阀门用金属波纹管力学特性研究.pdf

第 3 7 卷第 6 期 2 0 0 8年 1 1月 石油化工设备 PETRO CHEMI CAI EQUI P MENT VoI ． 37 No ．6 NO V． 2 0 08 文章编号1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 8 0 6 0 0 2 0 0 4 阀门用金属波纹管力学特性研究 陈红扣 南京化工职业技术学院 ，江苏 南京2 1 0 0 4 8 摘要 在对阀门用金属波纹管有限元结构分析的基础上， 比较了 Q形和 U形金属波纹管承载和变 形补偿能力。研究表明， 对几何参数相 同的 Q形和 u形金属波纹管， Q形金属波纹管承 受内压的 能力大于 U形金属波纹管， 而 U形金属波纹管承受轴向力的能力则大于 Q形金属波纹管。在相 等的轴向力作用下， Q形金属波纹管轴向补偿量较 大， 但在各 自最大轴向载荷作用下， U形金属波 纹 管能达 到的 轴 向补偿 量 更 大。 关键 词 金属波纹管；n形；u形；力学特性；有限元 中图分 类号 T H 7 0 3 ． 2 文 献标 志码 A S t u d y o n M e c h a ni c s Pr o p e r t i e s o f M e t a l Be l l o ws f o r Va l v e s CHEN Ho ng k o u N a n j i n g C o l l e g e o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ，Na n j i n g 2 1 0 0 4 8 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n s t r u c t u r e a n a l y s i s o f me t a l b e l l o ws ， l o a d b e a r i n g c a p a c i t y a n d d i s p l a c e me n t c o mpe ns a t i o n c a pa c i t y o f Q s ha pe d b e l l o ws a nd U s ha p e d b e l l o ws we r e c o m p a r e d ．Thr o ug h f i n i t e e l e me n t a n a l ys i s o f s t a t e o f t he b o t h b e l l o ws whi c h ha d t he s a me g e o me t r i c p a r a me t e r s ， t he r e s u l t s s h owe d t ha t i nt e r na l p r e s s u r e be a r i ng c a pa c i t y o f Q s ha p e d be l l ows wa s a l i t t l e g r a t e r t h a n t ha t o f U s ha p e d be l l o ws a nd a x i a l f o r c e b e a r i ng c a p a c i t y of U s ha pe d be l l ows wa s gr a t e r t ha n t ha t o f Q s h a p e d b e l l o ws ． Un d e r t h e s a me a x i a l f o r c e ， a x i a l d i s p l a c e me n t o f t h e Q s h a p e d b e l l o ws i s g r a t e r ， b ut t h e U s h a pe d be l l o w c a n a c h i e v e l a r g e r a x i a l d i s p l a c e me nt c o m p e ns a t i on r a t e ． Ke y wo r d s me t a l b e l l o w；Q s h a p e d；U s h a p e d ； me c h a n i c p r o p e r t i e s ；f i n i t e e l e me n t 金属波纹管具有位移补偿、 减振降噪和密封的 作用， 目前 已被广泛应用于热力管线 、 工艺管线、 阀 门和压力容器等设备上口 ] 。金属波纹管的结构形式 较 多 ， 常用的有 U 形 和 Q形 金属 波纹管 等 。U 形金 属 波纹 管一般 用于补 偿量 较 大 的场 合 ， 而 Q形 金 属 波纹管则主要用于压力较高的场合_ 2 ] 。对金属波纹 管应力应变的分析研究方法主要有解析法 、 工程近 似法和数值分析法 3种 ， 其 中工程 近似法应用较为 普遍 ] 。随着计算机和计算数学的兴起 ， 以有 限元 分析方法为代表的数值分析技术正被越来越多地应 用到波纹管的设计分析中l 4 ] 。但现有文献报道的 对象几乎都 以U 形金属波纹管为主， 对 Q形金属波 纹管的报道甚少 。文中采用有限元分析方法对阀门 用 Q形 金属 波纹 管的 力学性 能进 行分析 ， 研 究 Q形 金属波纹管在拉伸‘、 压缩 、 内压及其组合条件下的应 力 、 应变 分布 情 况 ， 并 对 几 何 结 构 参 数 相 同的 n形 和 U 形 金属 波 纹 管在 相 同工 作 状 态 下 的 承 载 和 变 形补偿能力进行比较 ， 分析两者力学特性的差异 。 1 计算模 型 1 ． 1 几何模型 ． 参照 G B 1 6 7 4 9 1 9 9 7 压 力 容 器 波 形 膨 胀 节 ， 笔者选择了如图 1 所示 的 2种具有典型外形 结构的 u形和 Q形金 属波纹管进行分析 。为了便 收 稿 日期 2 0 0 8 0 5 - 2 7 作者简介 陈红扣 1 9 6 3 一 ， 男 ， 江苏泰州人 ， 讲师 ， 学 士， 从事机制工艺与设备教学工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 陈红扣 阀门用金属波纹管力学特性研究 于比较 ， 图 1 a和图 1 b中的波高 h 、 简体直边段长度 z 、 波距 叫、 波数 、 倒圆半径 r 、 波纹管壁厚 、 波峰大 圆弧半径 R 和波 纹管外径 D 均取相 同值 ， 即 D一 7 02 m m ， h 一 6 0 mm ， 一 6 m m ， Z一 5 0 m m ，叫 一 6 9 mm ， r 一 1 4 ．2 5 mm ， R 一 1 9 ． 67 m m ， 8。 a n形金属 波纹管 b U形 金 属 波纹 管 图 1 金属波纹管几何模 型 1 ． 2 有限元模型 由于金属波纹管一般具有轴对称的几何结构 ， 其约束 和 受 力 状 况 也 是 轴 对 称 的 ， 因 此 文 中 采 用 ANS YS软件中的 P L ANE 8 2轴对称单元建立有 限 元模 型 。该 单元 具有 8 节 点 ， 适用 于 大变形 、 大 应变 分析。采用 四边形映射网格 ， 波纹管 1 个波段结构 的网格划 分见 图 2 。试样材料为 1 C r l 8 Ni 9 Ti ， 其弹 性模量E一1 9 6 G P a ， 设计应力强度 S 一2 5 7 MP a ， 密度 10 7 ． 8 1 0 。k g ／ m。 ， 泊 松 比 一0 ． 3 。 几 a n形金属波纹管 b U形金属波纹管 图 2金 属 波 纹 管 的 网 格 划 分 1 ． 3计算工况 金 属 波纹 管 在 工 作过 程 中的受 力 较 为 复 杂 ， 难 于精确分析 ， 因此笔者在分析 过程 中将受力状况简 化 ， 分别研究 Q形和 u 形金属波纹管在 2 ～4 MP a 的内压 以及 2 O ～1 2 0 k N轴 向拉 伸载 荷 作用 下 的 不 同力学 表现 。 2 结果分析及 比较 2 ． 1 承载能力 2 ． 1 ． 1 内压 载荷 在进行 内压有 限元分析计算时， 首先约束 2个 模 型两端 节点 的轴 向 自由度 ， 然 后 在模 型 内壁 面上 加载 2 44 MP a的内压， 使波纹管处于膨胀状态， 计 算不 同内压下波纹管的应力值 。内压为 4 MP a下 Q形和 U形金属波纹管的 Vo n Mi s s 等效应力分布 云 图见 图 3 。 由图 3 看 出 ， 在 只受 内压作 用 时 ， Q形 和 u形金属波纹管所受最大等效应力均发 生在筒 体直边段与倒圆角相连处。对其它波段来说 ， 最大 等效应力发生在波谷 内表 面， 而最小等效应 力则处 于波峰位置附近 。 7I ‘ 螂弛 ． 5 1 S m‘I l l l 2 t ．， 8’№ ‘ l “ ．晰 l “ ‘ 蛳2啦 ． 2 u翻‘ ● “2， ， ． a Q形金属波纹管 J‘ m ． M l ∞ ． 1 ‘ m l 61 ．‘ 5 I H ‘ ． 口 I ，I’． 6 ．Ⅲ b U形金属波纹管 图 3 4 MP a内压下金属波纹管等效应力分布 2种金属 波纹 管在 不 同压力 下 所 对应 的最 大等 效应 力见 图 4 。由图 4可见 ， 在 相 同的 内压 作用 下 ， U 形金 属波 纹 管所 受 的最 大 等 效 应 力 略 高 于 Q 形 金属波纹管的。2种金属波纹管几何结构均存在几 何不 连 续 区， 根 据 J B 4 7 3 2 1 9 9 5 钢 制 压 力 容 器分析设计标准 l g ] ， 结构连续 区与结构不连续 区的强度条件并不相同， 2种金属波纹管承载能力的 图 4金属 波纹 管最 大等效应 力与内压关 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 8 年第 3 7卷 定量分析见文献[ 1 O ] 。但 由图 3 和图 4可定性得出 结论 ， 即在相同内压作 用下， U形 金属波纹管所受 的最大等效应力略高于 Q形金属波纹管的， 故 Q形 金属 波纹管 承受 内压 的能 力 稍 大 于 U 形 金 属 波纹 管 。 2 ． 1 ． 2 轴向载荷 以拉伸为例 ， 在进行轴向力有限元分析计算时， 首先 约束 2个模 型 最 右端 节 点 的所 有 自由度 ， 然 后 在最左端节点上加载 2 0 ～1 0 0 k N 的轴 向载荷 ， 使 波纹管处于拉伸状态 ， 计算 不同拉伸载荷下波纹管 的应 力值 。轴 向力 为 6 0 k N 时 Q 形 和 U 形 金 属 波 纹管的 Vo n Mi s s 等效应力分 布见 图 5 。由图 5可 以看出， 在 只受拉伸轴向力的情况下 ， 两种波纹管的 最大等效应力同样发生在波谷的 内表面， 但最小等 效 应力则 发生 在波 节 的中段 。 1 ． 岫t ， ．坩 ， ． 。 瓣摹 ． m ●k_瑚 Ⅲl 褂 mm ．罄 a n形金属 波纹管 ． n n 八八介 厂 { ． ● H ．， ．1 ‘ ．m ⋯∞ ． 一u 1 ．m ⋯一m ．_ h U形金属波纹管 图 5 轴向力 6 0 k N时金属波纹管的等效应力分布 2种金属波纹管在不同轴向力作用下所对应 的 最 大等 效应 力 见 图 6 。可 以看 出 ， 在 相 同轴 向力 作 用下 ， Q形金属波纹管所受 的最大等效应力高于 U 形金属 波纹 管 ； 而在 相 同的设 计 应 力强 度 S 下 ， Q 形金属波纹管能承受的最大轴 向力 F ⋯ 低于 u形 金属 波纹管 能 承受 的最 大 轴 向力 F ⋯ 。由 图 5和 图 6同样可定性得出， 在相同轴向载荷作用下 ， U形 金 属波纹管所受 的最 大等效应力低 于 Q形金 属波 纹 日 苫 ＼ 较 神 略 图 6 金属波纹管最大等效应力与轴向力关 系 管 ， 因而 U形金属波纹管承受轴 向力的能力大于 Q 形金属波纹管 。 2 ． 2变形补偿能力 6 0 k N轴 向力作用下 2 种金属波纹管的轴向位 移分布云图见 图 7 。由图 7可以看 出， 位移最大值 和最小 值分 别发 生在 波纹管 的左 、 右两端 ， 文 中 以波 纹管最左节点位移为轴 向位移最大值。 螂⋯ 一1 ． 一 1． j时⋯。 。 勰 ⋯ 4 ． I ” a n形金属波纹管 ‘， - l _； b U形金属波纹管 图 7 轴 向力 6 0 k N时金属波纹管 的轴 向位移分布 2种金属波纹管在不同轴向力作用下所对应 的 最大位移值见图 8 。由图 8可见 ， 在相 同轴 向力作 用下， U形金属波纹管轴向变形小于 Q形金属波纹 管的 ， 但在各 自所 能承受 的最 大轴 向力作 用下， U 形金属波纹管最大轴向位移长度 D ⋯ 大于 Q形金 属波纹管的最大轴向位移长度 D 。所以， 对几何 参 数相 同 的 2种金 属 波 纹 管 ， 在 相等 的轴 向力作 用 下 ， Q形金属波纹管轴 向补偿量较大。但在各 自最 大轴向载荷作用下 ， U 形金属波纹管的轴 向补偿能 力更大 。 星 ＼ 斗 略 O 轴 向力／ I 【 N 图 8 金属波纹管最 大位 移与轴向力 的关 系 3 结论 ①对几何参数相同的 Q形和 U形金属波纹管 ， 在 内压作用下 ， Q形金属波纹管承受 内压的能力大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 7 卷第 6 期 2 0 0 8年 1 1月 石油化工设备 PETRO CHEMI CAI EQUI PMENT V0} ． 37 NO ．6 NO V． 2 0 08 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 8 0 6 0 0 2 3 0 5 超超 临界火 电机 组 阀门国产化研究 孟 1 ． 河南 开封 高压阀门有限公司 ， 新 凌 ，程俭 学 ，俞树荣 ，余 龙 河南 开封4 7 5 0 0 2 ；2 ． 兰州理工 大学 石油化工学院 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 阐述 了超超 临界 火 电机 组 用 阀 门的 现状 、 研 制技 术 及发 展 前 景 ， 提 出 了材 料 、 设 计 、 焊接 、 机 械加 工和 质量 管理 等方 面的 解决 方案 ， 结合 生产 过程 中的经验 和创 新 ， 对超超 临界 火 电机 组 阀 门的 关键技 术进 行 了有益 探 讨 ， 为超 超 临界 火 电机 组 阀 门的 国产 化 奠定 了基础 。 关 键 词 阈门；超超临界 ； 研制 中图分 类号 TH 1 3 8 ． 5 2 文献标 志 码 A S t u d y o f Do me s t i c Va l v e o n Ul t r a S u pe r c r i t i c a l Un i t s M ENG Xi n l i n g ，CHENG J i a n x u e ，YU S h u r o n g ，YU L o n g 2 1 ．He n a n Ka i f e ng H i gh Pr e s s u r e Va l ve Lt d．， Ka i f e ng 47 5 0 02， Chi n a； 2 ．Col l e ge o f Pe t r o c he mi c a l Eng i ne e r i n g Te c hn ol o gy， La n z h ou Uni v ． o f Te c h．， La n z ho u 7 3 0 05 0， Chi n a Ab s t r a c t Th e l a t e s t d e v e l o p me n t ， ma n u f a c t u r e t e c h n o l o g y a n d d o me s t i c o f u l t r a s u p e r e r i t i c a l ma n u f a c t u r e a r e p r e s e n t e d ． Th e r e s o l v e p r o j e c t s f o r ma t e r i a l ， d e s i g n， j o i n t i n g ， ma c h i n i n g a n d q u a l i t y c on t r o l we r e d i s c us s e d． Ba s e on e xp e r i e n c e s a nd i nno v a t i on s， t h e ke y t e c h no l o gy f o r v a l v e o f u l t r a s u pe r c r i t i c a l u ni t s wa s r e s e a r c h e d， a nd b a s e f o r do me s t i c v a l v e s o f ul t r a s u pe r c r i t i c a l un i t s wa s e s t a b l i s h e d ． Ke y wo r d s v a l v e ；u l t r a s u p e r c r i t i c a l ；ma n u f a c t u r e 火力发电在我国发电行业 中占据主导地位 ， 并向 着机组大容量、 高参数 、 高效节能方向发展， “ 十一五” 及 以后重点 发展 6 0 0 MW、 1 0 0 0 MW 以上 超 临界 及 超超 临界 的机组 。 目前正在运行 、 在建 或陆续 开工的 ” - -“” - 4 ． -“”“” ”一 ”“ ’ ‘ ””““。 。 ” ““一” ” “”一“ 于 U形金属波纹管。②在轴 向力作用下 ， 2种金属 波纹管的最大等效应力均发生在波谷的 内表面， 而 U形金属波纹管承受轴 向力 的能力则大于 Q形金 属波纹管。③在相等的轴向力作用下 ， Q形金属波 纹管轴 向补偿量较大 。但在各 自最大轴向载荷作用 下， U形金属波纹管轴向补偿能力更大。 参 考 文献 [ 1 ] 李永生． 波形 膨胀节 实用技 术 设计 、 制造 与应 用[ M] ． 北 京 化学工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 王大成． 高压大直径 0形 膨胀节 的优化设 计[ J ] ． 机 械设计 与 制造 ， 2 0 0 3 ， 4 5 0 5 2 ． [ 3 ] 杨玲 ， 谢守勇 ， 杨 明金 ， 等． 膨胀 节波纹管优 化设计 E J ] ． 农 业 机械学报， 2 0 0 6 ， 9 】 5 3 1 5 6 ． -4 - ” -- 4- - “- - [ 4 ] T s u k i mo r i K， 1 w a t a K． Th e B u c k l i n g B e h a v i o r o f U - s h a p e d B e l l o ws u n d e r P r e s s u r e L o a d s E J ] ． I n t ． J． P r e s． Ve s ． P i p i n g ， 1 9 9 0 ， 4 4 3 6 5 3 8 0 ． r 5 ]1 wa t a K， u k i mo r i K， Ku b o F ， e t a 1 ． A S y mme t r ic L o a c r S t i f f n e s s M a t r i x f o r Bu c k l i n g An a l y s i s o f S h e l l S t r u c t u r e s u n d e r P r e s s u r e L o a d s [ J ] ． I n t ． J ． P r e s ． Ve s ． P ip i n g ， 1 9 9 1 ， 4 5 1 0 1 1 2 0 ． [ 6 3 巫宗萍 ， 徐兵 ， 羊海涛． 阀门用波纹管的应力分析E J ] ． 润滑与 密封 ， 2 0 0 6 ， 1 8 3 1 1 1 2 7 1 2 9 ． [ 7 ] 盛东 平， 朱如鹏 ， 王心 丰， 等． 基于有 限元法 的金 属软管 中波纹 管过渡波的特性研究[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 0 7 ， 2 4 8 2 2 2 4 ． [ 8 ] G B 1 6 7 4 9 1 9 9 7 ， 压力 容器波形膨胀节[ s ] ． [ 9 ] J B 4 7 3 2 1 9 9 5 ， 钢制压力容器分 析设计标准[ s ] ． [ 1 o ]姚琳． n形波纹管膨胀节 承载能力与变形补偿 能力研究 [ D] ． 北京 北京化工大学 ， 2 0 0 6 ． 张编 收稿 日期 2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介 孟新凌 1 9 6 7 一 ， 女 ， 河南武陟人 ， 工程 师 ， 从事阀 门新产品开发研制及管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m