金属波纹管膨胀节设计过程中易忽视的几个问题_姚蓉

金属波纹管膨胀节设计过程中易忽视的几个问题金属波纹管膨胀节设计过程中易忽视的几个问题姚蓉南京晨光东螺波纹管有限公司江苏南京253摘要本文介绍了金属波纹管膨账节设计过程自中易忽视的几个问题包括压力试验工况及短期工况的波纹管强度校核复式膨胀节未身结构静载荷而产生的无约束的非周期性位移的了考虑波纹管柱失稳极限设计压力取值等问题同时提出解决问题的主要处理对策关键词膨胀节波纹管压力试验偶然荷载柱稳定性校核非周期性位移均衡环ＴｈｅｎｅｇｌｅｃｔｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｆｏｒｍｅｔａｌｂｅｌｌｏｗｓｅｘＹａｏＲｏｎｇＡｅｏｓｕｎＴｏａＥｘｐａｎｓｏｎｏｎＣｏＬｄａｎｇｓｕＮａｎｎｇ253ＡｂｒａｃＴｈｓｐａｐｅｄｅｃｂｅｈｅｎｅｇｅｃｅｄｐｏｂｅｍｓｏｂｅｏｗｓｄｅｓｇｎｎｇｗｈｃｈｃｏｎａｎｓｈｅｎｅｎｓｙｅｘａｍｎａｏｎｏｎｂｅｏｗｓｏＰｒｅｕｎｅｄｎｏｎｅｅｎｇｃｏｎｄｏｎａｎｄａｃｃｄｅｎａｏａｄｃｏｎｄｏｎｈｅｃｏｎｓｄｅｒａｏｎｏｈｅｕｎｅａｃｙｃｃｍｏｖｅｍｅｎｓｏａｕｎｖｅｒａｅｘｐａｎｓｏｎｏｎｄｕｅｏｄｅａｄｗｅｇｈｖａｕｅｓｏｍｎｇｎｅｎａｄｅｇｎｐｒｅｓｓｕｅｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｍｎｎｓａｂｙｏｂｅｏｗＴｈｅｐｅｖｅｎｖｅｍｅａｓｕｅａｅｐｕｏｗａｄａｃｃｏｒｄｎｇｏｈｅｄｅｅｎｋｎｄｓｏｐｏｂｅｍｓＫｅｙｗｏｒｄｓＥｘｐａｎｓｏｎＪｏｎｓＢｅｏｗｓＰｅｓｕｅｅｓｎｇａｃｃｄｅｎａＣｏｕｍｎｓａｂｙｕｎｅｒａｎｅｄｎｏｎｃｙｃｃｍｏｖｅｍｅｎｅｑｕａｚｎｇｎｇ刖目金属波纹管膨胀节用以热补偿和增加管道柔性的是利用薄壁波纹的柔性变形来吸收压力管道系统或设备中的热胀冷缩系统振动等同时可承受较高的压力它是压力管道系统或设备中最常用的柔性关键元件所以在金属波纹管膨胀节设计过程中应注意其独特之处膨胀节在设计过程中虽然设计人员以标准规范作为设计依据但常常会忽视标准规范中的某些说明或对些特殊工况设计条件未加以注意这些疏忽之处则可能降低膨胀节承压能力并影响疲劳寿命使波纹管过早发生破坏并由此损坏压力管道系统或设备影响到压力管道系统或设备的安全生产运行给用户带来不必要的损失本文介绍几种膨胀节设计中常被忽视的问题提醒设计人员在膨胀节设计过程中引起重视提高膨胀节设计的安全可靠性25第＋四届全国膨胀节学术会议论文集膨胀节技术进展2波纹管设计时未考虑压力试验工况波纹管设计计算时设计人员通常只考虑设计工况下的应力计算很少考虑试验压力的应力计算在般情况下试验压力不超过设计标准的规定选用的波纹管参数都能满足设计条件的要求但当膨胀节的设计温度高于试验温度时试验压力应按波纹管材料进行温度修正因为温度修正系数的存在在高温工况下工作的膨胀节的试验压力有可能远远高于设计压力甚至是设计压力的倍数按照设计规范的要求设计院用户对带膨胀节的压力管道系统或设备的试验压力的温度修正系数按压力管道系统或设备材料的温度修正系数计算当波纹管材料与压力管道系统或设备材料不致时通常波纹管材料高于压力管道系统或设备材料如波纹管材料为不锈钢压力管道系统或设备材料为碳钢时会出现带膨胀节的压力管道系统或设备的试验压力远高于膨胀节设计压力的试验压力的情况为避免膨胀节在与系统整体试压时出现强度或稳定性问题膨胀节设计者此时应校核波纹管在压力管道系统或设备的试验压力条件下的应力当试验压力在试验温度下产生超过屈服强度的应力时应调整波纹管参数使波纹管在设计工况下能满足性能要求又可以保证压力管道系统或设备试验压力条件的应力不超过屈服强度时的最大应力比如我公司为某石化公司设计制造的用于某压力管道系统的膨胀节的设计条件如下膨胀节设计标准膨胀节公称直径ＧＢ／ＴＤＮ8227Ｈ200800膨胀节设计压力波纹管材质ＭＰａ设计温度425Ｃ36Ｌ管道材质Ｑ245Ｒ表ＧＢ／Ｔ按ＧＢＴ2777200与ＧＢ5025200试验压力计算公式对比00确定膨胀节出厂试验压力的计按ＧＢ000确定带膨胀节的压力管道系统或设备算公式试验压力的计算公式取其中较小值ｐｐｍＰＰ￡＾7ｐ表2按ＧＢ／Ｔ2777200与ＧＢ50235200试验压力计算公式的计算结果对比0按ＧＢＴ008确定膨胀节出厂试验压力的计按ＧＢ00确定带膨胀节的压力管道系统或设备算公式试验压力的计算公式8ＭＰＭＰ从表Ｔ27772可以看出08按ＧＢ50235200确定带膨胀节的压力管道系统或设备试验压力要比按ＧＢ／20确定膨胀节出厂试验压力高37倍按ＧＢ／Ｔ127772008规定出厂的膨胀节在压力管道系统或设备试验压力下已超过膨胀节的屈服强度膨胀节在试验压力下极有可能发生失稳在其他的极限工况当温度修正系数差异超过2倍时膨胀节在压力管道系统或设备试验压力下甚至有可能发生爆破是按通过以上计算对比可以看出如果设计时未校核用户提出的水压试验压力条件下波纹管的应力还ＧＢ／Ｔ27772008确定膨胀节出厂试验压力试验出厂那么在压力管道系统或设备试验压力下波纹管有可能由于应力过大导致出现永久变形或使波纹管丧失稳定性因此膨胀节设计人员在开始膨胀节设计之前应关注设计院用户在设计条件中是否已经提供了压26金属波纹管膨胀节设计过程中易忽视的几个问题力管道系统或设备的试验压力值如果已经提供膨胀节设计时应进行膨胀节在系统试压时的强度校核如果设计院用户在设计条件中未提供压力管道系统或设备的试验压力值膨胀节设计人员应和设计院用户联系获取相关数据后进行强度校核如果已出厂的膨胀节在设计时未考虑到压力管道系统或设备试验压力的差异必要时膨胀节设计人员需与设计院或用户协商将试验压力降至不致造成屈服或丧失稳定性的最大压力3波纹管设计时未考短期高温工况石化行业某些装置的典型高温管道用膨胀节在运行过程中会有窜温现象导致有短时高温工况设计院会在膨胀节规格书中备注短期工况的设计条件但般设计者有可能不会去校核此工况下的波纹管强度仅做长期工况下的波纹管应力计算这是错误的设计在进行膨胀节设计时应尽量考虑到所有的工况包括短期工况确保膨胀节的安全应用膨胀节设计人员在设计有可能在运行过程中会有窜温等短期高温工况的波纹管时应按标准规定对短期高温工况下的波纹管进行强度和疲劳寿命校核同时还要考虑到短时高温工况对外部承力结构件强度的影响确保外部承力结构件在短时高温工况不发生失效避免给压力管道系统运行带来安全隐患4波纹管柱失稳的极限设计压力取值问题膨胀节承受内压过大会使波纹管丧失稳定性即出现屈曲纹管疲劳寿命和承受内压的能力核了屈曲对波纹管的危害在于它会大降低波所以在波纹管应力计算时户定要对波纹管柱失稳及平面失稳进行校设计者通过波纹管计算程序得出这是不对的后直接与设计压力对比认为只要大于设计压力就满足要求因为标准中给出的柱失稳校核公式是建立在膨胀节两端均为刚性支承固定端但实际上膨胀节在压力管道系统中的设置往往不是两端都是固定支架而是有各种形式的支承体系所以在膨胀节的波纹管设计时节进行柱失稳的校核固定／铰支定要考虑膨胀节在压力管道系统中的支承条件从而进步按以下方法对膨胀〇5代＼铰支／铰支固定／〇25固定／横向导向自由〇25＆〇〇6ｉ＼波纹管两端固支时柱失稳的极限设计压力2777ＧＢ／Ｔ2008标准已考虑到此问题对弯管压力平衡型膨胀节平衡波纹管柱失稳极限设计压力的取值专门作了明确规定弯管压力平衡型膨胀节由于结构设计及压力管道系统中的支吊架设置情况其平衡波纹管的支承条件是端固定端横向导向所以设计工况下平衡波的柱失稳极限设计压力是按025＾来取值对于铰链型膨胀节在压力管道系统中设置时也存在类似问题通常情况下铰链型膨胀节的支承条件可以看成其中两件膨胀节端固定端铰支另件膨胀节是两端都是铰支所以笔者建议设计工况下铰链型膨胀节波纹管的柱失稳极限设计压力按5〇25？来取值复式膨胀节未考虑自身结构静载荷而产生的无约束的非周期性位移在般的复式膨胀节设计过程中设计人员只考虑设计院提供的横向位移来对波纹管进行应力计算这对计算结果没有什么影响但当复式膨胀节需吸收较大横向位移而设计较长的中间接管或设置在冷壁管线中需对膨胀节的中间接管做隔热耐磨处理的场合波纹管设计时只考虑设计院提供的横向位移的话是不正确的因为膨胀节中间接管上过大的结构静载荷而产生的无约束非周期性位移会作用到单个波纹管上波纹管吸收的位移超过其设计额定位移而导致波纹管疲劳寿命大为减小甚至过早失效ＥＪＭＡ标准专门在44章节对此进行了阐述对于大口径或中间接管重量较重的复式膨胀节当中27第十四届全国膨胀节学术会议论文集膨胀节技术进展间接管无约束时应按下述公式2计算作用到单个波纹管上的位移然后与设计院提供的位移进行合成后再对波纹管进行应力计算如此设计出的波纹管参数才是正确的能够保证管道系统的安全可靠性公式公式ＷＳ2ｎＮ／适用轴向位移士工〒适用横向位移对于大口径或中间接管重量较重的复式膨胀节为避免中间接管上过大的结构静载荷而产生的无约束非周期性位移导致波纹管应力水平提高降低波纹管的疲劳寿命可以在复式膨胀节的中间接管上增加比例连杆等约束构件6带均衡环的膨胀节未考虑两相邻均衡环间的距离在设计承受高压工况的Ｕ形波纹管膨胀节时需在波纹管根部波谷设置增强部件用以加强波纹管抵抗内压的能力当设计的增强部件为Ｔ型均衡环时部分设计人员有可能只考虑均衡环自身的强度而忽视两均衡环间的间距使膨胀节在系统运行过程中不能吸收预期的位移从而导致系统出现故障所以设计人员定要核算两均衡环间的间距Ａ使其应大于波纹管设计计算出的单波当量轴向位移如图所示确保在波纹管处于变形位置上两个相邻的均衡环之间不会互相干涉Ａ图ＥＪＭＡ带Ｔ型均衡环的膨胀节内容见标准和ＧＢ／Ｔ27772008标准均对此作了规定具体表3膨胀节设计人员在设计中使用带移按表Ｔ3型均衡环时应按表3进行校核间隙对于由几何形状决定的单波最大允许压缩位移和拉伸位ｅ计算对于带Ｔ型均衡环的膨胀节表Ａ间隙应大于和ＥＪＭＡＧＢ／Ｔ27772008标准中提供的公式标准中提供的校核公式ｒＧＢＴ008中提供的校核公式ＥＭＡ沾波纹管轴向压缩时ｎ波纹管轴向压缩时ｇ波纹管轴向拉伸时9波纹管轴向拉伸时7结论5本文通过对以上设计中容易忽视的7个问题进行讨论分析后可以得出以下结论1设计人员在设计工作中应充分考虑金属波纹管膨胀节的设计条件标准要求标准中的相关说明以及膨胀节在压力管道系统中的应用情况72膨胀节的应用不是的与压力管道系统的支撑体系密切相关膨胀节设计者在设计实践过程中对膨胀节及压力管道设计的标准规范应有更充分的理解使膨胀节的设计结果符合相关的标28金厲波纹管膨胀节设计过程中易忽视的几个问题准规范及设计工况要求从而提髙设计结果的安全性和可靠性保证压力管道系统的长周期安全平稳的运行参考文献［］ＥＪＭＡ9ｈ美国膨胀节制造商协会标准2003［2］牛玉华内压膨账节压力试验值确定方法的探讨压力容器增刊2004作者简介姚蓉97女高级工程师主要从事波纹管膨胀节司压力管道及压力管道应力分析设计工作通信地址南京晨光东螺波纹管有限公邮编253联系方式电话0255282652Ｅｍａｙｒｗｅｎｄｙ＠ｓｎａｃｏｍ29