波紋管(一種橫截面為波紋狀的圓柱形薄壁殼體)

波紋管是一個具有多個橫向波紋的、薄壁、圓柱形折皺殼體,它能在外部壓力或自身彈力的作用下進行伸縮,並起輔助密封作用。波紋管於1900年在美國一家公司被設計製造。波紋管結構簡單、彈性好、耐壓性強、密封性好、變形小,適用範圍廣。在工業生產中,一般用作管道連接和防震補償等,例如在液壓機械中,波紋管可用於傳遞液態介質;在汽車製造中,波紋管可以用作排氣管的柔性連接部件;在航空航天領域,波紋管可用於火箭發動機的推進管路和燃油管路。

發展歷程

最初的波紋管是人們用獸皮縫合成管狀的結構,經過相當長的時期,到十七世紀末葉,荷蘭的萬·德爾蓋金兄弟製成了縱向縫合的帆布軟管,1885年勒瓦爾(Levavssewr)和威茲曼(Witzenmann)在巴黎附近呂埃爾(Ruevl)地區的戎歇爾(Jonhere)工廠試製成功了「互相連接的金屬管」。世界第一次出現了柔性金屬管,這種柔性金屬管還不是波紋管。但金屬材料經特殊加工和幾何形狀的變化可以成為柔性管的理論與實踐,為波紋管的誕生奠定了基礎。真正意義上的第一個波紋管是於1900年由美國Badger公司在馬薩諸塞州坎布里奇工廠設計製造的。

第一個金屬波紋管是在1920年製成,所用材料是鋼和托姆巴克(tombac)。這種波紋管(又稱膜盒)仍不能用於管道波紋補償器的製作。直到1952年採用不鏽鋼材料製作的單層和雙層波紋管獲得成功,才開始了波紋管式補償器的發展。1995年美國膨脹節製造商協會(EMJA)成立和1958年該協會技術委員會制定了第一個EMJA標準后,使得世界各工業發達國家的波紋管在波紋管理論研究、生產工藝技術和波紋管試驗技術上都有了高速發展。

中國波紋管研製始於20世紀50年代,幾乎與日本同時起步,但日本金屬波紋管行業很快形成專業化、商品化,而中國金屬波紋管的專業化、商品化則進展緩慢,波紋管早期在中國被稱為膜盒,做為敏感元件或彈性密封元件最早被用在儀器儀錶、特殊閥門和壓調器上。

20世紀60年代初,中國為滿足航天事業發展的需要,國防部五院一分院和首都機械廠研製成功了管道用波紋管,其它各工業領域為滿足本系統產品配套的需要,也相繼開始自行研製金屬波紋管,其中南京晨光機器廠、船舶工業部的七二五所和上海異型鋼管廠生產的波紋管具有代表性。1967年中國第一條金屬軟管和小型波紋管專業生產線建成,除滿足本系統單工產品配套需要外,還向民用市場開放。20世紀80年代初,中國波紋管工業開始了快速發展,出現了一批中小型波紋管製造企業,部分大型軍工企業也開始建造波紋管的專用生產線。

1985年中國有關高校、研究院所和金屬波紋管廠家組織成立了中國壓力容器安全膨脹節專業委員會,1994年又組建了中國石油化工設備工業協會,並組建專家小組,1995年為推動金屬波紋管力學研究,組建了中國力學安全金屬波紋管及管道力學專業委員會。上述這些專業委員會和工業協會的成立在波紋管、膨脹節的理論研究、設計計算、試驗技術、製造工藝、標準規範、事故分析和安全使用等方面開展了大量工作,取得了顯著成績,奠定了中國金屬波紋管、金屬補償器步入國際先進行列的基礎。金屬波紋管規格已從從DN50mm發展到到DN12000mm;波紋管壁厚從0.5mm到70mm,採用整體成形的製造工藝。2023年中國從事金屬波紋管、金屬補償器生產的廠家達到二百多個,是世界上生產波紋管最多的國家。

基本原理

波紋管的工作原理是一種基於波紋片彈性變形原理,波紋管由波紋管殼體和波紋片構成,波紋管殼體一般採用不鏽鋼或其他金屬材料製作,內部嵌有一層波紋片。波紋片則是波紋管的主要彈性元件,其可以根據外界壓力的變化,實現波紋管的膨脹和收縮,從而起到緩衝和保護作用。

基本構造

波紋管的結構可分為:管外徑、管內徑、波厚、波深、波距、波紋圓弧半徑、外圓弧半徑 、內圓弧半徑、工作長度、自由長度及壓縮角。

波紋管外徑是指波紋部分最外邊緣的直徑;波紋管內徑是指波紋部分最內邊緣的直徑;波紋管波厚是指外波紋部分軸向面上的最大寬度;波深是指波紋管波紋壁中性層由最外邊緣到最內邊緣的距離;相鄰兩波紋頂點之間平行於波紋管對稱軸的距離為波距;波紋管波紋圓孤部分的璧中性層半徑叫作波紋圓弧半徑;外波紋圓弧半徑叫作外圓弧半徑;內波紋圓弧半徑叫作內圓弧半徑;波紋管波紋部分的軸向總長度叫作波紋管的工作長度,也叫作有效長度的;波紋管兩端之間的軸向總長度叫作波紋管的自由長度;波紋管內外波紋圓弧公切線與波紋管直徑方向間的銳夾角叫作壓縮角;

為了設計計算又規定了:壓力有效面積、壓力有效直徑、容積有效面積、容積有效直徑、安全位移包括壓縮安全位移和拉伸安全位移。

波紋管在任意位移下所受的集中力改變數與同此改變數相平衡所需要的均布壓力變化量之比值叫作波紋管的壓力有效面積;對應於壓力有效面積的直徑叫作壓力有效直徑;由波紋管位移而引起的波紋管容積變化量與位移變化量之比值叫作容積有效面積;對應於容積有效面積的直徑叫作容積有效直徑;波紋管由不受外力的自由狀態起,到不產生規定的塑性變形時的最大位移量為安全位移;波紋管被壓縮時的最大位移量叫作壓縮安全位移,又稱為最大允許壓縮位移;波紋管被拉伸時的最大位移量叫作拉伸安全位移,又稱為最大允許拉伸位移。

波紋管的端部結構可分為:AA型、BB型、AB型、AD型、BD型。其中AA型波紋管的兩端均為外配合;BB型波紋管的兩端均為內配合;AB型波紋管端為外配合,另一端為內配合;AD型波紋管一端為外配合,另一端是封閉的底端;BD型波紋管一端為內配合,另一端是封閉的底端;BD1型波紋管一端為內配合,另一端是帶有擴大的封閉底端。內外配合指沿波紋管開口端的內圓柱面或外圓柱面配合。

波紋管的波紋形狀可分為:U型、C型、S型、Ω型、尖角型、方型及階梯型。

特殊環境下用的膨脹節金屬波紋管是由一個波紋管和兩個結構件組成,它通過波紋管的柔性變形來吸收管線的軸向位移(同時也可吸收一部分橫向位移),其兩端與管道相連,其中接管中間的拉杆是保證補償器在運輸以及安裝過程中波紋管的剛性支承,安裝完畢后必須松下固定螺栓。波紋管的結構可分為下面四個部分:

1. 外殼層:是波紋管的最外層,通常由複合高分子材料、不鏽鋼材料等製成,具有耐腐蝕性和耐磨性,能夠保護內部結構免受外界環境的侵蝕和損傷;

2. 波紋層:是波紋管的核心部分,由多層波紋形成,增加了管道的柔性、可彎曲性,使其能夠承受熱脹冷縮和振動等變形;

3. 襯裡層:襯裡層位於波紋層的內部,用於提供額外的保護和防腐蝕功能,常採用聚四氟乙烯(PTFE)或其他耐腐蝕材料製成,能夠有效抵禦化學介質的侵蝕,並減少摩擦損失。

4. 管端接頭:管端接頭用於連接耐磨不鏽鋼波紋管與其他管道或設備。常見的接頭類型包括法蘭接頭、螺紋接頭和卡箍接頭等,確保波紋管與系統的可靠緊密連接。

基本分類

波紋管的種類較多,具體分類的方法也較多,總體上按照其材料屬性可分為:金屬類和非金屬類兩種。不同的分類如下。

液壓成型波紋管又稱無縫波紋管,是將特定的液體加壓后泵入到模具中,使圓柱形管坯在直徑方向上變形,同時施加軸向力使成型模具壓緊,從而得到環形波紋。焊接波紋管是把有某種型面的薄膜片內外邊緣相互交替焊在一起而製成。沉積波紋管是利用電沉積或化學沉積原理,將金屬沉積在波紋管的原始模型坯上,然後去掉模型坯則可得到波紋管;用電沉積原理而製造出的波紋管叫作電沉積波紋管,用化學沉積原理而製造出的波紋管叫作化學沉積波紋管。深波紋管是指波紋管的外徑為內徑1.5倍以上的;淺波紋管是指波紋管的外徑為內徑1.5倍以下的。

生產工藝

金屬波紋管生產工藝

金屬波紋管的製造屬於極薄壁管材深加工技術範疇,不但要達到高的尺寸精度,還要滿足所要求的各種性能,它涉及材料的精密塑性加工、精密焊接、真空光亮熱處理、精密剪切等多種工藝和技術,這些工藝和技術都影響著波紋管的性能和質量,除波紋管設計因素之外,很大程度上依賴於製造工藝,先進的製造工藝是提高波紋管質量、性能的重要保證。金屬波紋管成形是波紋管製造的核心,它決定著波紋管的整個製造工藝流程。金屬波紋管成形工藝主要有液壓成形、機械脹形、滾壓成形、橡膠成形、焊接成形等,各種成形工藝都有其固有的優點。

機械脹形:可加工大直徑、大波高的波紋管,加工設備及成形工藝簡單,加工效率高,所加工的波紋管壁厚變化小,波紋表面進行了強化,提高了其強度和彈性性能,但分塊凸模之間有間隙,成形的波紋管表面上殘留明顯的直線段和稜角。

機械滾壓成形:可加工大直徑、大波高的波紋 管,但加工質量不穩定,受操作人員技術水平的影響較大,所加工的波紋管壁厚變化小,波紋表面進行了強化,提高了其強度和彈性性能,但成形過程中每個波都是沿周向逐漸成形的,存在局部應力及表面硬化不均的現象。

橡膠成形:由於橡膠的流動性能好,使材料受力均勻,在設置有凹模胎的情況下,貼模良好,容易保證零件的正確幾何形狀,而且脹形過程中的摩擦力有利於材料表面硬化層的形成。 受橡膠壓縮性能的影響波高受到一定的限制,成形的波紋管表面質量取決於模型腔的光潔程度。 由於橡膠模和管坯之間的摩擦力大,只有採用軸向壓縮成形的方法才可有效避免壁厚變化大的情況。

機械旋壓成形:加工效率高,易於實現自動化,但不適合加工大波高的波紋管;模具結構複雜,磨損嚴重;可以加工通徑為 φ100mm 的波紋管,但通常只適合加工通徑 φ60mm 以下的螺旋波紋管;所加工的波紋管壁厚變化極小,波紋表面得到強化,提高了其強度和彈性性能,但成形過程中模具的工作面與管坯料外表面呈滑動摩擦,波紋管外表面的划傷、凹坑、倒波、皺褶很難避免。 隨著技術的進步,誕生了圓環組合模具,模具和波紋管表面為滾動摩擦,但模具結構複雜,尤其是加工大波高波紋管的模具。

非金屬波紋管生產工藝

液壓成形:工藝過程簡單,可加工大直徑、大波高的波紋管,但成形模具或裝置較複雜,對油壓機噸位要求較高,需要防止液體滲漏,並且成形質量受壓力波動的影響大。 由於材料在無摩擦狀態下成形,傳力均勻,能使材料在最有利的受力條件下變形,所得零件表面光滑,質量好,但壁厚變化較 大,波紋表面不能得到很好的強化。 由於管坯不能很好地貼模,液壓成形通常都無凹模,成形質量不 穩定,並且成形過程中常因內壓不足出現波峰塌陷等不符合要求的情況。 單波多次成形能夠加工較長的波紋管,設備調整靈活,適用範圍較廣,但效率較低;多波一次成形的生產效率高,但裝置結構複雜,且需專用設備,產品規格變換困難,加工的波紋數受限制。

長期的生產實踐證明,剛性模成形工藝中的機械脹形和機械滾壓成形均能實現大波高波紋管的生產且所加工波紋管的壁厚變化不大,波形尺寸穩 定,但容易產生波形表面划傷等質量問題。橡膠成形能實現軸向壓縮補償變形區的材料,壁厚變化不大,波形尺寸穩定,但不能實現大波高波紋管的生產;液壓成形能實現大波高波紋管的生產且波紋管表面不容易產生划傷等表面質量問題,生產效率高,尤其是多波一次成形,但波紋管壁厚變化較大且波形尺寸不穩定。

性能指標

技術術語

波紋管的性能指標主要有:公稱位移、公稱剛度、公稱壓力、殘餘變形及失穩。

公稱位移是指波紋管在力、力矩、壓力作用下產生變形,其偏離原始位置的量。包括軸向位移(波紋管的軸向伸縮量)、橫向位移(埠平面平行錯位的量)及角位移(軸線彎曲的量),一般位移泛指這三種。公稱位移是產品技術文件給定值,通常是設計計算值。

公稱剛度是指波紋管產生單位位移變形時所需要的力或力矩(又稱抗力或反力矩);不同位移形式有不同的剛度。公稱剛度是產品技術文件給定值,通常是設計計算值。

公稱壓力是產品技術文件給定值。

殘餘變形又稱永久變形,是指波紋管在力、力矩或壓力作用下產生位移,當力、力矩或壓力卸除后,波紋管不恢復原始狀態的變形。殘餘變形通常是用波紋管不能恢復到原始位置的量來表示的,又稱零位偏移量。軸向伸縮殘餘變形量是用波紋管原始長度的變化量來表示的。殘餘變形是用來判定波紋管彈性性能和變形能力的參數。

失穩是指波紋管在力和壓力作用下產生的一種失效現象,失穩包括平面失穩和柱失穩兩種狀態。平面失穩是指波紋形面翹曲、變形、波紋歪斜不垂直軸線、波距不均衡改變等現象;柱失穩是指波紋管軸線突然發生總體彎曲現象。失穩是用來判定波紋管耐壓能力和變形能力的判據之一。常用波距最大變形不均勻性來表示。

對於通用類波紋管規格系列的技術要求:

a)內徑(公稱通徑)應符合中國標準GB/T1047規定,特殊需要由承製方和定購方商定;

b)公稱剛度直接採用設計計算值,允許用實測值修定:

c)公稱位移直接採用設計計算值,允許用實測值修定;

d)公稱壓力按中國標準GB/T1048規定的設計,特殊需要由承製方和定購方商定。

通用類波紋管的特點是對工作適應溫度、位移量及在力和壓力作用下的密封性和穩定性指標有嚴格

的要求。

對於敏感類波紋管規格系列技術要求及規格系列:

a)內徑符合中國標準GB/T321規定的R40,特殊情況由承製方和定購方商定;

b)公稱剛度允許偏離設計計算值土20%,允許用實測值修定;

c)公稱位移不超過設計計算最大允許位移的75%(壓縮位移);

d)公稱壓力不超過設計計算最大耐壓力的80%(內壓);

e)介面直徑可按配合需要由承製方和定購方商定。

敏感類波紋管的特點是對靈敏度或剛度及位移后的殘餘變形量等指標有較高要求。

敏感類波紋管常用規格系列(選取部分列表)見下圖。

製造材料

波紋管的使用性能與波紋管製造材料有很大的關係,同一種材料由於各批之間化學成分的差異會

使產品的使用性能有很大不同。由於對波紋管使用性能不斷提出新的要求,如高彈性、高強度、強耐壓能力、高溫使用環境、耐介質腐蝕能力等,不斷有新的材料被用來製造波紋管。常見材料見下圖:

工作溫度範圍

波紋管允許的工作溫度範圍,通常取決於製造材料的工作溫度範圍,常見材料的工作溫度範圍見下表:

外觀要求

波紋管的內外表面在標準照明條件下應無視覺可見的、明顯能引起應力集中的、對強度、壽命有影響的尖銳壓坑、壓痕、划傷、裂紋等缺陷(輕微模具壓痕除外);無視覺可見的銹斑、氧化皮、大片水漬、顏色不均等缺陷。波紋管的外觀形狀在標準照明條件下,應無視覺可見的軸線與波紋環形平面不垂直、波距不均、波紋歪斜等缺陷。

焊縫要求

有焊縫的波紋管,當母材壁厚小於2mm時,射線檢測焊縫缺陷等級應為GB16749—1997中附錄B規定的合格級,且焊縫斷裂強度應大於等於母材斷裂強度95%。當母材壁厚不小於2mm時,射線檢測焊縫缺陷等級應不低於JB4730.2—2005中5.1.4規定的IⅡ級。

縱焊縫在母材厚度小於等於0.4mm時,相鄰焊縫間距大於等於150mm,母材厚度大於0.4mm時,

相鄰焊縫間距大於等於250mm;拼接焊縫條數應符合下表中的規定。

焊縫拼接質量為:焊縫熔寬應達到(3~5)倍的板材厚度、焊縫應無裂紋、夾雜、氣孔、雙坑和對口錯邊等缺陷,在大於0.5mm厚度的板材,焊縫的凹陷深度和余高應小於等於板厚的20%及焊縫的額色要與母材基本一致,不允許有黑色嚴重氧化現象。管坯縱焊縫質量應在波紋管成型之前進行著色滲透探傷或射線探傷,其中著色透探傷只適用於管坯母材壁厚不大於2mm的單道焊縫;著色滲透探傷時不允許存所有的裂紋等線狀顯示、四個或四個以上邊距小於1.5mm的成行密集圓形顯示、任一150mm焊縫長度內五個以上直徑大於1/2管坯母材壁厚的隨機散布圓形顯示。

波紋管端焊縫質量要求:a)波紋管端焊縫出現的凸凹、鋸齒等缺陷,高度不得大於母材厚度;長度總和不得大於環焊縫周長的10%;b)焊縫斷面熔深成球形,球直徑應大於3倍的板材厚度;c)焊縫的顏色要與母材基本一致,不允許有黑色嚴重氧化現象。

幾何尺寸

波紋管幾何尺寸必須符合設計圖樣要求,波紋管配合尺寸允許偏差見下圖。

波紋管軸向公稱剛度允許偏差:是指波紋管試驗剛度對公稱剛度的偏差,具體見下圖

敏感類波紋管公稱軸向位移:指波紋管在達到公稱軸向位移后,其自由長度的殘餘變形百分率應符合下圖表的規定,以確保波紋管在彈性範圍內工作。

通用類波紋管公稱軸向位移:指通用類波紋管在達到公稱軸向位移后,其波距最大變形不均勻性百分率應小於等於15%。

密封性

根據波紋管工作介質的不同對波紋管的密封性要求分為氣密性和無滲漏性兩種。密封性試驗允許在工藝過程中進行,其中氣密性試驗不準用其他試驗代替;對要求必須保證氣體介質或危險、有毒有害的介質工作時不發生泄漏,波紋管必須做氣密性試驗,必要時由承製方和定購方提出泄漏率指標,試驗氣體壓力大於等於公稱壓力,不得有泄漏或超過泄漏率指標的現象出現。對有真空度要求的波紋管,應進行真空氣密性試驗。對要求保證液體介質工作時不發生泄漏的波紋管,必須做無滲漏性試驗,試驗氣體壓力如下:公稱壓力小於等於0.25MPa,用公稱壓力作試驗壓力;公稱壓力大於0.25MPa,小於0.6MPa,用0.25MPa作試驗壓力;公稱壓力大於0.6MPa,用0.5MPa作試驗壓力:無滲漏性試驗允許用氣密性試驗代替。

過載壓力

過載壓力:指波紋管在過載試驗壓力作用下,必須保證密封性和無失穩現象發生。敏感類波紋管在過載試驗壓力為1.25倍的公稱壓力時,必須保證密封性和無視覺可分辨的平面失穩和柱失穩現象;通用類波紋管在過載試驗壓力下,必須保證密封性和不發生失穩現象。過載試驗壓力按公式P=1.5p*σ1/σ2調整計算;p為波紋管公稱壓力,σ1為波紋管材料在試驗溫度下的許用應力,單位為MPa;σ2為波紋管材料在設計溫度下的許用應力,單位為MPa。其加壓前後最大波距變化率應符合下表中的規定。

用戶不得使瞬時超載壓力大於上述試驗壓力的規定值。

波紋管工作壽命

波紋管在保證使用性能的條件下其工作壽命指標在如下範圍內選定。敏感類波紋管可靠度為0.99,可靠工作壽命範圍30000次~300000次;通用類波紋管的設計疲勞壽命,參照機械行業中國標準《JB 6169-2006 金屬波紋管》中附錄B給定的方法計算,許用疲勞壽命範圍≤30000次。

關鍵技術

設計

波紋管的幾何形狀比較簡單,但波紋管的設計比較複雜,涉及到幾何非線性(幾何形狀發生變化)、材料非線性(指產生彈性、塑性變形)等。中國還沒有一種理論計算公式被廣泛應用,普遍應用的一種工程設計公式是美國膨脹節製造商協會(簡稱EJMA)標準中的計算公式。EJMA標準的計算公式對波紋管結構進行了較大的近似和簡化。該公式只能解決一般工程應用上的部分問題,對設計精度要求高的金屬波紋管,需要應用更先進的設計方法。應用工程設計法設計,需要製造波紋管樣件進行多次性能試驗,反覆修改設計,逐步優化,產品的研製周期會比較長。應用有限元分析技術代替傳統的設計手段,可以在設計階段進行模擬,及時發現問題,縮短設計、研製周期,提高設計精度,提高金屬波紋管的性能及設計水平。

應用領域

波紋管的常見的波紋截面形狀基本上有U型、C型、Q型和S型等,其中,C型波紋管的剛性大,但敏感度較差,且非線性誤差大,因此通常用於密封或隔離器件。Q型和S型波紋管結構主要使用在工作內壓較高、工作位置較小的場所,如用在高壓閥門等。而U型波紋結構則主要使用在較大工作內壓和較大移動的工作環境,且在中國已得到了普遍的使用。

用於金屬波紋膨脹節,金屬波紋膨脹節的核心零件是波紋管,通過波紋管的可變形性和耐壓密封性來進行抽向、橫向和角位移,並承受系統的流體壓力,其它零件均為結構件,起導向、支撐、連接、導流等作用。普遍用在石油化工行業、高壓輸變電行業、能源、海洋、航空航天等領域,用來補償因溫度和壓力波動造成的軸向、橫向和角位移。

波紋管可以有效承受各種彎曲和扭曲、吸收管體的振動和位移,廣泛應用於下列領域:

1. 液體輸送領域:波紋管廣泛應用於輸送水、油、酒精、乳製品、藥品等環境中,其優勢主要在於其彈性和柔性,可適應不同情況下的變化。有些波紋管還可以進行高溫蒸汽輸送。

2. 氣體輸送領域:波紋管用於氣體傳輸,可適應多種氣體,包括低溫、常溫和高溫氣體,在輸送過程中可以避免外界的振蕩和噪音。

3.製造業領域:波紋管在製造業中也有廣泛應用,例如生產紙板的機器以及其他複雜的工業機器中的連桿、軸承、閥門等。

4. 熱水系統領域:在熱水系統的生產中,波紋管不僅可以輸送熱水,還可以防止管道爆裂。

5. 建築領域:波紋管在建築領域中的應用非常廣泛,主要應用於連接不同的管道或防止管道震動,也可以作為防水層使用。

6. 化學工業和冶金領域:化學工業和冶金工業使用波紋管來輸送各種液體和氣體,此外還用於生產電力設備和提取石油。

7. 醫療衛生領域:在醫療衛生方面,波紋管主要用於輸送生物設備或污染溶液,例如輸送貴金屬、藥品和穿刺液體。

8. 交通運輸領域:波紋管主要用於液壓系統中的連接,適用於船舶、火車、汽車等運輸行業。

發展趨勢

金屬波紋管的工作條件越來越複雜,對其性能要求愈來愈高,傳統工程設計方法已經很難滿足高精度、高效率的設計要求。有限元分析、工程設計和試驗相結合能夠滿足金屬波紋管高性能、高準確度、高效率設計要求。研製應用於重要領域的金屬波紋管和提高、改進金屬波紋管材料及工藝、金屬波紋管設計技術、金屬波紋管壽命及批產工藝穩定性是未來的發展方向和趨勢。其中瀋陽儀錶科學研究院對金屬波紋管的科研項目已達到了十餘項。中國從事金屬波紋管技術研究的科研院所、高等院校和企業有數十個,在組合電器波紋膨脹節、壓力容器膨脹節、高溫高壓金屬波紋管、轉爐用吹氧軟管設計、製造、試驗和產品開發等方面取得較大的突破,部分技術和產品達到國際先進水平。應用有限元軟體進行金屬波紋管的精確設計正在逐步的發展,其中美國金屬波紋管製造工程公司AmericanBOA、USBellowsINC、Expansionjointsystem.INC等應用有限元軟體進行了金屬波紋管精確設計,德國金屬波紋管製造公司WitzenmannGmbH也應用有限元軟體進行了金屬波紋管精確設計,韓國的S.W.Lee、伊朗德黑蘭大學的Gh.Faraji、瑞典的G.I.Broman、日本的SatoshiIgi和HiroshiKatayama等人分別對波紋管成形過程、動力學特性、機械性能、疲勞壽命等多個方面進行了比較深入的研究。中國的學者和研究人員也在波紋管性能分析方面做了大量研究,取得了顯著成果。暨南大學劉人懷對變壁厚U形波紋管給出了精確的數值解;上海大學朱衛平等人對於波紋管全彎曲問題進行了研究;南京化工大學李永生、陳曄等,南京航空航天大學王心豐,北京航空航天大學王建軍等專家學者均在波紋管穩定性以及失穩問題方面做了大量研究;浙江工業大學的盧志明等應用彈塑性有限元法估算波紋管疲勞壽命,北京航空航天大學於長波、王建軍等採用非線性有限元方法和應變一壽命曲線分析多層U形波紋管疲勞壽命。隨著焊接技術和裝備的發展,有縫極薄壁管材應用的越來越多,國外多數企業都應用有縫管材,中國也正在向這個方向發展。製造極薄壁有縫管材的工藝方法有帶材輪廓成形、縱縫連續焊接;帶材或板材卷圓成形、周期性焊接。製造極薄壁無縫管材的工藝方法有軋制工藝;變徑、變薄拉深工藝;變徑、鋼球旋壓變薄拉深工藝;軋制、鋼球旋壓變薄拉深工藝。

標準規範

波形參數公差

中國的國家標準《GB/T12777—2008》關於波紋管波形參數公差要求:GB/T12777一2008中U形波紋管波高、波距、波紋長度的公差等級為GB/T1800.3中的IT18級,其偏差為IT18/2(具體數值見下圖表1);波紋管直邊段直徑公差為H12/h12;U形波紋管波峰、波谷曲率半徑的極限偏差應為±15%的波紋名義曲率半徑;Ω形波紋管波紋平均半徑的極限偏差和圓度公差應為±15%的波紋名義曲率半徑。

.美國膨脹節製造協會的標準《EJMA—2010》中關於波高的製造公差、波距的製造公差、波紋管內徑公差見下圖;

對於Ω形波紋管波紋應滿足公式:0.8≤a/2b≤1.2, 其中a、b兩個符號的意義如下圖:

英國的BSEN13445-3:2009中要求:單層壁厚不大於0.5mm時,波高的偏差不應超過自身的±5%,單

層壁厚大於0.5mm時,波高的偏差不應超過自身的±8%;波紋的波峰半徑和波谷半徑的偏差應不大於基礎尺寸的10%。

無損檢測要求

1、中國標準GB/T12777—2008中規定:(1).滲透檢測法只適用于波紋管管坯厚度不大於2mm的單道焊接接頭,滲透檢測時不應存在下列顯示:所有的裂紋等線狀顯示、4個或4個以上邊距小於1.5mm的成行密集圓形顯示、任一150mm焊接接頭長度內5個以上直徑大於1/2管壞壁厚的隨機散布圓形顯示。

(2).管壞壁厚小於2mm時,射線檢測合格等級應為GB16749一1997中附錄B規定的合格級。管坯厚度不小於2mm時,射線檢測合格等級應不低於JB/T4730.2一2005規定的Ⅱ級。

(3).波紋管與受壓筒節連接環向焊接接頭應進行100%滲透檢測,檢測結果應符合b.的要求。

(4).圓形受壓筒節縱向焊接接頭和環向焊接接頭一般應進行局部射線檢測。檢測長度不應小於各條焊接接頭長度的20%,且不小於250mm,並應包含每一相交的焊接接頭。合格等級應不低於JB/T4730.2—2005規定的Ⅲ級。

2、中國標準《GB16749—1997》規定:(1).波紋管對接焊焊縫應進行100%射線檢測,其縱焊縫在波成形前、環焊縫在波成形后檢測。對於板料分瓣拼焊半波整體衝壓的經向拼接焊縫(縱焊縫),在波紋管成形後進行複查,複查長度不少於各焊縫長度的20%,且不小於300mm。

(2).波紋管對接焊縫和角焊縫、多層波紋管兩端直邊部分的端接焊表面或滾焊層斷口表面、缺陷修

磨表面,應進行100%滲透檢測。滲透檢測按GB4730規定進行,其焊縫檢查結果應滿足:不允許存在裂紋、針孔、分層和線性缺陷;不允許在同一直線上存在4個或4個以上、間距在1.6mm以下的圓點狀缺陷;不規則分佈的圓點狀缺陷在任意150mm焊縫長度內不超過5個,單個缺陷直徑應小于波紋管有效壁厚的一半,且不大於1.5mm;(3).管壞壁厚小於2mm時,射線檢測合格等級應為GB16749一1997中附錄B規定的合格級。管坯厚度不小於2mm時,射線檢測合格等級應不低於JB/T4730.2一2005規定的Ⅱ級。

美國標準EJMA—2010中給出多種檢測方法,但沒有驗收標準。射線檢測:用於檢測成形前的縱向焊縫。除非買方有要求,沒有必要規定波紋管的縱向焊縫進行射線檢測。可採用滲透檢測方法來檢驗。

英國BSEN13445-3:2009中規定:

(1).滲透檢測

管坯卷制的縱向對接焊縫應按下列要求進行檢測:波紋管管坯成形前100%目視檢查;成形后按照下圖表2的要求進行無損檢測。當波紋管進行批量焊接時,應抽樣進行檢測,抽查量不少於10%,並且不少於1個,抽樣應貫穿波紋管的整個製造過程。

(2).射線檢測

當進行射線檢測時,應符合歐盟標準EN13445-5:2009,6.6.3.2條款要求,其中EN13445-5:2009表6.6.4-1應按下列內容進行修正:氣孔直徑不大於0.4ep,每100mm範圍內不超過5個。不允許存在細長空腔、夾渣、未熔合、未焊透;咬邊不大於0.1ep,需光滑過渡;收縮溝槽不大於0.1ep,需光滑過渡。

(3)環向連接焊縫

環向連接焊縫應滿足第5部分的要求。搭接接頭應根據EN13445-5:2009中的要求進行磁粉檢測或滲透檢測,並進行100%泄漏檢測(見EN13445-5:2009,附錄D)。

ASME2010強制性附錄26規定:

(1)所有膨脹節的柔性元件應進行目測檢測,不允許有缺口、裂縫、材料皺摺或墩厚、焊接濺出物等

易造成局部應力集中的有害缺陷存在;對懷疑的表面區域應進一步進行液體滲透檢測。

(2)成形前應對所有波紋管的對接焊縫內外表面進行100%液體滲透檢測;成形后,對儘可能觸及和看見的成形后的焊縫表面應重複做液體滲透檢測;對接焊縫應全焊透。

(3)液體滲透檢測應按附錄8要求進行;檢測中發現的線性顯示,當尺寸大於t/4且不小於0.25mm,則認為是缺陷。其中t為成形前波紋管的最小壁厚。

(4)波紋管與焊接端之間的環向連接焊縫應進行100%液體滲透檢測。

美國機械工程師協會標準ASMEB31.3—2010附錄X規定:

(1).波紋管上的縱焊縫應在成形前經100%射線檢測,或當材料厚度≤2.5mm且為單道焊時,用液體滲透法檢查內外表面怕;成形后,所能檢查到的焊縫內外表面應重複做液體滲透檢測,對接焊縫應全焊透。

(2).射線照相檢查驗收標準應按表341.3.2,液體滲透檢測驗收標準則不允許有裂紋、咬邊和未焊透。

(3).波紋管與管道等的環向連接焊縫應進行100%液體滲透檢測。

維護保養

波紋管作為一種特殊的管路系統,常用於需要彎曲、伸縮和減震的場合。在使用過程中,波紋管可能會出現一些問題,如泄漏、腐蝕、疲勞等,這些問題會影響波紋管的性能和壽命。因此,需要對波紋管進行維護和保養。波紋管的常見問題:

1、泄漏

波紋管泄漏是常見的問題之一,泄漏的原因可能是由於波紋管連接處的密封不良,或者是波紋管本身的材料和製造工藝存在問題。

2、腐蝕

波紋管在使用過程中會受到腐蝕,尤其是在潮濕、高溫、高壓等環境下。腐蝕會導致波紋管變脆、出現裂紋或斷裂的情況。

3、疲勞

波紋管在頻繁彎曲和伸縮的過程中會出現疲勞現象,使波紋管的壽命縮短。

波紋管的維護和保養

1、定期檢查波紋管的連接處

波紋管的連接處是泄漏的主要來源,因此需要定期檢查波紋管連接處的密封情況,及時更換密封材料或調整連接方式。

2、防止波紋管腐蝕

波紋管在使用過程中要避免接觸化學物質、水蒸氣等腐蝕性物質,以及避免長期處於潮濕、高溫、高壓等環境下。同時定期對波紋管進行清洗和防腐處理,可以有效延長波紋管的使用壽命。

3、控制波紋管的使用頻率

波紋管在頻繁彎曲和伸縮的過程中容易發生疲勞現象,因此需要控制波紋管的使用頻率,減少彎曲和伸縮的次數。

4、定期更換波紋管

波紋管的使用壽命有限,需要定期更換。波紋管的使用壽命取決於其材料、製造工藝、使用環境等因素,發現波紋管存在問題需及時更換。

5、注意波紋管的安裝和使用

波紋管的安裝和使用需要嚴格按照相關標準和要求進行,避免過度彎曲和拉伸,以及避免波紋管受到外力的撞擊和擠壓。同時需要注意波紋管的使用溫度、壓力等參數,避免超出其承受範圍。

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