，往往還要承受一定的工作壓力，因此，膨脹節(jié)也是一種承壓的彈性補償裝置，所以，保證其安全可靠地工作是十分重要的。 膨脹節(jié)除作為熱位移補償裝置使用外，也常被用于隔振和降噪。 膨脹節(jié)波紋管的波形較多，常用的有U形、Ω形、S形等，在這里，主要介紹U形波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計與應(yīng)用中的有關(guān)問題。膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)類型及其應(yīng)用 U形波紋管膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)類型 U形波紋管膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)類型較多，不同類型的膨脹節(jié)，適用的場合也各不相同。主要的類型有單式軸向型、單式和復(fù)式鉸鏈型、復(fù)式自由型、復(fù)式拉桿型、直管和彎管壓力平衡型等。各種類型的結(jié)構(gòu)示意圖見圖l~圖10。 為提高膨脹節(jié)的承載能力，可設(shè)計帶加強環(huán)或穩(wěn)定環(huán)的膨脹節(jié)，其納構(gòu)示意如圖11所示。(1) 單式軸向型膨脹節(jié) 由一個波紋管及結(jié)構(gòu)件組成、主要用于吸收軸向位移而不能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖1)。 (2) 單式鉸鏈型膨脹節(jié) 由一個波紋管及銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)件組成、受波紋管壓力推力的膨脹節(jié) (見圖2)。 (3) 單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié) 由一個波紋管及銷軸、鉸鏈板、萬向環(huán)和立板等結(jié)構(gòu)組成、能在任一平而內(nèi)角位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖3）。 (4) 復(fù)式自由型膨脹節(jié) 由中間管所連接的兩個波紋管(及控制桿或四連桿)等結(jié)構(gòu)件組成、主要用于吸收軸向與橫向組合位移而不能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖4)。 (5) 復(fù)式技桿型膨脹節(jié) 由中間管所連接的兩個波紋管及拉桿和端板等結(jié)構(gòu)件組成、能吸收任一方向橫向位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)，(見圖5)。 (6) 復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié) 由中間管所連接的兩個波紋管及銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)件組成、只能吸收單方向橫向位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖6)。 (7) 復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié) 由中間管所連接的兩個波紋管及十字銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)件組成、能吸收一方向橫向位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖7)。 (8)彎管壓力平衡型膨脹節(jié) 由一個或中間管所連接的兩個工作波紋管和一個平衡波紋管及彎頭或三通、封頭、拉桿和端板等結(jié)構(gòu)件組成、主要用于吸收軸向與橫向組合位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖8)。 (9) 直管壓力平衡型膨脹節(jié) 由位于兩端的兩個工作波紋管和位于中間的一個平衡波紋管及拉桿和端板等結(jié)構(gòu)件組成、主要用于吸收軸向位移并能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖9)。 (10)外壓單式軸向型膨脹節(jié) 由承受外壓的波紋管及外管和端環(huán)等結(jié)構(gòu)件組成、只用于吸收位移而不能承受波紋管壓力推力的膨脹節(jié)(見圖10） 。 膨脹節(jié)的應(yīng)用示例 不同型式的膨脹節(jié)有不同位移補償功能，在管路設(shè)計中，可以根據(jù)管路的結(jié)構(gòu)及壓力與通徑等參數(shù)綜合考慮給予選型。 軸向位移的補償 圖12是采用單式膨脹節(jié)吸收管線軸向膨脹的一個良好的典型實例。 圖13是采用復(fù)式膨脹節(jié)吸收管線軸向膨脹的一個良好的典型實例。 圖14是采用膨脹節(jié)吸收帶支管的管線的軸向膨脹的一個良好的典型實例。 圖15是采用膨脹節(jié)吸收具有異徑管的管線的軸向膨脹的一個良好的典型實例。 圖16表示一個包含z形管段的管線上使用膨脹節(jié)的方法。 圖17是采用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)吸收管線軸向膨脹的一個良好的典型實例。 圖18表示如何采用直管壓力平衡式膨脹節(jié)吸收長的直管段上的軸向位移。 圖19是采用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)吸收汽輪機、泵、壓縮機等設(shè)備的熱膨脹的一個良好的典型實例。膨脹節(jié)的主要作用是減小作用到設(shè)備殼體上的載荷。 對橫向位移、角位移及其組合位移的補償 在具有橫向位移、角位移及其組合位移的場合，正確選擇和使用膨脹節(jié)需要考慮到管道的構(gòu)形、運行條件、預(yù)期的循環(huán)壽命、管道和設(shè)備的承載能力、可用于支承的結(jié)構(gòu)物等多種因素。在某些情況下，可能有幾種膨脹節(jié)都適合同一項應(yīng)用，這時可以單純根據(jù)經(jīng)濟性來考慮選擇哪一種。然而，更為常見的是在各種可行的設(shè)計之中，應(yīng)考慮到這一種或那一種具有獨到之處，特別適合在某些特定的場合下使用。(1) 單式膨脹節(jié) 圖圖21是采用單式膨脹節(jié)吸收軸向與橫向組合位移的典型實例。 圖22，圖23將圖21中膨脹節(jié)兩端的主固定支架改換為連桿。(2) 萬能式膨脹節(jié) 萬能式膨脹節(jié)特別適合吸收橫向位移。此外，這種設(shè)計形式也可用于吸收軸向位移、角位移以及任意由這三種形式合成的位移。萬能式膨脹節(jié)一般用法是將這種帶連桿的膨脹節(jié)設(shè)置在呈90176。的z型管道的中間管臂內(nèi)，圖24和圖25是兩個應(yīng)用實例。 圖26是在存在軸向與橫向組合位移的場合使用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)的典型實例。 圖27表示在管道轉(zhuǎn)角不等丁90176。時也可以使用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)。 圖28給出一種常見的非常適于使用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)的場合。 圖29給出了在橫向位移較大的場合使用萬能壓力平衡式膨脹節(jié)的實例。(3) 鉸鏈式膨脹節(jié) 鉸鏈式膨脹節(jié)一般以兩、三個作為一組使用，用于吸收單平面管系中一個或多個方向的橫向位移。在這種系統(tǒng)中每一個膨脹節(jié)被它的鉸鏈所制約，產(chǎn)生純角位移。然而，被管段分開的每對鉸鏈式膨脹節(jié)互相配合，能夠吸收橫向位移。給定單個膨脹節(jié)的角位移。每對鉸鏈式膨脹節(jié)所能吸收的橫向位移與其鉸鏈銷軸之間的距離成正比，因此為了使膨脹節(jié)充分發(fā)揮效用，應(yīng)盡量加大這一距離。 膨脹節(jié)的鉸鏈通常用于承受作用于膨脹節(jié)上的全部壓力推力。另外，也可以用于承受管道和設(shè)備的重量、風載或類似的外力。 圖30說明如何用雙鉸鏈系統(tǒng)吸收單平面z形彎管的主要熱膨脹。 如果單平面管系的柔性不足以吸收雙鉸系統(tǒng)的彎曲撓度，或者由彎曲而產(chǎn)生的載荷超過了連接設(shè)備的許用極限，則可采用具有三個鉸鏈式膨脹節(jié)的系統(tǒng)。圖31即表示在單平面Z形彎管中的三鉸系統(tǒng)。豎直管段的熱膨脹將由B和C兩個膨脹節(jié)的動作來吸收。于是，很明顯，膨脹節(jié)B必須能吸收由A和C兩個膨脹節(jié)一起形成的轉(zhuǎn)動。 圖32說明在彎管角度不等于90176。時，使用鉸鏈式膨脹節(jié)的工作原理。在這里只需要使用中間固定支架平面導(dǎo)向支架。 圖33說明連接設(shè)備亦產(chǎn)生平面位移時應(yīng)用鉸鏈式膨脹節(jié)的實例。 圖34給出了設(shè)備與管道連接系統(tǒng)中應(yīng)用鉸鏈膨脹節(jié)的實例。(4) 萬向鉸鏈式膨脹節(jié) 正如鉸鏈式膨脹節(jié)在平面管系中具有很大的優(yōu)越性一樣，萬向鉸鏈式膨脹節(jié)在空間管系中具有類似的優(yōu)越性。萬向鉸鏈式膨脹節(jié)具有吸收任意平面內(nèi)的角位移的能力，常常利用這一點將它們組成一對，用來吸收橫向位移。圖35給出了一個應(yīng)用實例。 如果不可能或不打算利用管道的彎曲來吸收豎直管臂的伸長，則可采用如圖36所示由兩個萬向鉸鏈式膨脹節(jié)和一個鉸鏈式膨脹節(jié)組成的系統(tǒng)。 U形波紋管膨脹節(jié)剛度和應(yīng)力計算 符號說明: Fex 作用在以Dm為直徑的圓周上的軸向力，N。 ex 單波軌向變形量，mm。 h 波紋管的波高，mm。 Dm 波紋管的平均直徑，mm。 q 波紋管的波距，mm。 Dm=Db+h r 波紋管波紋的曲率半徑，mm。 Db 波紋管直邊段內(nèi)徑，mm。 a 波紋管波紋的直線段長度，mm。 δ 波紋管的名義厚度，mm。 δm 波紋管成形后的壁厚，mm。 E 波紋管材料的彈性模量，Mpa。 m波紋管厚度為δ的層數(shù)。 Cm 材料強度系數(shù)，熱處理態(tài)波紋管取Cm=；成形態(tài)波紋管取Cm=。 Cwb 波紋管縱向焊縫。 Cf、Cp、Cd 形狀尺寸系數(shù)，由圖3442求取。 fi 波紋管單波軸向剛度，N/mm。 Kx 膨脹節(jié)整體軸向剛度，N/mm。 Ky 膨脹節(jié)整缽橫向(側(cè)向)剛度，N/mm。 Kθ 膨脹節(jié)整體彎曲(角向)剛度,Km/176。θ。 Ku 計算系數(shù) Ku=(3Lu23LbLu)/(3Lu26LbLu+4Lb2) Lb 波紋管的波紋段長度，mm。Lb=Nq N 一個波紋管的波數(shù)。 Lu復(fù)式膨脹節(jié)中，兩波紋管最外端間的距離，mm。 剛度計算 波紋管單波軸向剛度計算 波紋管的波高與直徑之比較小，如將其展開，可簡化為如圖37(b)所示的兩端受軸向線載荷的曲桿。軸向的總力為Fex。在彈性范圍內(nèi)，利用變形能法可以推導(dǎo)出軸向力與軸向變形之間的近似關(guān)系式(1)。 Fex=[(πDmEδ3)/24C]ex N (1) 式中 C=++ mm3 (2) 則波紋管剛度fi′為 fi′=Fex/ ex (3) 考慮到力學模型的近似性以及波紋管制成后壁厚減薄等因素，對公式（1）進行修正并代入（3）式則得： fi′=()/(h3Cf) N/mm (4) 式中：δm=δ√Db/Dm (5) 對于多層結(jié)構(gòu)的波紋管，其剛度按（6）式計算： fi=()/(h3Cf) N/mm (6) 圖38 系數(shù)Cf 膨脹節(jié)整體彈性剛度計算 （1）軸向剛度 （a）單式膨脹節(jié)整體剛度 Kx=fi/N (7) （b）復(fù)式膨脹節(jié)整體剛度 Kx=fi/2N (8) （2）側(cè)向剛度 （a）單式膨脹節(jié)整體剛度 Ky=()/[LbN(Lb177。X)2] (9) （b）復(fù)式膨脹節(jié)整體剛度 Ky=(KuDm2fi)/[4NLu(LuLb177。X/2)] (10) 側(cè)向剛度計算中，軸向位移X拉伸時取“+”，壓縮時取“”。 （3）整體彎曲剛度 Kθ=（πDm2fi）/（106N） (11) 未加強U形波紋管的應(yīng)力計算 (1)內(nèi)壓引起的周向薄膜應(yīng)力σ2 由圖39可知，當受內(nèi)壓P作用時，在一個U形波的縱截面上的內(nèi)力與作用在半個環(huán)殼上的外力平衡。 4(πr+α)δmσ2=qDmP σ2=(qDmP)/[4(πr+α)δm] MPa (12) 幾何尺寸r、α有如下關(guān)系： r=q/4 α=hq/2 (13) 將（13）式代入（12）式，得周向薄膜應(yīng)力為： σ2=(DmP)/[2mδm(+2h/q)] MPa (14) （2）內(nèi)壓引起的徑向薄膜應(yīng)力σ3 當波紋管受內(nèi)壓P作用時，在以D與Db為直徑的兩個環(huán)形截面上的內(nèi)力與軸向外力平衡，則： π(D+Db)δmσ3=(π/4)(D2Db2)P (15) 因D=Db+2h,代入上式，經(jīng)整理后得： σ3=Ph/2δmm MPa (16) （3）內(nèi)壓引起的徑向彎曲應(yīng)力σ4 在經(jīng)線為半個U形環(huán)殼上切出單位寬度的窄條（見圖40），設(shè)兩端固定，并受