波纹补偿器 金属膨胀节

补偿器简介
[1]补偿器的功能及工作原理
波纹管补偿器习惯上也叫膨胀节、伸缩节，由构成其工作主体的波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法 兰、导管等附件组成。是用以利用波纹管补偿器的弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置，属于一种 补偿元件。可对轴向，横向，和角向位移的的吸收，用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸收振动、降低噪音等.在现代工业中用途广泛。
2.补偿器执行标准：
金属波纹管采用GB/T12777-2008
　　 金属波纹管----补偿器选用U形波，分单层和多层制成，有较大的补偿量，耐压可高达4Mpa，使用温度----1960C一≤450度，结构紧凑，使用 成本低，耐腐蚀，弹性好，钢度值低，允许疲劳度寿命1000次，解决了管道热胀冷缩，位移和机械高频振动与管道之间的柔性联接，广泛用于石油、热力、电 力、煤气、化工等管路上安装。
3.补偿器连接方式：
4.补偿器类型：
　　 补偿器分为轴向型、横向型、角向型三大类型二十多个品种。
　　 轴向型补偿器主要包括：内压式、外压式、复式、平衡式、直埋式补偿器等。
　　 横向型补偿器包括：大拉杆横向补偿器、万向铰链横向型补偿器等。
　　 角向型补偿器包括：铰链补偿器、万向铰链补偿器等。
二.补偿器作用：
　　补偿器也称伸缩器、膨胀节、波纹补偿器。补偿器分为：波纹补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器、方形自然补偿器等几大类型，其中以波纹补偿器较为常用，主要为保障管道安全运行，具有以下作用：
　　 1.补偿吸收管道轴向、横向、角向热变形。
　　 2. 波纹补偿器伸缩量，方便阀门管道的安装与拆卸。
　　 3.吸收设备振动，减少设备振动对管道的影响。
　　 4.吸收地震、地陷对管道的变形量。
　　 方形自然补偿器有两个作用：
　　 1.在管道穿越基础梁或地下室墙的时候，为了避免基础的沉降对管道的压力，需要安装方形补偿器。
　　 2.在热力管道过长的情况下，需要安装方形补偿器来减小‘热胀冷缩’对管道的拉伸。
三.管道的热变形计算：
　　 计算公式：X=a*L*△T
　　 x 管道膨胀量
　　 a为线膨胀系数，取0.0133mm/m
　　 L补偿管线（所需补偿管道固定支座间的距离）长度
　　 △T为温差（介质温度-安装时环境温度）
　　 三.关于轴向型、横向型和角向型补偿器对管系及管架设计的要求
（一）轴向型补偿器
　　 1、安装轴向型补偿器的管段，在管道的盲端、弯头、变截面处，装有截止阀或减压阀的部们及侧支管线进入主管线入口处，都要设置主固定管架。主固定管架要考虑波纹管静压推力及变形弹性力的作用。推力计算公式如下：
　　 Fp=100*P*A
　　 Fp-补偿器轴向压力推（N），
　　 A-对应于波纹平均直径的有效面积（cm2），
　　 P-此管段管道Zui高压力（MPa）。
　　 轴向弹性力的计算公式如下：
　　 Fx=f*Kx*X
　　 FX-补偿器轴向弹性力（N），
　　 KX-补偿器轴向刚度（N/mm）；
　　 f-系数，当“预变形”（包括预变形量△X=0）时，f=1/2，否则f=1。
　　 管道除上述部位外，可设置中间固定管架。中间固定管架可不考虑压力推力的作用。
　　 2、在管段的两个固定管架之间，仅能设置一个轴向型补偿器。
　　 3、固定管架和导向管架的分布推荐按下图配置。
　　 补偿器一端应靠近固定管架，若过长则要按第一导向架的设置要求设置导向架，其它导向架的Zui大间距可按下计算：
　　 LGmax-Zui大导向间距（m）；
　　 E-管道材料弹性模量（N/cm2）；
　　 i-tp 管道断面惯性矩（cm4）；
　　 KX-补偿器轴向刚度（N/mm），
　　 X0-补偿额定位移量（mm）。
　　 当补偿器压缩变形时，符号“+”，拉伸变形时，符合为“-”。当管道壁厚按标准壁厚设计时，LGmax可按有关标准选取。
（二）横向型及角向型补偿器
　　 1、装在管道弯头附近的横向型补偿器，两端各高一导向支座，其中一个宜是平面导向管座，其上、下活动间隙按下式计算：
　　 ε-活动间隙（mm）；
　　 L-补偿器有效长度（mm）；
　　 △Y-管段热膨胀量（mm）；
　　 △X-不包括L长度在内的垂直管段的热膨胀量（mm）；
　　 2、角向型补偿器宜两个或三个为一组配套使用，用以吸收管道的横向位移，对Z形和L形管段两个固定管架之间，只允许安装一个横向型补偿器或一组角向型补偿器。此时平面铰链销的轴线必须垂直于弯曲管段形成的平面（万向铰链补偿器不受此限制）。
　　 装有一组铰链补偿器的管段，其平面导向架的间隙ε亦可按上式计算。但是L长度应为两补偿器铰链轴之间的距离，△X是整个垂直管段的热膨胀量。
　　 3、补偿器两侧的导向支座应接近补偿器，支座的型式应使补偿器能定向运动。
三.供热管道直埋式补偿器安装要求
　　 （一）用途：
　　 直埋式波纹补偿器主要用于直埋管线的轴向补偿，具有抗弯能力，所以可不考虑管道下沉的影响，产品具有补偿量大，寿命长的特点。
　　 （二）使用说明：
　　 直埋式波纹补偿器主要适用于轴向补偿，同时具有超强抗弯能力，所以不考虑管道下沉的影响。直埋式波纹补偿外壳及导向套筒保护下实现自由伸缩补偿，其它性能跟普通波纹补偿器相同。
　　 （三）选用与安装：
　　 3.1管道Zui大安装长度计算
　　 有补偿直埋的管道应在二处高固定点，一是在直管段的端部，二是在管道的分支处。长的无分支的直线管道两补偿器之间可以不设固定点，靠管道自然形成的“驻 点”即可发挥固定点的作用。驻点是两补偿器之间管道的那个不动点，在管径相同，埋深一致时，驻点与两补偿器间的距离相等。褡补偿器（包括转角处自然补偿 器）至固定点之间的距离不得超过管道的Zui大安装长度Lmax，管道Zui大安装长度的定义是固定点至自由端（补偿器）的长度，在此长度下产生的摩擦力不得超过 管道许用应力下相应的弹性力。
　　 Lmax按下式计算：
　　 常用管道的Zui大安装长度Lmax。应考虑16kgf/cm2内压力所产生的环向应力的综合影响。
　　 3.2固定支座的设计计算
　　　具有2个管道分支并在主干线上有一处转角管道平面，补偿器的布置应满足Ln＜Lmax的条件。 驻点G1、G2的推力为零，所以，此点处不必设置固定支座，但为了防止回填土的不均匀，埋深的不一致和预制保温管外壳粗糙度的不规则等可能会造成驻点的漂 移，所以，对处于驻点位置的管道分支处G1、G2需设置支座，以G1为例其轴向推力可按下式计算：
　　 F1=Pb2+L2f-0.8(Pb3+L2f)
　　 式中F1-固定支座G1的水平推力，kgf； f-管道单位长度摩擦力，Kgf/m
　　 Pb2-B2膨胀节的弹性力，Kg； Pb3-B3膨胀节的弹性力，Kgf
　　 k2-B2膨胀节的刚度，Kgf/mm；
　　 △L2-B2膨胀节的补偿量，mm；
　　 L2-膨胀节至G1的距离，m；
　　 假如某一分支如自G2接出的分支带有补偿器B。那么，G2还受到一侧向推力的作用，如图中的F2（y），当L5很短（实际布置时L5也应很短），那么，侧向力F2（y）的大小为：
　　 F2(y)=Pn*A5+Pb5
　　 式中Pn-管道工作压力，Kgf/cm2
　　 A5-B5膨胀节的有效面积，cm2；
　　 Pb5-B5膨胀节的弹性力kgf。
　　 固定支座G3也驻点位置，从管道和土壤的摩擦力来讲，该点也受到大小相等，方向相反的两个时作用，但应注意到该点同时又受到转角处的盲板力的作用，考虑驻点漂移的影响，固定支座G3的推力
　　 F3=1.2Pn*A4
　　 式中F3-作用在固定支座G3的水平推力，Kgf；
　　 Pn-管道工作压力，Kgf/cm2；
　　 A4-B4膨胀节的有效面积，cm2。
　　 3.3补偿器的选用计算
　　 直埋管道由于土壤摩擦力的影响,实际热伸长量要比架空和地沟敷设的管道热热伸长量要小。
　　 架空和地沟敷设时的伸长量：α·△t·L
　　 直埋敷设时，因土壤摩擦力影响的热伸长减少量：
　　 实际热伸长量为：
　　 式中E-钢管弹性模理，kgf/cm2；
　　 α-钢管的线膨胀系数，取0.0133mm/m℃；
　　 △t-管道温差；
　　 A、f-同公式①；
　　 L-两固定点之间的距离（Zui大安装长度）m。
　　 在实际工作中，直埋管道的热伸长量，采用丹麦摩勒公司的简化算法。
　　 式中符号同以上公式相同。
　　 按②或③式计算出实际热伸长量后，按系列表选用相应的补偿器。
　　 3.4安装
　　 直埋式膨胀节（不包括一次性直埋式）安装时应有两个后年度护圈（如下图），且护圈的壁厚不应小于管道的壁厚，设置护圈1的目的是为管道受热膨胀时，A尺寸范围内有土、砂等进入，图中的各尺寸为：
　　 直埋式波纹补偿器出厂时，所有外露表面已刷防锈漆两遍，直埋式波纹补偿器及其直埋管道的其它要求为：
　　 （1）保温管埋于地下时，四周需用粒度小于20毫米的砂子填充，然后再覆盖原土，填充砂子的厚度不小于200毫米。
　　 （2）保温管顶的埋深一般不超过1.2米，但也尽量不要小于0.7米，，保温管可直接埋在各种管道下面。
　　 （3）如图，除A处外，其余均保温，因管道膨胀时A处不保温并不会造成显著的热损失。也是由于护圈的作用，直埋补偿器可以直埋处于车行道下面。
　　 （4）直埋式补偿器安装不必冷紧，也不必按全线钢管接好后再割下和膨胀节等长管道之后再焊接的方法。使用直埋型膨胀节，不必设导向支架。
　　 （5）安装时要注意保证导流套筒的方向与流动方向的一致。
　　 （6）补偿器内介质应进行除游离氧和除氯离子处理，氯离子含量不得超过25PPm。
　　 （7）补偿器允许不超过1.5倍公称压力的系统水压试验。
　　 （8）补偿器安装完毕进行系统水压试验前，要将管道两端固定，防止内压推力拉伸补偿器。
四.补偿器安装和使用要求
　　 1、补偿器在安装前应先检查其型号、规格及管道配置情况，必须符合设计要求。
　　 2、对带内套筒的补偿器应注意使内套筒子的方向与介质流动方向一致，铰链型补偿器的铰链转动平面应与位移转动平面一致。
　　 3、需要进行“冷紧”的补偿器，预变形所用的辅助构件应在管路安装完毕后方可拆除。
　　 4、严禁用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装超差，以免影响补偿器的正常功能、降低使用寿命及增加管系、设备、支承构件的载荷。
　　 5、安装过程中，不允许焊渣飞溅到波壳表面，不允许波壳受到其它机械损伤。
　　 6、管系安装完毕后，应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色辅助定位构件及紧固件，并按设计要求将限位装置调到规定位置，使管系在环境条件下有充分的补偿能力。
　　 7、补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。
　　 8、水压试验时，应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动。对用于气体介质的补偿器及其连接管路，要注意充水时是否需要增设临时支架。水压试验用水清洗液的96氯离子含量不超过25PPM。
　　 9、水压试验结束后，应尽快排波壳中的积水，并迅速将波壳内表面吹干。
　　 10、与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯离子。
　　 补偿器产品分类：QB型球补偿器，DSB-I、II型、单向自导式伸缩补偿器，JTW型通用软管，不锈钢减震波纹补偿器，直埋式波纹补偿器，FUB风道补 偿器，轴向型外压式波纹补偿器JZW型，铰链横向型JJH、万向铰链JWJ型补偿器，轴向型内压式波纹补偿器JDZ型，三维补偿器。
　　 [补偿器]浅析波纹管补偿器失效原因 波纹管补偿器之所以能够在许多行业中得到广泛应用，除具有良好的补偿能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节 来保证的，任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效。作者经过多年统计发现，造成波纹管补偿器失效的原因：设计占10%，制造厂家偷工减料占 50%，安装不符合设备说明要求占20%，其余由运行管理不当引起。
　　 2、波纹管补偿器的失效类型及原因分析
　　　2.1 失效类型
　　 波纹管的失效在管线试压和运行期间均有发生。管线试压时出现问题主要有三种类型：由于管系临时支撑不当，或管系固定支架设置不合理，导致支架破坏，波纹管过量变形而失效；由于波纹管设计所考虑的压力或位移安全富裕度不够，管线试压时波纹管产生失稳变形失效；补偿器制造质量问题，制造厂偷工减料，5层不锈钢私自改为3层或更少。
　　 波纹管在运行期间的失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式，其中以腐蚀失效居多。从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现，腐蚀失效通常分点腐蚀穿孔和应力腐蚀开裂，其中氯离子应力腐蚀开裂约占整个腐蚀失效的95％。波纹管失稳有强度失稳和结构失稳两种类型，强度失稳包括内外压波纹管平面失稳和外压波纹管周向失稳；结构失稳是内压波纹管补偿器的柱失稳。
　　 2.2 设计疲劳寿命与稳定性及应力腐蚀的关系
　　 波纹管的设计主要考虑耐压强度、稳定性和疲劳性能等三个方面的因素。虽然国家标准和美国EJMA标准对这几方面的计算和评定都有明确的规定，但从多年的应 用实践和波纹管失效分析中发现，标准中给出的关于稳定性的计算和评定方法不够全面，且疲劳寿命也仅给出了比较粗的界限范围（平均疲劳寿命在 103～105适用）。有时一个完全符合标准要求的产品，在实际使用时也会出现一些问题。如内压轴向型补偿器预变位状态在压力试验时波纹管易产生平面失 稳，大直径外压轴向型补偿器全位移工作状态波纹管易产生周向失稳，小直径复式拉杆型补偿器、铰链型补偿器全位移工作状态易产生柱失稳。波纹管过大的变形不 仅对其稳定性造成影响，还会为应力腐蚀提供有利的环境条件。
　　 2.2.1 波纹管疲劳寿命与其综合应力 波纹管的补偿量取决于其疲劳寿命，疲劳寿命越高，波纹管单波补偿量越小。为了降低成本，提高单波补偿量，有些生产厂家将波纹管的许用疲劳寿命降得很低，这 样会导致由位移引起的波纹管子午向弯曲应力很大，综合应力很高，大大降低了波纹管的稳定性。表1给出了无加强U形波纹管许用疲劳寿命与子午向综合应力及单 波补偿量之间的关系。
　　 2.2.2 波纹管的综合应力与其耐压强度 由标准中给出的波纹管平面稳定性和周向稳定性的计算方法和评定标准可以看出，二者反映的均为强度问题。当波纹管设计的许用寿命较低时，不仅其子午向综合应力较高，环向应力也比较高，使波纹管局部很快进入塑性变形，导致波纹管失稳。
　　 对于内压波纹管，位移应力在波纹管波峰和波谷处形成塑性铰，再加上压力应力，波纹管很快产生平面失稳。这就是低疲劳寿命波纹管在位移条件下平面失稳压力远低于高疲劳寿命的波纹管的根本原因。例如在预变位状态下，即波纹管位移量为许用值的1/2时，一个许用疲劳寿命为200次的波纹管，尚未达到其允许设计压力时，已经产生平面失稳；许用疲劳寿命为1000次的波纹管，达到设计压力时，波纹管处于平面稳定状态，达到1.5倍设计压力时，波纹管处于临界失稳状态；许用疲劳寿命为2000次的波纹管达到设计压力1.5倍时，波纹管仍处于平面稳定状态。
　　 从外压波纹管纵向剖面看，相当于一个受压力的拱梁，工作时波纹管处于拉伸状态，相当于拱梁降低了拱高，其抗失稳的能力自然降低。当波纹管单波位移过大时，波纹平直部分倾斜，使得波纹管波峰直径有缩小的趋势，但波峰圆环直径是确定的，为了协调变形，就会产生波峰塌陷，波纹管周向失稳。在国内外相应的标准中，关于位移对波纹管外压周向稳定性的影响均未涉及，有待于深入探讨。
　　 ，虽然至今为止在热力管网的应用过程中尚未发现由疲劳而引起的破坏，但波纹管过低的设计疲劳寿命，将会导致灾难性的后果。
　　 2.2.3 补偿器位移与其柱稳定性 对于复式拉杆型和铰链型补偿器，横向位移是由波纹管角变位引起中间管段倾斜实现的。当波纹管产生角变位时，波纹管凸出侧承压面积大于凹陷侧承压面积，导致 补偿器附加了一个横向力，较之轴向型补偿器更易产生柱失稳。显然波纹管单波位移越大，补偿器横向位移越大，越易产生柱失稳。
　　 　3、波纹管补偿器的可靠性
　　　波纹管补偿器的可靠性是由设计、制造、安装及运行管理等多个环节构成的。可靠性也应该从这几个方面进行考虑。
　　 3.1 可靠性设计
　　 3.1.1 材料选择 对用于供热管网的波纹管的选材，除应考虑工作介质、工作温度和外部环境外，还应考虑应力腐蚀的可能性、水处理剂和管道清洗剂对材料的影响等，并在此基础上 结合波纹管材料的焊接、成型以及材料的性能价格比，优选出经济实用的波纹管制作材料。
　　 一般情况下，选用波纹管的材料应满足下列条件：（1）良好的塑性，便于波纹管的加工成形，且能通过随后的处理工艺（冷作硬化、热处理等）获得足够的硬度和 强度。（2）高弹性极限、抗拉强度和疲劳强度，保证波纹管正常工作。（3）良好的焊接性能，满足波纹管在制作过程中的焊接工艺要求。（4）较好的耐腐蚀性 能，满足波纹管在不同环境下工作要求。大多数生产厂家都采用奥氏体不锈钢，如材料牌号为0Cr18Ni9（相当于304）、00Cr19Ni10（相当于 304L）、0Cr17NiMo2（相当于316）、00Cr17Ni4Mo2（相当于316L）。为了提高波纹管的耐蚀性，现供热管网波纹管的用材多选 用316或316L，这两种材料用于热力管网应该是性能价格比较为优良的材料。
　　 对于地沟敷设的热力管网，当补偿器所处管道地势较低时，雨水或事故性污水会浸泡波纹管，应考虑选用耐蚀性更强的材料，如铁镍合金、高镍合金等。由于此类材料价格较高，在制造波纹管时，可以考虑仅在与腐蚀性介质接触的表面增加一层耐蚀合金。
　　 3.1.2 疲劳寿命设计由波纹管补偿器的失效类型及原因分析可以看出，波纹管的平面稳定性、周向稳定性及耐腐蚀性能均与其位移量即疲劳寿命相关。过低的疲劳寿命将会 导致波纹管稳定性及耐蚀性能下降。根据试验和使用经验，用于供热工程的波纹管疲劳寿命应不小于1000次。
　　 大多数波纹管的失效是由外部环境腐蚀造成的，因此在进行补偿器的结构设计时，可考虑隔绝外部腐蚀介质与波纹管的接触。如对于外压轴向型补偿器可在出口端环 与出口管之间增加填料密封装置，其作用相当于套筒补偿器，既可抵挡外部腐蚀介质的侵入，又给波纹管补偿器增加了一道安全屏障，即使波纹管破坏，补偿器还可 以起到补偿作用并避免波纹管失效。
　　 3.2 保证安装质量
　　 波纹管不能承重，应单独吊装；除设计要求预拉伸或冷紧的预变形量外，严禁用使波纹管变形的方法来调整管道的安装偏差；安装过程不允许焊渣飞溅到波纹管表面 和受到其他机械性损伤；波纹管所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动部位正常工作；水压试验用水须干净、无腐蚀性，对奥氏体不锈钢材质应严格控制水 中氯离子含量不超过25×10-6，并应及时排尽波纹中的积水等。
　　 4、结束语
　　　补偿器存在的问题主要有波纹管的稳定性及腐蚀。通过合理的设计波纹管波形参数和疲劳寿命、安装正确及管系应力分析完善等措施，可以解决波纹管的稳定性问题。对于腐蚀问题，可以通过两种方式解决：
　　 （1）合理的波纹管选材和补偿器结构设计，阻断腐蚀源。
　　 （2）加强小室积水管理，从根本上解决腐蚀问题。