壓力容器波形膨脹節設計時的幾點建議

周忠義 柳 強 焦玉青

0 引言

壓力容器波形膨脹節由于撓性大、易變性、能有效地補償殼體與管束之間的變形差，達到降低因熱膨脹變形不一致引起的軸向力，避免因軸向力過大造成管板太厚影響它與換熱管的連接質量，尤其是固定管板管殼式換熱器。然而由于殼體方面引入膨脹節，必然影響管板的撓曲變形，而管子與管板緊密連接，管子的應力狀態也將會隨管板的撓曲變形的變化而變化，因此壓力容器波形膨脹節的設置在此就顯得尤為重要。

本文基于各種形式膨脹節的結構特點、承壓能力及管板所承受的應力大小進行比較說明。并簡要介紹一下壓力容器波形膨脹節的選型原則，及壓力容器波形膨脹節設計時的幾點建議。

1 壓力容器波形膨脹節的結構特點及承壓能力

（1）小波高U 型膨脹節：如圖1[1]其特點是波紋管厚度薄，剛度小，可吸收較高的位移量。為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結構，充分注意各層間的貼合質量即可。結構緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。承壓能力相對較低，適用壓力在6.4 Mpa 以下。

圖1

（2）大波高U 型膨脹節：如圖2[1]其特點是波紋管厚度大，剛度大，承壓能力相對較低，適用壓力在6.4 Mpa 以下。

（3）Ω 型膨脹節：如圖3[2]其特點是波紋管厚度小，剛度小，承壓能力強，對于剛度和位移應力是U 型的74.6%，內壓應力為U 型的0.2～0.067。為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結構，充分注意各層間的貼合質量即可。結構緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。適用壓力在35 Mpa 以下。

圖2

圖3

（4）小波高加強U 型膨脹節：如圖4[2]其特點是波紋管厚度小，剛度小，為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結構，充分注意各層間的貼合質量即可。結構緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。承壓能力適中，適用壓力在10 Mpa 以下。此膨脹節在固定管板換熱器中已經得到廣泛應用。建議此次修訂新標準時列入此種形式膨脹節。

圖4

2 膨脹節的設置對危險組合工況的影響

（1）根據我公司承接的某項目在固定管板換熱器上，膨脹節的選用算例進行比較說明，換熱器設計數據見表1。

（2）根據GB/T 151-2014《熱交換器》[3]計算可知，此換熱器須設置膨脹節，波紋管的設計數據見表2。

（3）設計條件下的危險組合，則應考慮下列的危險組合工況。

圖5

1）只有殼程壓力Ps，而管程壓力Pt=0，不計膨脹變形差；Ps的徑向作用，使圓筒產生環向應力并徑向膨脹。使圓筒軸向收縮。Ps 對管板下表面的軸向作用，使管束伸長。由于圓筒的變形須與管板的變形保持協調，變形值與圓筒、管束的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關，膨脹節殼程壓力作用時，因膨脹節產生的壓力推力和Ps 在膨脹節波谷中的作用，對整個殼程圓筒軸向變形的影響，會抵消掉因壓力產生的圓筒軸向收縮和管束伸長而產生的應力，可見在殼程壓力為正壓，膨脹節適當的剛度值和波形參數（如果殼程單獨作用產生的應力值比較大，需選用大波高膨脹節）會與殼程壓力單獨作用時產生的應力方向相反，管板應力反而減小，對管板強度來說不會成為危險工況。圓筒、管束和管板三者變形協調后形狀如圖5 所示[4]。

2）只有管程壓力Pt，而殼程壓力Ps=0，不計膨脹變形差；Pt沿圓筒軸向作用于封頭上，此載荷使圓筒產生軸向應力，此時Pt 為負壓，使圓筒軸向壓縮，同時，在Pt 徑向作用下，圓筒產生環向應力，發生徑向膨脹。Pt 對管板表面（不包括管孔部分）產生軸向載荷，使管束受到軸向拉伸。同時，Pt 徑向作用使管子產生環向應力，發生徑向膨脹，此時的管板變形同殼程單獨作用時變形值情況一致，故此工況設置膨脹節適當的剛度與波形參數（因為管程壓力較低，選用小波高膨脹節較合理）產生的應力與管程單獨作用時產生的應力方向相反，管板應力反而減小，對管板強度來說不會成為危險工況。

表1 換熱器設計計算基本數據表

表2 波紋管設計計算基本數據表

3）殼程壓力Ps=0，管程壓力Pt=0，計入管殼熱膨脹差作用。管子材料沿長度平均金屬溫度為t1，殼體材料沿長度平均金屬溫度為ts，設ts＞t1，即管殼間將產生熱膨脹差（換熱管變形伸長大于圓筒變形伸長）。管程由于熱膨脹將自由變形伸長，圓筒由于熱膨脹產生軸向伸長，因此管殼的自由變形必須進行協調。此種工況設置膨脹節，也起到了減小管板應力的作用。如圖6所示[4]。

圖6

圖7

4）法蘭力矩作用情況，設有延長部分兼作法蘭的管板，管板將直接受到法蘭力矩的作用。在法蘭力矩作用下，管箱法蘭和管板法蘭將直接產生偏轉。如圖7 所示[4]。

（4）組合載荷下的應力，即在Pt、Ps、管殼熱膨脹差及法蘭力矩同時作用時的變形與應力，可按其分別作用的情況進行疊加。依照GB/T 151-2014《熱交換器》要求的六種工況分析，此算例中最危險工況組合如下所示。

1）對Pt 與Ps 同時作用的情況。由于其管板的變形方向是相同的，即作用于管板周邊的橫剪力及彎矩是趨于一致的，管板應力反而增大，對管板強度來說，成為危險工況。換熱管的軸向應力也隨之增大，選用小波高膨脹節，因其剛度小，波峰內直徑相對較小，在Ps 作用下因其自身的軸向力和波谷效應使殼程伸長，軸向力和波谷效應引起的軸向變形較小，如若選用大波高膨脹節，其剛度大，波峰內直徑相對大，在Ps 作用下其自身的軸向力和波谷效應使殼程伸長。其軸向力和波谷效應引起的軸向變形較大，固然根據管板的變形協調可以減小換熱管軸向拉伸應力和降低管板的應力。

2）對Pt 與管殼熱膨脹差同時作用的情況。Pt 為負壓，管束熱膨脹大于殼體熱膨脹時，其管板變形方向相同，則兩種載荷對管板產生的應力將發生疊加，因此可能構成管板應力的危險工況。

3）對于Ps 與管殼熱膨脹差同時作用的情況。Ps 為正值并且管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，故管板應力增大，可能成為管板強度的危險工況。

4）對于Ps 與Pt 及管殼熱膨脹差同時作用的情況。Ps 為正值，Pt 為負壓，且管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，故管板應力增大，可能成為管板強度的危險工況。

壓力組合作用工況，殼程有膨脹節的換熱器在壓力作用下的管板變形和危險工況組合，當換熱器殼程設置膨脹節后，殼程壓力的波谷效應，將膨脹節軸向拉長，結果使整個殼程筒體產生軸向伸長，他們間變形協調的結果，會使管板產生與不帶膨脹節時相反的彎曲變形，同時使周邊管子收到拉伸。其情形與管程壓力作用下的管板、管子的變形及應力情況相反。為此殼程壓力與管程壓力共同作用，此危險工況的管板應力可比較壓力單獨作用工況的應力低許多。因此膨脹節的剛度產生的軸向力和壓力作用下波谷產生的軸向變形應足夠大，以緩解組合工況下的應力問題。比較算例中兩個形式膨脹節，選用大波高膨脹節尤為合理。帶有薄壁波紋管的換熱器在制造、運輸、安裝和維修中的不當處理都會損壞膨脹節，在大型設備上此類薄壁膨脹節特別易于受損，某些設計人員更樂于使用厚壁膨脹節，這是次要的，關鍵是使膨脹節的安裝有益于管板的變形協調等綜合因素。

3 結語

通過以上比較分析，應用于這種工況條件下的換熱器，選用大波高厚壁膨脹節應力分布較合理。說明在選用壓力容器波形膨脹節時，每種結構形式都有其優越性，希望廣大同仁設計帶膨脹節的設備時，能充分考慮膨脹節所獨有的特點，雖然不同形式的膨脹節都有可能達到設備的應力要求，但考慮經濟、安全等綜合因素的影響，使其安裝后的應力狀態處于最佳，應選擇一個較為合理的膨脹節，這何嘗不是一個理想的設計。并結合近些年壓力容器波形膨脹節的設計，提出新版修訂的建議共同行討論其可行性。