膨胀节的计算与设计

一、膨胀节的分类和特点

波纹膨胀节的主要元件是波纹管，利用波纹管易于伸缩变形而起补偿作用。按波纹管横截面可分为U形、Ω形、S形、V形等波纹膨胀节。U形波纹管工艺性好，便于加工，耐压能力和补偿能力较好，无增强U 型波纹管一般适用于压力2.5MPa以下场合。目前，波纹膨胀节绝大多数采用U形波纹管。Ω形波纹管工艺性一般，采用加强环在波谷处加强，适用于压力和温度较高的场合，但补偿能力较差。S形波纹管工艺性较差，制造比较复杂，但不易产生应力集中，波纹管受力状态较好。在既要耐压高，又要求较大位移时，可采用S形波纹管。V形波纹管补偿能力强，可用以吸收超大伸缩，但边角应力较集中，耐压能力差。波纹膨胀节按波纹管层数可分为单层多层波纹膨胀节。单层波纹管由一层管壁组成，容易制造，但补偿能力一般。多层波纹管由多层管壁组成，如同多个薄片弹簧，因而刚度小。与单层波纹管相比，在总的管壁厚度和波形相同条件下，多层波纹管容易变形，补偿能力大。变形所产生的应力较小，疲劳寿命高。因此，它可满足大补偿量与高压力冲击的要求（单层波纹管要求管壁薄，波纹深；多层波纹管要求管璧厚，波纹浅）在一定的工作条件下，即一定的压力、补偿量与疲劳寿命下，多层波纹管比单层波纹管外径较小，长度较短。使得多层波纹膨胀节结构紧凑，可节省材料，制造时成形容易。由于波高小，设置外套筒保护容易，安装支撑和间隔方便。当波纹膨胀节用于腐蚀环境时，多层波纹管只需在内、外层用耐腐蚀材料制造，因而可节省贵重金属。有时为了防腐，内、外层可用较大板厚的材料制造。此外，如果管壁内层由于某一原因，如腐蚀、缺陷、疲劳、安装等而出现裂纹，虽然内层已经泄漏，但其它层仍能起密封作用，这样多层波纹膨胀节不易出现突发性破坏，可延长检修周期。

由于多层波纹膨胀节具有良好的性能，因此在国外已经有了较大的发展。例如美国，日本、德国、英国、前苏联等国家，均已设计、制造与使用。国外制造的多层波纹膨胀节产品，直径已超过4m。美国膨胀节制造商协会标准已将多层波纹膨胀节列入标准。在我国，多层波纹膨胀节也得到了很大的发展，大多数生产厂家采用了多层结构。由于现在国内生产和使用的波纹膨胀节绝大多数都采用U形，下面所谈的主要是U形波纹膨胀节。

二、膨胀节的几种主要计算方法

波纹管的设计计算是一个复杂的弹性力学间题，而且随着波纹膨胀节在管道、设备、装置上日益广泛应用，波纹管的变形不再局限于弹性变形，而且有很大的塑性变形，仅用弹性力学的理论来分析将会产生较大误差。由于波纹管是一个复杂的壳体，其工艺过程及使用条件对性能又有很大的影响，故不可能提出能适应各种条件的工程上实用的计算公式。近些年来，人们作过大量的分析研究和实验验证工作，提出了不少工程设计使用的计算公式和图表但是有的方法由于公式和图表繁复，工程设计使用不方便；也有些假设条件过于简化和理想．与实际应用情况偏差较大，难以保证工程上的安全可靠，均未能为工程界所接受。目前，能够符合工程实用要求的计算方法并不很多，应用较普遍的主要有以下几种方法：

1. 美国膨胀节制造商协会标准计算法（EJMA法）

2. 美国凯洛格公司计算法（KELLOGG法）

3. 日本东洋公司计算法（TOYO法）

4. 前苏联维赫曼等人提出的计算方法（维赫曼法）

5. 前西德AD受压容器规范计算法（AD法）

6. 日本滨田一竹园提出的计算法（滨田一竹园法）