加强U形波纹膨胀节的设计与制造

加强U形波纹膨胀节的设计与制造

李秋，张宇航，凤桐，陈曦

沈阳汇博热能设备有限公司，辽宁沈阳，110168

摘 要：本文介绍了加强U形波纹管的应用范围，详细阐述了加强U形波纹膨胀节的设计及制造工艺，包括:圆形加强环的制造工艺，加强U形波纹管的成形、压形，以及设计、制造中的一些注意事项。

关键词：加强U形；加强环；波纹管

1前言

按GB/T 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》，波纹管分为无加强型和加强型两种。前者广泛应用于高压组合电器，动力及热力管网等工业领域，后者主要应用于高压、小位移的工况。就目前所了解的情况来看，加强型波纹管主要应用在石化、军工及实验室的配套设备。随着技术的进步，高压力工况下的波纹管膨胀节的需求日益增加，如采用无加强的形式，往往需要数十层才能满足要求，不仅薄板材料用量增加，对成形、焊接、整形等工艺都会增加难度，同时失稳压力也不一定满足要求。加强型波纹管在加强环的加强作用下，可减少波纹管的层数，增强耐压能力，消除平面失稳现象。所以，加强型金属波纹管的设计及制造是非常具有现实意义的。

加强型波纹管可分为加强U形波纹管及加强Ω形波纹管；按成形方法可分为机械成形及液压成形。机械成形是利用分块涨瓣，由压头（锥形芯体）将其顶开，使管坯胀出波形的成形方法。机械成形优点在于工艺简单，工装制造容易，成形效率高、劳动强度低，不足之处为：产品制造比较粗糙，波距及波形的精确度较低。液压成形是管坯在受内壁液体压力下，当应力超过屈服强度后，在专用模具内成形为波纹管。液压成形优点为：波距及波形的精确度较高，不足之处为工序准备时间较长，效率较低，劳动强度高，采用多层制造时，端部密封处理不善会引起层间浸水或油的问题。当波纹管通径较大时，适宜采用机械成形的方法。

本文主要介绍加强U形波纹管的设计及机械成形的制造工艺。

2加强U形波纹管的设计

2.1 加强U形波纹管的结构参数

设计压力4.0MPa，设计温度100℃，轴向位移15mm，疲劳寿命500次。采用304材料，1.2mm×2层，内径φ527 mm，波高29.7 mm，波距42.8 mm，波数6，加强环材料304，直径φ18 mm。

应力校核计算结果

各应力意义参见GB/T 12777—2019附录A。

设计疲劳寿命[Nc]=1215≥500，符合要求（疲劳寿命安全系数nf=10）。

柱失稳的极限设计内压：

Psc=30.58MPa

该加强U形波纹管柱失稳压力大于设计压力，耐压能力合格。

经以上判定，该设计满足设计条件。

3加强U形波纹膨胀节的制造工艺

按GB/T 12777—2019，加强件分为加强环、均衡环等，有整体式、分体式两种结构。整体式加强环参与管坯成为波纹管的成形过程，适用机械及液压成形；分体式加强环是在管坯成为波纹管后，与其组成加强波纹管，要求与其配合的波纹管形状精确，适用液压成形的波纹管。以下主要介绍整体式加强环的制造工艺。

3.1 加强环的制造工艺

3.1.1 圆形加强环制造工艺

本工序使用设备为三辊滚床。为避免单根圆钢在滚床上滚圆时发生周向扭转而降低圆环平面度，需将切好长度的圆钢两段一组，两端部点焊，先进行首尾端部预弯；预弯后，在三辊滚床上进行滚圆，如图3；成圆后，将两圆环分开，焊接端部，焊接部位打磨光滑平整，在滚床上矫圆，表面做防锈处理。

3.1.2 盾形加强环制造工艺

用板材下料后进行机加工，需要专用工装进行装夹。

3.1.3 加强U形波纹管成形

板材下料，焊接纵焊缝，套管成管坯。将管坯套入模具，调整好位置，先成出最下的波纹，成好后，将管坯移至下一个成形位置，套入加强环，成第二个波纹。如此往复，直至六个波纹全部成形完毕。

应该注意的是，此种方法成形后的波纹，与涨瓣上表面贴合的直边段部分并非与涨瓣下表面贴合的一样平直，而是略成倾斜，是因为成形过程中上表面无约束，管坯在自由状态下被拉伸而成的。出现这种情况后，应进行压形校正。或采用多次等波高成形方法，即将各个波纹每次成出1/3或1/4波高，往复3或4次，使得直边段部分倾斜状况有所改善。

3.1.4 加强U形波纹管压形

由于波纹管的端部圆弧半径在成形时未加约束，形成的圆弧半径要大于波纹管的外部波谷半径，在与接管配合时，易出现间隙，使此处成为加强U形波纹管最薄弱的环节。所以，需对端部圆弧进行整形。在液压机工作台上，将内圆角半径略小于端部圆弧半径的法兰环分别放于波纹管两端，用铝棒支撑在法兰环平面，进行压形处理。压形分多次进行，每次进给量不宜过大，压形过程中须将波纹管翻转180°，使得上、下圆弧受力均匀。压形后，用R样板尺检验是否达到要求。

3.1.5 压形完成后，需对其端口进行滚焊、切边、胀扩口等后续工序。

4 加强U形波纹膨胀节组焊及水压试验

4.1 先将法兰与接管组焊，再与加强U形波纹管组焊。焊接完成后，将膨胀节拉伸至设计长度。

4.2 水压试验

对膨胀节进行1.5倍设计压力即6.0MPa的水压试验，保压30分钟。此过程中无泄漏、无损坏、无失稳等异常现象。

5 注意事项

5.1 由于制造工艺的不同，圆形加强环和盾形加强环的平面度相差较大，成形后的加强波纹管波距相差较大，对于波距要求不严格的工况可以考虑使用圆形加强环。从材料成本上考虑，圆形加强环是同规格盾形加强环价格的1/5～1/10。随着直径的增大，价格差也随之增大。

5.2 在进行圆形加强环预弯时，为防止圆钢预弯后回弹，预弯用的上、下模圆弧半径要略小于加强环半径。

5.3 当设计的波纹管单层壁厚较大，如0.8mm,1.0 mm,1.2mm及以上时，波纹管圆弧半径将大于理论计算值，应适当放大单波展开长，避免出现成形不到位，或加强环箍的过紧等情况。

5.4 波纹管端部与接管的连接方式亦可选择GB/T 12777-2019中图A.4的方式，但需注意，波纹管端部滚焊后，由于焊道部位收缩，圆周周长变小，可能会出现“倒喇叭口”问题。此时接管应设计成对应的结构形式，或通过胀扩口工序将“倒喇叭口”问题解决。

5.5 在加强U形波纹管压形过程中，应注意波纹管的极限压缩位置，否则会出现波峰变尖，波纹管出现永久变形而报废。

5.6 接管的壁厚设计按GB 150.3—2011《压力容器》中3.3计算。

6 结语

本文介绍的加强U形波纹膨胀节可用于组成各种结构类型的膨胀节，如：铰链型膨胀节，复式膨胀节，弯管压力平衡型膨胀节，直管压力平衡型膨胀节等。但应注意的是，由于加强件的限制，加强U形波纹管的最大压缩位移要小于无加强U形波纹管，在设计及安装过程中应给予考虑。

以上对用机械成形方法制造加强U形多层金属波纹管的工艺进行了介绍，阐述了圆形及盾形加强环的制造工艺，对成形后压形、滚焊等制造过程中容易出现的问题给出了解决方法，各配合尺寸及工艺参数仍需要长期的生产实践积累才能满足制造要求。

参考文献：

[1] GB/T 12777—2019金属波纹管膨胀节通用技术条件.

[2] GB 150.3—2011 压力容器.

[3] 徐开先.波纹管类组件的制造及其应用.北京：机械工业出版社，1998.

作者简介：李秋（1983-），男，高级工程师，沈阳汇博热能设备有限公司，主要从事膨胀节的设计与应用工作。