角向型波紋管補償器結構設計

文章來源：http://www.cnsmq.com.cn 發布時間：2020-04-22 瀏覽次數：99

角向型波紋管補償器結構設計，文中以某工程中使用的DN1600雙鉸鏈波紋膨脹節為例。其工作環境為150℃，管線壓力為0.1MPa;補償要求為Y方向擺動3°、Z方向擺動3°。根據技術指標要求，

依據GB/T12777標準設計波紋管幾何尺寸如下:波紋管內徑為1624mm，波高為56mm，波距為70mm，單層壁厚為0.8mm，

層數為3層，波數為4，角向型波紋補償器材料為321。依據GB/T12777標準計算，波紋管應力計算結果如下:

壓力引起的    波紋管補償器直邊段周向薄膜應力σ1=12.534MPa;壓力引起的波紋管周向薄膜應力σ2=18.019MPa;

壓力引起的波紋管子午向薄膜應力σ3=1.187MPa;壓力引起的波紋管子午向彎曲應力σ4=47.623MPa;

位移引起的波紋管子午向薄膜應力σ5=6.284MPa;位移引起的波紋管子午向彎曲應力σ6=1052.704MPa．

波紋管設計溫度下的許用應力［σ］t=137MPa，計算結果滿足:σ1≤［σ］t、σ2≤［σ］t、σ3+σ4≤3［σ］t，滿足使用要求。

2．波紋管補償器萬向環、銷軸設計分析目前，萬向環采用圓形結構的較多，由板料卷制焊接而成，

大直徑卷制圓環校圓精度較低，圓度不易保證，使圓形萬向環上的銷軸孔不能保證圓周均布，

給安裝鉸鏈板帶來不便。同時，受圓形萬向環的圓度影響，圓形萬向環內壁與每個鉸鏈板的間隙不均勻，

在波紋管角位移變形補償時，圓形萬向環內壁與鉸鏈板之間容易干涉，甚至出現“卡死”現象，影響膨脹節旋轉。

為避免這種情況發生，內側鉸鏈板與圓形萬向環之間的間隙設計的要大些，鉸鏈板、

萬向環的寬度越大、膨脹節角位移變形補償量越大，間隙設計要求就越大。

采用方形萬向環結構設計方案時，方形萬向環是由4個板狀零部件焊接而成，

能保證萬向環與鉸鏈板銷軸孔的正確安裝位置。同時由于鉸鏈板與方形萬向環的內壁都為平面結構，

兩件之間的配合間隙可以適當減小。當按照設計間隙正確安裝后，萬向環與鉸鏈板之間相對移動自如，不會出現“卡死”現象。

由此可見，在不銹鋼波紋管補償器參數相同情況下，圓形萬向環的內徑要比方形萬向環的內壁尺寸大。

對大直徑鉸鏈膨脹節結構，當萬向環尺寸增加后，受力狀況更加復雜，并且會產生更大的變形。

因此采用方形萬向環不但可以簡化設計、還可以改善萬向環的受力狀況。由于方形萬向環為零部件焊接結構，

當波紋膨脹節通徑較大時，可以在安裝現場進行萬向環的組焊，以方便運輸。

根據鉸鏈金屬膨脹節設計結構對萬向環進行有限元分析。萬向環與鉸鏈板之間通過銷軸連接，

萬向環除了承受波紋管內壓外，還要承受外部載荷，總拉力為328.985kN．

萬向環的主應力最大值發生在4個側板邊沿中間處，最大值為129MPa．

最大剪切應力位于銷軸與萬向環接觸處，最大值為9.65MPa，見圖2。萬向環的材料為Q345，許用應力［σ］=170MPa，

最大主應力σ1=129MPa＜1.5［σ］，最大剪切應力τ=9.65MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。

由于大直徑金屬波紋補償器內壓較大，同時又受到外載荷的作用，所以在滿足強度要求條件下，

萬向環結構尺寸設計安全系數要高些，以減少萬向環的彎曲變形。

(a)主應力分布圖(b)剪應力圖圖2萬向環應力分布圖每個銷軸由2個鉸鏈板拉動，

鉸鏈板的總拉力為328.985kN，包含了盲板力和外部載荷。對銷軸進行有限元分析，

最大剪應力為9.66MPa，見圖3。銷軸的材料為2Cr13，許用應力［σ］=147MPa，最大剪切應力τ=9.66MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。

圖3銷軸剪應力分布圖2．3鉸鏈板設計鉸鏈板與馬鞍板焊接連接，鉸鏈板承受盲板力與外部載荷，

總拉力為328.985kN．根據設計尺寸對其進行有限元分析，應力最大點位于鉸鏈板銷軸孔徑位置。

波紋管補償器鉸鏈板的材料為Q345，許用應力為［σ］=170MPa，鉸鏈板的拉應力(最大主應力)=86.3MPa＜［σ］，

最大剪切應力τ=48.8MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。根據應力分布情況，制造時要保證馬鞍板和鉸鏈板的焊接強度，保證波紋管補償器運行安全可靠。