波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償器：

金屬波紋管膨脹節(jié)是近十幾年來在我國廣泛應(yīng)用的一種管道補(bǔ)償構(gòu)件，特別在電力、石化、供熱、鋼鐵、城建等領(lǐng)域應(yīng)用。其作用是在動(dòng)力或熱力管網(wǎng)中、設(shè)備和管路、設(shè)備與設(shè)備之間的連接中起補(bǔ)償作用，同時(shí)也承受系統(tǒng)壓力。波紋管膨脹節(jié)以它的軸向伸縮或角度變化來補(bǔ)償管或路系統(tǒng)設(shè)備因溫差（或機(jī)械運(yùn)動(dòng)）造成的位置移動(dòng)，消除設(shè)備開車、停車或正常運(yùn)行條件下的振動(dòng)。采用波紋管膨脹節(jié)來補(bǔ)償這些管路的膨脹比傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，波紋管膨脹節(jié)占地面積小、密封性能好、不易泄露、補(bǔ)償能力大。所以，近年來工廠的動(dòng)力管網(wǎng)和城市的集中供熱管網(wǎng)中大量的使用波紋管膨脹節(jié)。
     （1）波紋管補(bǔ)償器也稱伸縮節(jié)、膨脹節(jié),主要為保障管道安全運(yùn)行，是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，主要彈性元件為不銹鋼波紋管，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進(jìn)行軸向、橫向、角向補(bǔ)償。其作用可以起到： 1.補(bǔ)償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形。 2.吸收設(shè)備振動(dòng)，減少設(shè)備振動(dòng)對管道的影響。 3.吸收地震、地陷對管道的變形量。
波紋管補(bǔ)償器是由金屬波紋管與構(gòu)件組成。波紋管補(bǔ)償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能，補(bǔ)償管道由于熱變形、機(jī)械變形和各種機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的軸向、角向、側(cè)向及其組合位移，補(bǔ)償?shù)淖饔镁哂心蛪?、密封、耐腐蝕、耐溫度、耐沖擊、減振降噪的功能，起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用。
金屬波紋管補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)組成。因此可靠性也應(yīng)該從幾方面考慮。選擇在波紋管在供熱管網(wǎng)選擇使用的材料，除了它的工作效率，也應(yīng)考慮它的介質(zhì)、工作溫度和外部環(huán)境，我們也必須考慮到的應(yīng)力腐蝕，水處理劑，清洗管道的可能性影響材料，并在此基礎(chǔ)上，與波紋管材料，焊接，成型，材料成本和性能，指出了材料的經(jīng)濟(jì)和實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)化波紋管。
在正常情況下，用金屬波紋管補(bǔ)償器材料應(yīng)當(dāng)符合下列條件：
1）高彈性極限，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，以確保波紋管工作。
2）良好的可塑性，以方便補(bǔ)償器成型加工，并通過隨后的處理過程（加工硬化，熱處理等），以獲得足夠的硬度和強(qiáng)度。
3）良好的耐腐蝕性能，以滿足波紋管的工作在不同的環(huán)境要求。
4）良好的焊接性能，以滿足在焊接工藝要求生產(chǎn)過程中波紋管。 
波紋管補(bǔ)償器的應(yīng)用：
1、變形與變形量大而空間位置受到限制的管道。
2、變形與位移量大而工作壓力低的大直徑管道。
3、需要限制接管負(fù)載的設(shè)備。
4、要求吸收或隔離高頻機(jī)械震動(dòng)的管道。
5、要求吸收地震或地基沉降的管道。
6、吸收管道泵出口震動(dòng)。
 （2）金屬波紋管種類：有碳鋼的，不銹鋼的，也有鋼質(zhì)襯朔的、鋁質(zhì)的等等，因其用途不同而選擇不同的金屬材料。因其材質(zhì)不同，故所加工制作的金屬波紋管性能及用途也有所不同。
材質(zhì)及特性：
黃銅波紋管 H80 H -60℃～+100℃ 彈性較低，遲滯和后效較大，釬焊性較好?？捎糜诜歉g介質(zhì)和精度不高的儀器儀表中作為測量元件。 
錫青銅波紋管 QSn6.5～0.1 X -60℃～+100℃ 彈性、強(qiáng)度和耐蝕均好，遲滯和彈性后效較小，釬焊性較好，廣泛用作測量元件。 
鈹青銅波紋管 QBe2 P -60℃～+150℃ 具有很小的遲滯和彈性后效，很高的彈性穩(wěn)定性、耐腐蝕、無磁性。多用于高精度的測量儀表中。 
不銹鋼波紋管 1Cr18Ni9Ti G -194℃～+400℃ 具有很高的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐蝕性，焊接性能良好。可用作腐蝕性介質(zhì)中的測量、密封、連接和補(bǔ)償元件。
作為敏感元件、減震元件、補(bǔ)償元件、密封元件、閥門元件及管路連接件的金屬波紋管，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和測量儀表、真空技術(shù)、機(jī)械工業(yè)、電力工業(yè)、交通運(yùn)輸及原子能工業(yè)等領(lǐng)域。  
金屬波紋管是一種外形像規(guī)則的波浪樣的管材，主要由波紋管部分和兩端配合連接部分所組成，主要用于需要很小的彎曲半徑非同心軸向傳動(dòng)，或者不規(guī)則轉(zhuǎn)彎、伸縮，或者吸收管道的熱變形等，或者不便于用固定彎頭安裝的場合做管道與管道的連接，或者管道與設(shè)備的連接使用。
金屬波紋管的主要技術(shù)參數(shù)：
功能參數(shù)
它們是金屬波紋管類彈性元件的主要功能指標(biāo)，是判定波紋管類組件能否應(yīng)用的重要判據(jù)。這類參數(shù)除給定一個(gè)額定值外，還要給定一個(gè)允差范圍（界限值），以保證彈性元件使用的可靠性。
質(zhì)量參數(shù)
在金屬波紋管類組件使用時(shí)并不涉及此類參數(shù)，只有在彈性元件性能檢測與質(zhì)量評定時(shí)才直接測量這些參數(shù)。根據(jù)測試結(jié)果，來判定元件的功能、質(zhì)量、失效性和可靠程度。
載荷
作用在金屬波紋管及其它彈性元件上的各種預(yù)期的負(fù)荷值，如集中力F、壓力p 和力矩M 等。在金屬波紋管類彈性元件使用時(shí)，除給定施加的載荷值外，還須給定載荷的作用方向及作用位置。對于壓力載荷，還要說明彈性元件是承受內(nèi)腔壓力或外腔壓力。
公稱載荷
金屬波紋管及其它彈性元件在正常工作條件下允許使用的zui大載荷值或滿量程值。它通常是預(yù)期的設(shè)計(jì)值，或是對產(chǎn)品原型經(jīng)過實(shí)際檢測后再經(jīng)修定的設(shè)計(jì)值。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家的相關(guān)規(guī)定 ：符合GBT9647-2003國家標(biāo)準(zhǔn)、《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用金屬波紋管》JG225-2007。
不銹鋼金屬波紋管管坯采用薄壁不銹鋼帶焊管進(jìn)行波形加工而成，是金屬軟管、波紋管、波紋管補(bǔ)償器、波紋管管坯、汽車排汽管、高壓膠管、電纜穿線管等管體*的配套產(chǎn)品，光亮柔軟，質(zhì)量可靠，規(guī)格齊全。產(chǎn)品耐腐蝕，外形光潔美觀，可提高軟管成品的承壓力、耐高低溫力，延長管體的使用壽命，降低成本，廣泛用于機(jī)械、化工、冶金、建筑等各行業(yè)。
預(yù)應(yīng)力金屬波紋管主要有兩種材質(zhì)組成，一種是黑色的鋼帶，一種是鍍鋅的鋼帶，應(yīng)用于公路橋梁、鐵路橋梁、建筑水利、電力等國家重點(diǎn)工程。預(yù)應(yīng)力金屬波紋管的加工工藝主要是用波紋管的機(jī)器加工，波浪形的端口，相互的咬合，一圈一圈的制作而成。
預(yù)應(yīng)力金屬波紋管的產(chǎn)品性能：
1、剛性試驗(yàn)：抗集中載荷0.75KN或均布載荷1.5KN時(shí)，徑向變形≤0.1d。
2、抗?jié)B試驗(yàn)：灌水或水灰比為0.5的水泥漿30分鐘無漏水、漏漿。
3、抗拉實(shí)驗(yàn)：軸向拉力5KN管壁無損壞。
4、抗拔實(shí)驗(yàn)：埋設(shè)在混凝土中抗拔力為地腳螺栓設(shè)計(jì)抗拔力為地腳螺栓設(shè)計(jì)抗拔力的2.3倍以上。
5、抗彎實(shí)驗(yàn)：彎曲度為曲率半徑的30d時(shí)，無漏水、漏漿。

金屬波紋管的使用壽命:

是指在工作條件下使用時(shí)，能夠保證正常工作的zui短工作期限或循環(huán)次數(shù)。它的額定壽命是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)定出的預(yù)期使用壽命，要求在這段時(shí)期內(nèi)波紋管不允許出現(xiàn)疲勞、失效、損壞等現(xiàn)象。用波紋管組成的彈性密封系統(tǒng)，經(jīng)常在承受較多循環(huán)次數(shù)的變動(dòng)載荷和較大位移條件下工作，金屬波紋管的疲勞失效將使系統(tǒng)失效，因此保證波紋管的使用壽命具有重要意義。
      傳統(tǒng)的壽命主要是利用EJMA標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算的方法來獲取。這種計(jì)算方法偏差很大，而且復(fù)雜工況下壽命往往只能靠安全系數(shù)來修正，不能很好地滿足工程應(yīng)用的需要，因此，需要找到一種更*的壽命分析方法來進(jìn)行金屬波紋管疲勞壽命分析。文中主要針對u型金屬波紋管的疲勞壽命分析來進(jìn)行研究。
      1有限元分析方法和解決方案
      MSC．Fatigue軟件是一個(gè)通用性很強(qiáng)的基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析設(shè)計(jì)工具，可用來靈活地預(yù)測各種復(fù)雜零件和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，能夠很好地預(yù)測出波紋管壽命次數(shù)。材料失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)不同，高于l0次的為高周疲勞區(qū)，低于l0次的為低周疲勞區(qū)中，a，=10，a=10。JS表示應(yīng)變／?Y力，低周疲勞時(shí)縱坐標(biāo)為，高周疲勞時(shí)縱坐標(biāo)為S．高周疲勞主要用全壽命法進(jìn)行分析，而低周疲勞主要用初始裂紋法來進(jìn)行分析。波紋管的壽命次數(shù)一般在l0～l0次之間，一般同時(shí)采用全壽命法和初始裂紋法2種方法來進(jìn)行分析，然后取其zui小值。該次分析實(shí)例的疲勞壽命次數(shù)在l0次以內(nèi)，只需采用初始裂紋法分析即可。初始裂紋分析方法通常是基于應(yīng)變壽命曲線(E—N曲線)理論來進(jìn)行壽命分析。S—N＆E—N曲線在高周區(qū)域重合，因?yàn)槊x應(yīng)力是線性的。E—N曲線可以用于低周疲勞區(qū)，S—N曲線不能，因?yàn)榫€性應(yīng)力／應(yīng)變關(guān)系無效。
       2疲勞分析模型的創(chuàng)建
       波紋管疲勞失效指的是波紋管在特定載荷和工況下往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而出現(xiàn)裂紋、破裂和泄漏等現(xiàn)象。以4層波紋管為例進(jìn)行壽命分析，材料為304SS(0Crl8Ni9)，波紋數(shù)為9，幾何尺寸。
        2．1讀入模型和前處理結(jié)果
        在Fatigue軟件中，需要通過前處理軟件分析出波紋管的應(yīng)力和應(yīng)變分布結(jié)果，然后根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行壽命分析。前處理過程的分析非常關(guān)鍵，一般應(yīng)力或應(yīng)變和真實(shí)值相差10％，壽命就會偏差50％一100％。文中采用二維軸對稱模型進(jìn)行分析，前處理軟件采用的是MSC．Mare，對波紋管施加內(nèi)壓至16．5MPa，然后保持不變，壓縮波紋管，位移為4mm．是讀入模型后的應(yīng)變結(jié)果圖．
        在壓縮4mm和內(nèi)壓16．5MPa的共同作用下波紋管的zui大應(yīng)變?yōu)?．0534，波谷外層為應(yīng)變zui大的位置，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行金屬波紋管疲勞壽命分析。
       2．2設(shè)置疲勞分析參數(shù)
       2．2．1總體設(shè)置．有限元軟件中的菜單命令A(yù)nalysis選用E—N方法Initia—tion；F．E．Results選用Strain作為主要失效形式。從一系列的LCF試驗(yàn)中可以獲得應(yīng)變壽命的關(guān)系，它可以用Coffin-Manson-Basquin方程來描述。
為總體應(yīng)變；6pl為塑性應(yīng)變；6el為彈性應(yīng)變；s為疲勞延性系數(shù)；Ⅳf為失數(shù)循環(huán)次數(shù)；E為彈性模量；tf為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；s為應(yīng)變幅。
其中，Basquin指出高周疲勞，其疲勞壽命跟彈性應(yīng)變之間符合冪函數(shù)關(guān)系，Coffin和Manson對于低周疲勞和塑性應(yīng)變，得到同樣的結(jié)果，把兩者加在一起，就可以得到全應(yīng)變和疲勞壽命的關(guān)系(包括低周和高周疲勞)．
       2．2．2設(shè)置位移變化譜
       波紋管在壽命試驗(yàn)時(shí)，處于一個(gè)壓縮循環(huán)的過程中，故位移變化譜應(yīng)該為一個(gè)三角波，波峰位置為壓縮4mm時(shí)刻波紋管位移變化波譜．
       2．2．3關(guān)聯(lián)有限元載荷工況與時(shí)間歷程
      將波紋管壓縮4朋時(shí)刻的工況作為疲勞分析時(shí)的載荷工況，此時(shí)波紋管所承受的應(yīng)力和應(yīng)變均處于zui大時(shí)刻O需將隨時(shí)間變化的位移譜與有限元載荷工況關(guān)聯(lián)起來，從而模擬出波紋管往復(fù)壓縮4mm這一虛擬過程。
      2．2．4設(shè)置材料信息
      Fatigue軟件中提供了大量的材料數(shù)據(jù)庫，常用材料參數(shù)均可在里面獲取，對于特殊材料產(chǎn)品的壽命分析需要做相關(guān)材料的疲勞試驗(yàn)，從而獲取對應(yīng)的s—N曲線和E—N曲線。由于該波紋管采用的材料為304SS，在Fatigue的材料數(shù)據(jù)庫中可以查到，直接調(diào)用即可，是304SS材料對應(yīng)的E—N曲線．
      在選擇材料的同時(shí)，需選擇波紋管的表面光潔度和表面處理形式，使之與真實(shí)的環(huán)境更加接近。
      2．2．5設(shè)置求解參數(shù)
      分析方法選擇S—W—T方法，即Smith—WatsonTopper法，它是用一個(gè)包含每個(gè)循環(huán)的zui大應(yīng)力和應(yīng)變損傷參數(shù)來修正平均應(yīng)力，從而更加準(zhǔn)確的模擬出波紋管的疲勞過程。其力學(xué)模型為一s=(2Ⅳf)。+fsrf(2Ⅳf)¨。式中為zui大應(yīng)力。
基于該模型可知，S—W—T方法在受拉時(shí)趨于保守，在受壓時(shí)趨于非保守。
在Stress／Strain結(jié)合選項(xiàng)中可以根據(jù)該產(chǎn)品的主要失效形式來進(jìn)行選擇。分析中采用的是zui大主應(yīng)力和主應(yīng)變方式來進(jìn)行分析，它是對該類型波紋管壽命影響zui大的參數(shù)。
       3計(jì)算結(jié)果
       參數(shù)設(shè)置完之后進(jìn)行疲勞分析，然后調(diào)用所生成的結(jié)果，就可以在結(jié)果查看選項(xiàng)中讀取需要的疲勞結(jié)果?？梢缘贸觯y管的zui小壽命為6080次，位于波谷的zui外層，而波紋管的波峰處大部分處于無限壽命區(qū)。在試驗(yàn)驗(yàn)證中，波紋管的裂紋主要產(chǎn)生在波谷處，軟件分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果基本*。
      4結(jié)論
      根據(jù)應(yīng)變分析計(jì)算結(jié)果，*主應(yīng)變的極值位于波紋管波谷的外層，該部位應(yīng)是疲勞壽命的控制部位。采用MSC．Fatigue進(jìn)行疲勞分析，疲勞壽命分布圖，zui小壽命為6080次，也位于波紋管波谷的外層，與*主應(yīng)變的zui大位置相對應(yīng)。
金屬波紋管試驗(yàn)驗(yàn)證壽命為4000～5000次，在波谷處出現(xiàn)了裂紋，而波紋管的其他位置未發(fā)生損壞。金屬波紋管疲勞壽命軟件分析的結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證對比，誤差在20％一40％之間，且薄弱位置與試驗(yàn)驗(yàn)證*，精度大大高于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果。
通過有限元來進(jìn)行波紋管疲勞分析能夠提供零部件表面的疲勞分布圖，可以在設(shè)計(jì)階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，通過修改設(shè)計(jì)，可以避免不合理的壽命分布。因此，有限元分析方法能夠減少試驗(yàn)樣件的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高波紋管的設(shè)計(jì)水平，確保金屬波紋管的設(shè)計(jì)壽命。