膨胀节

发布时间：2016年12月28日   |   阅读次数： 207

膨胀节
膨胀节标准的适用范围与稳定性计算
　　膨胀节是用来吸收大变形的挠性元件，其变形可以是轴向位移、横向位移、角位移或者它们的组合。由于不同行业的要求不一样，标准能适用的膨胀节类型及应用场所也不一样。膨胀节的设计准则
　　一、强度计算
　　1.共同点
　　各国波纹膨胀节标准的设计准则都是用材料力学的方法来建立膨胀节的力学模型，一般将其视为曲梁、环板进行简化计算，并引入一定的修正系数(其系数是由板壳理论推导而来的，各国标准都来自于美国EJMA)对简化公式进行修正。膨胀节中的应力分类及其评定如下：
　　a.内压引起的波壳周向薄膜应力σ1和内压引起的波壳经向薄膜应力σ2均为一次总体薄膜应力，沿厚度方向平均分布，是非自限性的。
　　b.内压引起的经向弯曲应力σ3为一次弯曲应力，同样具有非自限性，但沿着厚度方向线性分布，所以应力沿壁厚方向可以重分布。
　　c.轴向伸缩变形引起的波壳经向弯曲应力σ5为二次应力，具有自限性，是为了满足变形协调而产生的应力，沿壁厚方向线性分布，用安定性来控制。
　　2.不同点
　　不同点表现在以下几方面：
　　a.在对波纹管所受应力进行极限分析时，我国的GB16749-1997以许用应力。
　　b和屈服强度σs作为评定的标准，内压引起的薄膜应力以许用应力作为评定标准，即薄膜应力必须小于许用应力；薄膜应力和弯曲应力之和则必须小于1.5σs。而GB12777、EJMA及JIS都是以许用应力强度S作为评定的标准。内压引起的薄膜应力必须小于应力强度S，而薄膜应力和弯曲应力之和必须小于1.5S(对不带加强的结构)。
　　b.在对波纹管材料热处理的要求上，我国的GB16749-1997规定奥氏体不锈钢必须是软态的，而其他的标准规定的材料可以是热处理态的，也可以是成型态的，这说明我国对压力容器使用的波纹管的材料要求比较单一，偏于保守。
　　c.膨胀节中用于支承推力的元件一般仅设计用于承受管道系统中的压力推力，以及热伸长使波纹管发生伸缩所需要的力。EJMA标准对需要额外考虑的作用力给出了规定：在两个波纹管之间未加支承的接管和隔热层的重量；在运行和/或试验过程中管道系统中所包含的流体重量；风载、地震和/或冲击载荷；绕纵轴的扭转。且在确定上述力和载荷作用的同时，必须考虑温度和流动状态(瞬时和稳态)的影响。
　　二、稳定性计算
　　对稳定性的要求，主要由压杆稳定性理论推广到筒体的稳定性，进而推广到波纹管的稳定性。但由于波纹管结构的特殊性，其失稳形式也有不同，主要有平面失稳和柱面失稳两种形式：平面失稳是指一个或者多个波纹平面发生移动或偏转，波纹所在的平面不再与波纹管的轴线保持垂直，一个或多个波纹出现倾斜或翘曲；柱面失稳是指波纹管的中部整体侧向偏移。平面失稳主要是由于波纹管的经向弯曲应力过大引起的。在工程上，可以将其力学模型看成半个波纹两端固支并承受均布压力载荷的直梁。根据极限分析设计原则，当两端的虚拟应力达到材料屈服强度的1.5倍时，即形成塑性铰，出现平面失稳，此时的压力即为平面失稳的临界压力(简称平面失稳压力)。EJMA考虑了经向薄膜应力对平面失稳压力的影响和初始角位移对柱面失稳压力的影响，而其他标准则没有考虑其影响，然而在实际工程中经向薄膜应力和初始角位移的影响是不可避免的。EJMA对波纹管平面失稳及柱面失稳压力的公式进行了修正，下面对其结果与其他标准计算结果进行比较。
　　本文从标准中波纹管膨胀节的适用范围、结构形式与分类以及设计准则等方面对美国膨胀节标准EJMA、日本膨胀节标准JISB8277及我国膨胀节标准GB16749及GB12777进行简述和对比。GB16749为我国压力容器用膨胀节标准，由于按成型方式分类，膨胀节的选用带有盲目性，同时，因未考虑薄膜应力对平面失稳压力的影响，标准给出的极限设计压力偏高，偏于不保守。GB12777为管道用膨胀节标准，由于没有考虑初始角位移的影响，因此根据弹性柱面失稳计算出的极限设计压力大于EJMA的结果，偏于不保守。
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