横向型波纹管膨胀节设计

I横向型波纹管膨胀节设计摘要横向型复式拉杆波纹管由中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，是一种能够吸收任意平面内的横向位移并能承受压力推力的膨胀节，还可以叫做补偿器，在管系统中采用波纹补偿器可以在承受系统压力的同时，也吸收因温差较大而引起的热膨胀距离。复式拉杆波纹管膨胀节的设计要求先选择好波纹管的材料，确定设计温度和设计压力，然后计算复式拉杆波纹管的具体参数:波高、壁厚、波数、波纹管层数，并在此基础上确定波纹管的其他结构件的尺寸和选型，如端板、中间管、加强套环的设计尺寸，拉杆、垫圈、螺母的选型，同时进行复式拉杆膨胀节的各种应力校核、刚度计算、疲劳寿命校核。由于计算的时多参数的不确定性，需同时计算几组不同的数据，再从中选择最合适的方案，用该方案中的数据校核应力疲劳寿命，并最终确定膨胀节的结构设计，完成技术要求。关键词：补偿器，膨胀节，波纹管，复式拉杆，横向IDESIGN OF UNIVERSAL GINMBALS COMPENSATOR ABSTRACTHorizontal double rod bellows comprises a middle pipe connects two corrugated tube and rod, the end plate and sphere and cone washers and other components, is able to absorb the transverse displacement of arbitrary plane and expansion joint can withstand the pressure thrust, also called compensator, in the pipe system used in corrugated compensator can under the system pressure at the same time, also due to large temperature difference caused by thermal expansion distance.Double rod bellows expansion joint design requirements to choose the corrugated pipe materials, determine the design temperature and pressure, and then calculate the specific parameters of double rod bellows: wave height, thickness, wave number, corrugated pipe layers, and on this basis to determine the size and type of other structure of corrugated pipe, such as end plate the middle pipe, strengthen the design size, collar, tie rod, washer, nut selection, at the same time duplex pull rod expansion of the various stress check calculation, stiffness, fatigue life assessment. Because the calculation when the parameter uncertainties, and calculation of different data sets, and then choose the most suitable plan, stress fatigue life data of the scheme, and ultimately determine the structure design of expansion joints, complete technical requirements.KEY WORDS: Compensator, corrugated pipe, double bars, horizontal II目录前 言 .1第 1 章 横向型波纹管补偿器概述 .21.1 概述 .21.2 工作原理 .41.3 复式拉杆型膨胀节补偿器的特点 .61.4 复式拉杆横向波纹管使用要点 .6第 2 章 波纹管的设计方案 .72.1 设计依据及主要技术要求 .72.2 波纹管的设计步骤 .72.2.1 波纹管材料的选择 .72.2.2 波纹管设计温度 .82.2.3 波纹管设计压力 .82.3 波纹尺寸计算 .82.3.1 波纹管设计符号说明 .82.3.2 无加强 U 型波纹管波纹参数计算 .10第 3 章 膨胀节作用力计算及校核 .123.1 波纹管应力及作用力校核 .123.1.1 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力 .133.1.2 压力引起的加强套环周向薄膜应力 .133.1.3 压力引起的波纹管周向弯曲应力 .143.1.4 疲劳寿命计算 .143.1.5 内压引起的波纹管经向弯曲应力 .143.1.6 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力 .143.1.7 复式拉杆波纹管膨胀节单波位移 .173.1.8 位移引起的波纹管子午向薄膜应力 .183.1.9 位移引起的波纹管子午向弯曲应力 .183.3 单波轴向弹性刚度计算 .193.4 稳定性计算 .19III3.5 复式拉杆膨胀节刚度计算 .193.6 复式拉杆波纹管压力推力 .20第 4 章 波纹管结构件的设计 .214.1 符号说明 .214.2 拉杆计算 .214.3 端板计算 .22第 5 章 波纹管膨胀节图纸设计 .245.1 总体装备图设计 .245.2 零件结构图设计 .245.2.1 波纹管与端管的焊接结构图 .255.2.2 端板的结构图 .265.2.3 端板和端管的焊接结构 .265.2.4 拉杆结构设计 .275.2.5 加强套环设计 .295.2.6 加强筋板设计 .295.2.7 运输杆设计 .295.2.8 托耳设计 .305.3 压力试验 .30结论 .32谢 辞 .33参考文献 .34外文资料翻译 .351前言波纹管补偿器又称膨胀节，是用以利用其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，属于一种补偿性元件。波纹管的波形分很多种类，有U型、V型、型，而U形波纹管的应用最为广泛，工艺也相对简单。波纹管膨胀节的结构类型也较多，不同类型的膨胀节，适用的场合也各不相同。主要的类型有单式轴向型、单式和复式铰链型、复式自由型、复式拉杆型、直管和弯管压力平衡型等。波纹管补偿器广泛应用在石油、化工、冶金、电力、水利、航空航天、原子能等相关领域，所以，对波纹管补偿器的研究设计对推动我国相关产业经济效益的发展有着十分重要的学术意义。波纹管补偿器可对轴向、横向和角向位移进行吸收，用于吸收管道、设备及系统的加热位移、机械位移和降低振动、噪音等。其中复式拉杆横向型膨胀节可以补偿弯曲管段的横向位移和量值不大的角位移，但是其通常不用来补偿角位移。该补偿器由接管二个波纹管以及大拉杆等零件构成。它能吸收管系任意平面内的横向位移,而且球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。该补偿器两个波纹管、长中间接管以及大拉杆等零件构成，它能吸收管系任意平面内的横向位移。螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。本课题主要研究横向型波纹管补偿器的波高、波距、壁厚、层数、波数等波形参数及结构零件的设计。膨胀节的设计实质就是通过调整波纹管的波形参数来满足所需的性能要求。课题的设计主要依据GBT 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件和GB 150-1998钢制压力容器 进行波纹管的参数确定和结构件的尺寸计算。由于时间仓促，加之水平有限，其中不乏有所纰漏，我们恳请的希望广大读者提出宝贵的意见。2第 1 章 横向型波纹管补偿器概述1.1 概述复式拉杆型波纹管补偿器由端管和中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，能吸收任意平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。如图1-1所示：1-端板 2-拉杆 3-中间管 4 中间管 5-波纹管 6-加强套环 7-球面、锥面垫圈8-端管 9-筋板 10-运输杆 11-螺母 12-托耳图1-1 复式拉杆波纹管结构图最早期时的时候人们用兽皮缝合成管状的结构，以满足生产的需要，经过了相当长的阶段直到十七世纪末期，荷兰的万德尔盖金兄弟成功制成了被广泛采用在当时的消防业务中的帆布软管。但是慢慢的，社会在发展，工程技术的需要迫使人们不得不进行更高质量的波纹管膨胀节的设计，因为帆布软管类的管子不能承受像工程上的强酸、碱腐蚀性的介质，一些超高温超低温的介质如高温蒸汽，低温的液氢、液氦等介质。这样整体管道的安全可靠性更加难以保证。所以，人们渐渐地把注意力集中到金属管方面，改变金属管的几何形状，使3其内外表面产生相应的波纹。这样就能够使其既具有同胶管一样的挠性，同时又能耐高温、耐低温、耐老化、耐腐蚀。于是，以金属软管为本体的金属波纹管就此诞生。一八五五年，德国最先申请了制造金属波纹管的专利。那时候技术有限，它只是利用当时制造首饰的原理来制造金属波纹管。那是用截面形状为S型的金属带在专用设备上绕制而成的螺旋金属波纹管，它们用橡胶带、棉织物或石棉绳这些东西填垫在相邻两匝的咬口处，以便于金属波纹管内腔的密封。一八九四年，这种金属波纹管膨胀节的结构得到了改进：人们用两根金属带按不同直径，向相反方向卷绕。在这种结构中，金属带在受力状态下达到相互平衡，克服了自发展开的缺点。一九二九年，在金属波纹管进行了又一次结构上技术的革命，非常彻底的解决了金属波纹管因为弯曲时填垫橡胶带而丧失密封性能的问题，开辟了金属波纹管广阔的发展前景。这种用钢和铜锌合金材料制成的无缝或有焊缝的金属波纹管，能够依靠波纹侧壁的弹性变形来保持一定的可压缩性或可拉伸性，并保证很可靠的密封性能.从二十世纪五十年代开始，双层、三层、多层的金属波纹管，特别是薄壁不锈钢材金属波纹管发展非常迅速。为了满足使用上的要求，人们采用焊接、电铸、液压和机械旋压等各种工艺方法来加工金属波纹管。最小公称可以小到2毫米，最大的公称直径通径可达400500毫米，甚至有直径为lO米的巨型金属波纹管。波数最少l2个，最多可达连续几千，甚至几万个。 随后，人们在波纹管外表面包覆上橡胶、塑料或者尼龙之类的材料，变换各种各样的接头形式，以满足不同的使用要求。我国波纹管研制开始于二十世纪五十年代，在我国波纹管应用研究最早的是仪表行业。我国有数十家仪表厂和弹性元件厂，50年代时将波纹管（Bellows）称为膜盒作为敏感元件或弹性密封元件应用在仪器仪表、特殊阀门和压力调节器上。五十年代时我国波纹管的管坯主要采用不锈钢、镀青铜板材压延成型等材料。五十年代末六十年代初，为满足我国航天事业发展的需要，国防部五院一分院和首都机械厂成功研制了管道用波纹管。六十年代初，南京晨光机器厂为了解决管坯问题，晨光机器厂与鞍钢签订“鞍晨”协议，生产薄壁无缝不锈钢管，83年升为国标。自六十年代起开始了自行研制膨胀节的过程。1967年建成国内第一条金属软管和小型波纹膨胀节专业化生产线。除满足本系统单工产品配套需要外，还向国内民用市场开放，以满足商业化需要.4七十年代末，八十年代初。随着国家工业现代化建设的迅猛发展，我国从事波纹膨胀节生产的厂家不下二百个，厂家之多可算世界之最。该行业年总产值在12亿以上。我国波纹管理论研究、应用技术和工业生产能力，早就今非昔比。我国波纹膨胀节骨干企业已经完全具备了与国外知名企业竞争的能力。1985年我国有关高校、研究院所和波纹管生产企业合作组织成立了“中国压力容器安全膨胀节专业委员会” 。1994年以膨胀节生产企业为主吸收相关高等院校和设计研究院所有关专家组建了“中国石油化工设备工业协会膨胀节分会” 。1995年为推动波纹管力学研究，组建了中国力学安全波纹管及管道力学专业委员会。这些学会和协会凝聚了我国波纹管基础理论、应用技术和开发，对推动本行业发展有着积极的贡献。在整体波纹管制造水平不断攀升的大背景下，复式拉杆波纹管的发展也是极其迅速的，他被广泛的应在各行各业中。复式拉杆横向波纹管膨胀节的性能指标要求较多，如横向补偿量、轴向位移、轴向刚度、耐压强度、平面稳定性及疲劳寿命等。影响膨胀节性能的因素大致可分为两大类:(1) 包括压力波动、温度变化、制造偏差、安装误差、管路布置、结构形式和腐蚀环境等外部因素。(2) 包括波纹材料和波形参数的设计因素。波纹管膨胀节的波形种类较多，常用的有U形、 形、S 形等。在实际工程应用中，U 形波纹管膨胀节最为广泛.1.2 工作原理复式拉杆波纹管属于一种补偿元件，利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化（变形前后如下图 1-2 和 1-3 所示） ，或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移，它可以吸收管系任意平面内的横向位移。该补偿器由接管二个波纹管以及大拉杆等零件构成。位移球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。该补偿器两个波纹管、长中间接管以及大拉杆等零件构成，可用于降噪减振，在现代工业管道系统中用途广泛（图 1-4 为其实物图） 。5图 1-2 变形前图 1-3 变形后图 1-4 复式拉杆膨胀节实物图1.3 复式拉杆型膨胀节补偿器的特点复式拉杆型膨胀节由中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，能吸收任何意平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。复式拉杆型膨胀节可以补偿弯曲管段的横向位移和量值不大的角位移，通常并不用来补偿角位移。位移球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。61.4 复式拉杆横向波纹管使用要点安装前保证波纹管的表面干净，焊接时要小心，焊渣不能飞溅到波纹管表面，因为波纹管壁很薄，更不能有机械性的划伤。锈钢和耐腐蚀合金波纹管及所有不锈钢结构件表面不应涂漆。所有碳钢结构件外表面应涂防锈底漆，但距端管焊接坡口 50mm 范围内不应涂漆，球面垫圈锥面垫圈配合面应涂防锈油脂。7第 2 章 波纹管的设计方案2.1 设计依据及主要技术要求主要设计任务： 20#钢管道规格 372*8，介质压力 0.5MPa，介质温度 300，吸收双向横向位移 100mm，波纹管波根外径 372mm，波谷半径 8mm，模具最大波数8，最大波高 60mm。许用寿命 1000 次。吸收双向横向位移 100mm，波纹管波根外径 372mm，波谷半径 8mm，模具最大波数 8，最大波高 60mm。许用寿命 1000 次。2.2 波纹管的设计步骤（1）波纹管材料选择（2）波纹管设计温度（3）波纹管设计压力（4）疲劳寿命计算（5）波纹管应力校核（6）稳定性及刚度计算（7）膨胀节结构件设计2.2.1 波纹管材料的选择波纹管用材料按工作介质、外部环境和工作温度选用，不论是管材、带材还是板材，根据波纹管使用性能要求，确定所需的材料。目前，我国各行业一般采用 188 型奥氏体不锈钢（如 0Cr19Ni9、0Cr19Ni11Ti 等）和 300 系列不锈钢（如 304、316、321 它们分别对应我国的0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni9Ti 等）由于其良好的塑性、焊接性、耐腐蚀性及适宜的强度性能，成为各行各业制造波纹管的首选材料。根据本次任务要求（介质压力 0.5MPa，介质温度 300）并综合外部环境选择波纹管的材料为0Cr18Ni10Ti。 =177103MP， =114MPtbEtb82.2.2 波纹管设计温度波纹管设计温度应根据波纹管预计工作温度确定。本次设计要求温度是 300摄氏度2.2.3 波纹管设计压力本次设计压力为 0.5MP2.3 波纹尺寸计算 2.3.1 波纹管设计符号说明单个波纹的金属截面积， ；cuA2m= (0.571q+2h)n m波纹管有效面积， ；y 242yDAU 形波纹管 设计计算修正系数；dC6U 形波纹管 、 、 的计算修正系数；f 5iufir低于蠕变温度的材料强度系数； =1.5，用于热处理态波纹管 ,m mC=3.0，用于成形态波纹管U 形波纹管 的计算修正系数； 纵向焊接接头有效系数，下pC4w标 b 表示波纹管材料；其中，当波纹管管坯纵向焊接接头经 100渗透检测或射线检测合格且焊接接头内外表面都齐平是 =1.0；wbC由初始角位移引起的柱失稳压力降低系数；=1-1.822 +1.348 -0.529 （无横向位移） ， =1（同时发生横向位移）C23波纹管直边段内径的数值， ；bDm波纹管直边段加强套环平均直径的数值， ；Dc=Db +2n +c c圆环截面内径的数值， ；i波纹管平均直径的数值， ； =Db+h+nm mD圆环截面外经的数值， ；09室温下波纹管的弹性模量的数值， ；bEMPa设计温度下弹性模量的数值， ；t计算单波总当量轴向位移的数值， ；e m 角位移 引起的单波相当轴向位移的数值， ； m波纹管压力推力的数值，N;pF无加强 U 形波纹管单波轴向弹性刚度的数值， / ；iuf N膨胀节自振频率的数值，Hz；n波高的数值， ；Hm周向应力系数；rK膨胀节整体弯曲刚度， ； CN/ 的计算系数； 且 1k,1、 btDLk5.1k波纹管的波纹长度， ；bLmq波纹管直边段加强套环的长度， ；c波纹管直边段长度， ；tN一个波纹管的波数的数值； 波纹管设计疲劳寿命的数值，周次；c厚度为“ ”波纹管材料层数的数值；n设计疲劳寿命安全系数， 10；f fnP设计压力的数值， ；MPa波纹管两端固支时柱失稳的极限设计内压的数值， ；scp MPa波纹管两端固支时平面失稳的极限设计压力的数值， ；iq波距的数值， ；mU 形波纹管波峰内壁曲率半径的数值， ；cr mU 形波纹管波谷外壁曲率半径的数值， ；t介质温度的数值，；波纹管一层材料的名义厚度的数值， ；直边段加强套环材料的名义厚度的数值， ；c波纹管成形后一层材料的名义厚度的数值， ；m mmbD10波纹管角位移的数值。压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力的数值， ；1 MPa压力引起的加强套环周向薄膜应力的数值， ；压力引起的波纹管周向弯曲应力的数值， ；2压力引起的波纹管子午向薄膜应力的数值， ；3 a压力引起的波纹管子午向弯曲应力的数值， ；4 P位移引起的波纹管子午向薄膜应力的数值， ；5 M位移引起的波纹管子午向弯曲应力的数值， ；6 a设计温度下材料的许用应力的数值，下标 b、c 分别表示波管、加强t套环材料， ；MPa2.3.2 无加强 U 型波纹管波纹参数计算无加强 U 型波纹管结构见图 2-1图 2-1 无加强 U 型波纹管结构U 形波纹管的 宜按公式（2-1）设计。rc、= 3 （2-1）cr波纹管的设计依据 GBT 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件中所推荐的方法，取波纹管一层材料的名义厚度 =0.8 ，满足（2-1）要求。另选m取波纹管材料的层数 ，直边段加强套环材料的名义厚度 ,直边段2n c2加强套环的长度 ,波距 q=4r+2n =48+210.8=35.2mm,取波高mLc30h=35mm。11第 3 章 膨胀节作用力计算及校核3.1 波纹管应力及作用力校核波纹管应力校核公式按下列公式（3-1）（3-10）进行（1） 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力按（3-1）计算 （3-1）ctbcbttDLkEnDLEnp)(221 tbwC（2） 压力引起的加强套环周向薄膜应力按（3-2）计算（3-2）tcwctcbttcknnp221（3） 压力引起的波纹管周向弯曲应力按（3-3）计算（3-3）tbwcumrCAqpDK2（4） 疲劳寿命校核按（3-4）计算（3-4）ftcnN4.37018（5） 内压引起的波纹管经向弯曲应力（3-5）计算（3-5）Pnphm23（6） 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力（3-6）计算（3-6）24mpnCh（7） 轴向位移 x 引起的单个波纹轴向位移按公式（3-7）计算（3-7）Nxe2（8） 横向位移 y 引起的单波轴向位移按公式（3-8）计算（3-8）)2(2xLyDKebumy12（9） 位移引起的波纹管子午向薄膜应力按公式（3-9）计算（3-9）fmbCheE25（10） 位移引起的波纹管子午向弯曲应力按公式（2-10）计算（3-10）dmbhe2633.1.1 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力 （3-1）ctbcbttDLkEnDLEnp)(221 tbwC式中：p=0.5Db=2732n =273220.8=269.8mm=177103MPtbEn=2=0.8mm且 k1 当 =30mm 时 k 不满足，故取 =20mmbtDLk5.1tLtL此时 k=0.907， =1.0wC查附表 1-1（化工容器设计 ） ，得 =114MP，D c=Db +2n + =275mmtbc代入数据得 =14.0MP 114MP, 满足114tb3.1.2 压力引起的加强套环周向薄膜应力（3-2）tcwctcbttcCDLkEnDLEnp221带入数据算得 =14.4MP 114MP, 故满足条件14wC3.1.3 压力引起的波纹管周向弯曲应力（3-3）tbwcumrCAqpDK213其中 = ，在设计压力 p 时， 和 拉伸rKqeeyx2)( xey= ，在设计压力 p 时， 和 压缩rqeeyx2)( xey因为 牵扯到 ex、e y，故需要疲劳寿命来确定 e 的大小rK3.1.4 疲劳寿命计算疲劳寿命按公式（2-4）计算1000 （3-4）ftcnN4.370128其中 65437.0t3.1.5 内压引起的波纹管经向弯曲应力（3-5）MPnphm7.493.0253其中当量壁厚 mm9.0bmD3.1.6 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力=108.8MP （3-6）24mpnCh查表得 =0.615（表 3-1） ，C d=1.832（表 3-2）, Cf =1.422 表（3-3） ，带pC入公式（2-7）得 =108.8MP 再代入公式（2-5）得 e8.41mm 满足要求。414表 3-1 U 形波纹管 的计算修正系数4pChrm2D8.10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0 1.000 1.999 1.961 1.949 1.950 1.950 1.950 1.9500.05 0.976 0.962 0.910 0.842 0.841 0.841 0.840 0.8410.10 0.946 0.926 0.870 0.770 0.744 0.744 0.744 0.7310.15 0.912 0.890 0.836 0.722 0.657 0.657 0.651 0.6320.20 0.876 0.854 0.806 0.691 0.592 0.579 0.564 0.5490.25 0.840 0.819 0.777 0.669 0.559 0.518 0.495 0.4810.30 0.803 0.784 0.750 0.653 0.536 0.501 0.462 0.4320.35 0.767 0.751 0.722 0.640 0.541 0.502 0.460 0.4260.40 0.733 0.720 0.696 0.627 0.548 0.503 0.458 0.4200.45 0.702 0.691 0.670 0.615 0.551 0.503 0.455 0.4140.50 0.674 0.665 0.646 0.602 0.551 0.503 0.453 0.4080.55 0.649 0.642 0.624 0.590 0.550 0.502 0.450 0.40315表 3-2 U 形波纹管 的计算修正系数6dChrm2D8.10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0000.05 1.061 1.066 1.105 1.079 1.057 1.037 1.016 1.0060.10 1.128 1.137 1.195 1.171 1.128 1.080 1.039 1.0150.15 1.198 1.209 1.277 1.271 1.208 1.130 1.067 1.0250.20 1.269 1.282 1.352 1.374 1.294 1.185 1.099 1.0370.25 1.340 1.354 1.424 1.476 1.384 1.246 1.135 1.0520.30 1.411 1.426 1.492 1.575 1.476 1.311 1.175 1.0700.35 1.480 1.496 1.559 1.667 1.571 1.381 1.220 1.0910.40 1.547 1.565 1.626 1.753 1.667 1.457 1.269 1.1160.45 1.614 1.633 1.691 1.832 1.766 1.539 1.324 1.1450.50 1.679 1.700 1.757 1.905 1.866 1.628 1.385 1.1810.55 1.743 1.766 1.822 1.973 1.969 1.725 1.452 1.22316表 3-2 U 形波纹管 、 、 的计算修正系数5iufir fChrm2D8.10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0000.05 1.116 1.094 1.092 1.066 1.026 1.002 0.983 0.9720.10 1.211 1.174 1.163 1.122 1.052 1.000 0.962 0.9370.15 1.297 1.248 1.225 1.171 1.077 0.995 0.938 0.8990.20 1.376 1.319 1.281 1.217 1.100 0.989 0.915 0.8600.25 1.451 1.386 1.336 1.260 1.124 0.983 0.892 0.8210.30 1.524 1.452 1.392 1.300 1.147 0.979 0.870 0.7840.35 1.597 1.517 1.449 1.340 1.171 0.975 0.851 0.7500.40 1.669 1.582 1.508 1.380 1.195 0.975 0.834 0.7190.45 1.740 1.646 1.568 1.422 1.220 0.976 0.820 0.6910.50 1.812 1.710 1.630 1.465 1.246 0.980 0.809 0.6670.55 1.882 1.775 1.692 1.511 1.271 0.987 0.799 0.6463.1.7 复式拉杆波纹管膨胀节单波位移(1) 轴向位移 x 引起的单个波纹轴向位移按公式（3-7）计算（3-7）Nxe2(2) 横向位移 y 引起的单波轴向位移按公式（2-8）计算（3-8）)2(2xLyDKebumy初定复式波纹管中间管 w=420mm,设其波数为 N，由材料力学可知波纹管横向变形总位移 x 可据下列公式求得 01tLxu式中： =0.012ctNqw2Lu17是 ey的计算系数22u463KbubLNqLb此时当进行试算(1)取 N=4 代入以上公式得，k u=1.17,Lu=881.6mm,Lb=140.8mm,x=2.91mm,ex=0.36mm,mey05.64又有 mm8.41mm 满足要求41.6xye(2)取 N=3 代入以上公式得，k u=1.14,Lu=811.2mm,Lb=105.6mm,x=2.67mm,ex=0.445mm,mey26.84mm8.41mm 不满足要求705.xye故取 N=4 可满足波纹管设计要求3.1.8 位移引起的波纹管子午向薄膜应力（3-9）MPCheEfmb84.253.1.9 位移引起的波纹管子午向弯曲应力（3-10）PCheEdmb79.8623526公式（3-3 ）中 Kr 拉伸时 = =1.1rqyx)(压缩时 = =0.9reeyx2)(较大者故 Kr=1.1 又有单个波纹的金属截面积:= (0.571q+2h)ncuA258.1672.3.571.0932mm 校核 =114MP 满足MP69.172tbwC18MP7.43810带入公式 MP =1.5114=171MP 满足5.43tbmC应力校核完毕,以上介绍的 U 形膨胀节计算的方法，尽管由于力学模型的简化，给计算结果带来一定程度的误差，但因公式比较简单，然后根据实际情况进行了修正与调整，所以在工程设计时仍然得到非常广泛的应用。近年来利用有限元法对膨胀节的应力分析研究工作也取得了进展。它以有限单元的集合代替无限单元的连续体，作物理上的近似，通过能量原理得出离散方程，经过求解，可以得到各离散单元的应力与位移的数值解，有利于进行精确的设计计算。3.3 单波轴向弹性刚度计算单波轴向刚度按式（3-11）计算(N/mm)（3-11）6.24342.1359.07.067.17.1 33 fmtbiuChnEDf3.4 稳定性计算波纹管两端为固支时，柱失稳的极限设计内压按公式(3-12)计算(3-12)同 时 发 生 了 横 向 位 移 ）(115.2.35841.034.02CqNfpiusc3.5 复式拉杆膨胀节刚度计算（1）轴向弹性刚度按公式（3-13）计算（3-13）1.304826.xNfKiu（2）横向弹性刚度按公式（3-14）计算19（3-14）242xLxNfDKbuimy .25yK代 入 数 据 算 得7.y3.6 复式拉杆波纹管压力推力波纹管压力推力按下列公式计算公式(2-15)计算N (2-15)422 106.34.01.354mypDAF20第 4 章 波纹管结构件的设计4.1 符号说明矩形（mm）b端管外径的数值，单位为毫米（mm）d总轴向力的数值，包括波纹管压力推力及其他轴向力，单位为毫米F（N）截面惯性矩的数值，下标表示所对应的轴，单位为毫米（mm 4）I销轴半径的数值，单位为毫米（mm）xr截面静矩的数值，下标表示所对应的轴，单位为毫米（mm 3）S矩形截面板厚的数值，单位为毫米（mm）j正应力的数值，单位为毫米（MP）按相关标准取值的室温下材料的许用应力的数值，单位为毫米（MP）剪应力的数值，单位为毫米（MP） 4.2 拉杆计算拉杆材料选择 40CRr，其 。复式拉杆型、弯管压力平衡性和直MP1630管压力平衡性膨胀节中拉杆设计及校核公式按（4-1）计算 （4-1）nAF9.241.3MP1630式中：A拉杆有效截面积，A= =452.16mm22.n拉杆数目，n=4拉杆直径除满足表 4-1 之外，还应满足公式（4-2）的要求正应力：21M （4-2）28.127136.506.350)(75.042 bLFjj1.5 =171MP，满足要求30表 4-1 拉杆最小直径膨胀节公称尺寸拉杆长度150 150300 300600 6001200 1200600 16 301200 2020 24 302400 24 30362400 3030363640由表得 d=20mm,但考虑到腐蚀裕量，取 d=24mm，4.3 端板计算端板材料选择 Q235，查表得其 。复式拉杆型、弯管压力平衡MP1430型膨胀节中无筋板的端板的设计及校核按公式（4-3）和公式（4-4）计算。（4-3）txxKnIbFL2)(（4-4）txIS8.01式中：b筋板轴向长度，单位为（mm）,取 b=50Ix截面对中轴 Z 的惯性矩的数值，单位为四次方（mm 4）24)()(313bdbdIx 代入数据得 Ix=12.9105mm4L端板上拉杆孔中心到端管外壁的距离单位为 mm，取 L=73mm22Ks截面形状系数， 132214()(6dbdKs代入数据的 Ks=1.37n拉杆孔数目，取 n=8Sx截面对中性轴 Z 的静矩，单位为（mm 3）1221bdSx筋板厚度的数值，单位为毫米（mm）1端板厚度数值，不得小于拉杆直径单位为(mm)2筋板夹角的数值，单位为（rad）又有 d=273mm,计算满足此时的最小板厚 mdnFLtj 3.125.148考虑到钢板负偏差（压力容器钢板厚度负偏差：（按 GB/T709-2006热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许差中 B 类偏差规定-固定负偏差为 0.3 mm） ）和腐蚀余量（腐蚀程度：轻微腐蚀，腐蚀速率 0.050.13mm/年，腐蚀裕量为大于等于 1mm；）取 =16mm，并代入（4-4）中计算jMPPdnFtj 52.18.09.14273.40612 满足其要求23第 5 章 波纹管膨胀节图纸设计5.1 总体装备图设计装配图在进行装配时要注意避免出现装配干涉，如在波纹管与端管焊接之后再焊接短板，但是在焊接短板之前，需要先装配好加强套环，并留出充足的活动余地，之后再进行端板与端管的焊接，必须保证这样的装配顺序，这样在下一步在机床上加工时才能很好的保证其同轴度，避免因焊接变形所带来的设备安装误差，总体安装效果图如下图 5-1 所示1-端板 2-拉杆 3-中间管 4 中间管 5-波纹管 6-加强套环 7-球面、锥面垫圈8-端管 9-筋板 10-运输杆 11-螺母 12-托耳图 5-1 总体装配图5.2 零件结构图设计5.2.1 波纹管与端管的焊接结构图波纹管为薄壁结构，现在管壁上开出如图 5-2 的坡口，按照本次任务书要求计算所得出的波纹管壁厚为 0.8mm（如图 5-3）,所以在焊接时要非常小心，不能24采用对焊的方式焊接，要采用搭接焊的方