金属波纹管膨胀节是近十几年来在我国广泛应用的一种管道补偿构件,特别在电力,石化,供热,钢铁,城建等领域应用最为广泛。其作用是在动力或热力管网中,设备和管路,设备与设备之间的连接中起补偿作用,同时也承受系统压力。波纹管膨胀节以它的轴向伸缩或角度变化来补偿管或路系统设备因温差（或机械运动）造成的位置移动,消除设备开车,停车或正常运行条件下的振动。采用波纹管膨胀节来补偿这些管路的膨胀比传统的补偿方法有明显的优点,波纹管膨胀节占地面积小,密封性能好,不易泄露,补偿能力大。所以,近年来工厂的动力管网和城市的集中供热管网中大量的使用波纹管膨胀节。
（1）波纹管补偿器也称伸缩节,膨胀节,主要为保障管道安全运行,是一种挠性,薄壁,有横向波纹的具有伸缩功能的器件,主要弹性元件为不锈钢波纹管,依靠波纹管伸缩,弯曲来对管道进行轴向,横向,角向补偿。其作用可以起到： 1.补偿吸收管道轴向,横向,角向热变形。 2.吸收设备振动,减少设备振动对管道的影响。 3.吸收地震,地陷对管道的变形量。
波纹管补偿器是由金属波纹管与构件组成。波纹管补偿器的工作原理主要是利用自身的弹性伸缩功能,补偿管道由于热变形,机械变形和各种机械振动而产生的轴向,角向,侧向及其组合位移,补偿的作用具有耐压,密封,耐腐蚀,耐温度,耐冲击,减振降噪的功能,起到降低管道变形和提高管道使用寿命的作用。
金属波纹管补偿器的设计,制造,安装和运行管理等多个环节组成。因此可靠性也应该从几方面考虑。选择在波纹管在供热管网选择使用的材料,除了它的工作效率,也应考虑它的介质,工作温度和外部环境,我们也必须考虑到的应力腐蚀,水处理剂,清洗管道的可能性影响材料,并在此基础上,与波纹管材料,焊接,成型,材料成本和性能,指出了材料的经济和实际生产优化波纹管。
在正常情况下,用金属波纹管补偿器材料应当符合下列条件：
1）高弹性极限,抗拉强度和疲劳强度,以确保波纹管工作。
2）良好的可塑性,以方便补偿器成型加工,并通过随后的处理过程（加工硬化,热处理等）,以获得足够的硬度和强度。
3）良好的耐腐蚀性能,以满足波纹管的工作在不同的环境要求。
4）良好的焊接性能,以满足在焊接工艺要求生产过程中波纹管。
波纹管补偿器的应用：
1,变形与变形量大而空间位置受到限制的管道。
2,变形与位移量大而工作压力低的大直径管道。
3,需要限制接管负载的设备。
4,要求吸收或隔离高频机械震动的管道。
5,要求吸收地震或地基沉降的管道。
6,吸收管道泵出口震动。
（2）金属波纹管种类：有碳钢的,不锈钢的,也有钢质衬朔的,铝质的等等,因其用途不同而选择不同的金属材料。因其材质不同,故所加工制作的金属波纹管性能及用途也有所不同。
材质及特性：
黄铜波纹管 H80 H -60℃～ 100℃ 弹性较低,迟滞和后效较大,钎焊性较好。可用于非腐蚀介质和精度不高的仪器仪表中作为测量元件。
锡青铜波纹管 QSn6.5～0.1 X -60℃～ 100℃ 弹性,强度和耐蚀均好,迟滞和弹性后效较小,钎焊性较好,广泛用作测量元件。
铍青铜波纹管 QBe2 P -60℃～ 150℃ 具有很小的迟滞和弹性后效,很高的弹性稳定性,耐腐蚀,无磁性。多用于高精度的测量仪表中。
不锈钢波纹管 1Cr18Ni9Ti G -194℃～ 400℃ 具有很高的弯曲疲劳强度和耐蚀性,焊接性能良好。可用作腐蚀性介质中的测量,密封,连接和补偿元件。
作为敏感元件,减震元件,补偿元件,密封元件,阀门元件及管路连接件的金属波纹管,广泛应用于自动控制和测量仪表,真空技术,机械工业,电力工业,交通运输及原子能工业等领域。
金属波纹管是一种外形像规则的波浪样的管材,主要由波纹管部分和两端配合连接部分所组成,主要用于需要很小的弯曲半径非同心轴向传动,或者不规则转弯,伸缩,或者吸收管道的热变形等,或者不便于用固定弯头安装的场合做管道与管道的连接,或者管道与设备的连接使用。
金属波纹管的主要技术参数：
功能参数
它们是金属波纹管类弹性元件的主要功能指标,是判定波纹管类组件能否应用的重要判据。这类参数除给定一个额定值外,还要给定一个允差范围（界限值）,以保证弹性元件使用的可靠性。
质量参数
在金属波纹管类组件使用时并不涉及此类参数,只有在弹性元件性能检测与质量评定时才直接测量这些参数。根据测试结果,来判定元件的功能,质量,失效性和可靠程度。
载荷
作用在金属波纹管及其它弹性元件上的各种预期的负荷值,如集中力F,压力p 和力矩M 等。在金属波纹管类弹性元件使用时,除给定施加的载荷值外,还须给定载荷的作用方向及作用位置。对于压力载荷,还要说明弹性元件是承受内腔压力或外腔压力。
公称载荷
金属波纹管及其它弹性元件在正常工作条件下允许使用的最大载荷值或满量程值。它通常是预期的设计值,或是对产品原型经过实际检测后再经修定的设计值。
行业标准以及国家的相关规定 ：符合GBT9647-2003国家标准,《预应力混凝土桥梁用金属波纹管》JG225-2007。
不锈钢金属波纹管管坯采用薄壁不锈钢带焊管进行波形加工而成,是金属软管,波纹管,波纹管补偿器,波纹管管坯,汽车排汽管,高压胶管,电缆穿线管等管体最佳的配套产品,光亮柔软,质量可靠,规格齐全。产品耐腐蚀,外形光洁美观,可提高软管成品的承压力,耐高低温力,延长管体的使用寿命,降低成本,广泛用于机械,化工,冶金,建筑等各行业。
预应力金属波纹管主要有两种材质组成,一种是黑色的钢带,一种是镀锌的钢带,应用于公路桥梁,铁路桥梁,建筑水利,电力等国家重点工程。预应力金属波纹管的加工工艺主要是用波纹管的机器加工,波浪形的端口,相互的咬合,一圈一圈的制作而成。
预应力金属波纹管的产品性能：
1,刚性试验：抗集中载荷0.75KN或均布载荷1.5KN时,径向变形≤0.1d。
2,抗渗试验：灌水或水灰比为0.5的水泥浆30分钟无漏水,漏浆。
3,抗拉实验：轴向拉力5KN管壁无损坏。
4,抗拔实验：埋设在混凝土中抗拔力为地脚螺栓设计抗拔力为地脚螺栓设计抗拔力的2.3倍以上。
5,抗弯实验：弯曲度为曲率半径的30d时,无漏水,漏浆。
金属波纹管的使用寿命:
是指在工作条件下使用时,能够保证正常工作的最短工作期限或循环次数。它的额定寿命是在产品设计时定出的预期使用寿命,要求在这段时期内波纹管不允许出现疲劳,失效,损坏等现象。用波纹管组成的弹性密封系统,经常在承受较多循环次数的变动载荷和较大位移条件下工作,金属波纹管的疲劳失效将使系统失效,因此保证波纹管的使用寿命具有重要意义。
传统的寿命主要是利用EJMA标准中的经验公式进行估算的方法来获取。这种计算方法偏差很大,而且复杂工况下寿命往往只能靠安全系数来修正,不能很好地满足工程应用的需要,因此,需要找到一种更先进的寿命分析方法来进行金属波纹管疲劳寿命分析。文中主要针对u型金属波纹管的疲劳寿命分析来进行研究。
1有限元分析方法和解决方案
MSC．Fatigue软件是一个通用性很强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工具,可用来灵活地预测各种复杂零件和结构的疲劳寿命,能够很好地预测出波纹管寿命次数。材料失效前所经历的循环次数不同,高于l0次的为高周疲劳区,低于l0次的为低周疲劳区中,a,=10,a=10。JS表示应变／?Y力,低周疲劳时纵坐标为,高周疲劳时纵坐标为S．高周疲劳主要用全寿命法进行分析,而低周疲劳主要用初始裂纹法来进行分析。波纹管的寿命次数一般在l0～l0次之间,一般同时采用全寿命法和初始裂纹法2种方法来进行分析,然后取其最小值。该次分析实例的疲劳寿命次数在l0次以内,只需采用初始裂纹法分析即可。初始裂纹分析方法通常是基于应变寿命曲线(E—N曲线)理论来进行寿命分析。S—N＆E—N曲线在高周区域重合,因为名义应力是线性的。E—N曲线可以用于低周疲劳区,S—N曲线不能,因为线性应力／应变关系无效。
2疲劳分析模型的创建
波纹管疲劳失效指的是波纹管在特定载荷和工况下往复运动从而出现裂纹,破裂和泄漏等现象。以4层波纹管为例进行寿命分析,材料为304SS(0Crl8Ni9),波纹数为9,几何尺寸。
2．1读入模型和前处理结果
在Fatigue软件中,需要通过前处理软件分析出波纹管的应力和应变分布结果,然后根据该结果进行寿命分析。前处理过程的分析非常关键,一般应力或应变和真实值相差10％,寿命就会偏差50％一100％。文中采用二维轴对称模型进行分析,前处理软件采用的是MSC．Mare,对波纹管施加内压至16．5MPa,然后保持不变,压缩波纹管,位移为4mm．是读入模型后的应变结果图．
在压缩4mm和内压16．5MPa的共同作用下波纹管的最大应变为0．0534,波谷外层为应变最大的位置,以此为基础进行金属波纹管疲劳寿命分析。
2．2设置疲劳分析参数
2．2．1总体设置．有限元软件中的菜单命令Analysis选用E—N方法Initia—tion；F．E．Results选用Strain作为主要失效形式。从一系列的LCF试验中可以获得应变寿命的关系,它可以用Coffin-Manson-Basquin方程来描述。
为总体应变；6pl为塑性应变；6el为弹性应变；s为疲劳延性系数；Ⅳf为失数循环次数；E为弹性模量；tf为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；c为疲劳延性指数；s为应变幅。
其中,Basquin指出高周疲劳,其疲劳寿命跟弹性应变之间符合幂函数关系,Coffin和Manson对于低周疲劳和塑性应变,得到同样的结果,把两者加在一起,就可以得到全应变和疲劳寿命的关系(包括低周和高周疲劳)．
2．2．2设置位移变化谱
波纹管在寿命试验时,处于一个压缩循环的过程中,故位移变化谱应该为一个三角波,波峰位置为压缩4mm时刻波纹管位移变化波谱．
2．2．3关联有限元载荷工况与时间历程
将波纹管压缩4朋时刻的工况作为疲劳分析时的载荷工况,此时波纹管所承受的应力和应变均处于最大时刻O需将随时间变化的位移谱与有限元载荷工况关联起来,从而模拟出波纹管往复压缩4mm这一虚拟过程。
2．2．4设置材料信息
Fatigue软件中提供了大量的材料数据库,常用材料参数均可在里面获取,对于特殊材料产品的寿命分析需要做相关材料的疲劳试验,从而获取对应的s—N曲线和E—N曲线。由于该波纹管采用的材料为304SS,在Fatigue的材料数据库中可以查到,直接调用即可,是304SS材料对应的E—N曲线．
在选择材料的同时,需选择波纹管的表面光洁度和表面处理形式,使之与真实的环境更加接近。
2．2．5设置求解参数
分析方法选择S—W—T方法,即Smith—WatsonTopper法,它是用一个包含每个循环的最大应力和应变损伤参数来修正平均应力,从而更加准确的模拟出波纹管的疲劳过程。其力学模型为一s=(2Ⅳf)。 fsrf(2Ⅳf)¨。式中为最大应力。
基于该模型可知,S—W—T方法在受拉时趋于保守,在受压时趋于非保守。
在Stress／Strain结合选项中可以根据该产品的主要失效形式来进行选择。分析中采用的是最大绝对主应力和主应变方式来进行分析,它是对该类型波纹管寿命影响最大的参数。
3计算结果
参数设置完之后进行疲劳分析,然后调用所生成的结果,就可以在结果查看选项中读取需要的疲劳结果。可以得出,波纹管的最小寿命为6080次,位于波谷的最外层,而波纹管的波峰处大部分处于无限寿命区。在试验验证中,波纹管的裂纹主要产生在波谷处,软件分析和试验验证的结果基本一致。
4结论
根据应变分析计算结果,第一主应变的极值位于波纹管波谷的外层,该部位应是疲劳寿命的控制部位。采用MSC．Fatigue进行疲劳分析,疲劳寿命分布图,最小寿命为6080次,也位于波纹管波谷的外层,与第一主应变的最大位置相对应。
金属波纹管试验验证寿命为4000～5000次,在波谷处出现了裂纹,而波纹管的其他位置未发生损坏。金属波纹管疲劳寿命软件分析的结果与试验验证对比,误差在20％一40％之间,且薄弱位置与试验验证一致,精度大大高于经验公式的计算结果。
通过有限元来进行波纹管疲劳分析能够提供零部件表面的疲劳分布图,可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置,通过修改设计,可以避免不合理的寿命分布。因此,有限元分析方法能够减少试验样件的数量,缩短产品的开发周期,提高波纹管的设计水平,确保金属波纹管的设计寿命。
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