周忠义 柳 强 焦玉青

0 引言

压力容器波形膨胀节由于挠性大、易变性、能有效地补偿壳体与管束之间的变形差，达到降低因热膨胀变形不一致引起的轴向力，避免因轴向力过大造成管板太厚影响它与换热管的连接质量，尤其是固定管板管壳式换热器。然而由于壳体方面引入膨胀节，必然影响管板的挠曲变形，而管子与管板紧密连接，管子的应力状态也将会随管板的挠曲变形的变化而变化，因此压力容器波形膨胀节的设置在此就显得尤为重要。

本文基于各种形式膨胀节的结构特点、承压能力及管板所承受的应力大小进行比较说明。并简要介绍一下压力容器波形膨胀节的选型原则，及压力容器波形膨胀节设计时的几点建议。

1 压力容器波形膨胀节的结构特点及承压能力

（1）小波高U 型膨胀节：如图1[1]其特点是波纹管厚度薄，刚度小，可吸收较高的位移量。为满足一定的压力还要求足够大位移量时，可做成多层结构，充分注意各层间的贴合质量即可。结构紧凑，占用空间相对要小，不会各层同时突然爆裂，不具有威胁力。承压能力相对较低，适用压力在6.4 Mpa 以下。

图1

（2）大波高U 型膨胀节：如图2[1]其特点是波纹管厚度大，刚度大，承压能力相对较低，适用压力在6.4 Mpa 以下。

（3）Ω 型膨胀节：如图3[2]其特点是波纹管厚度小，刚度小，承压能力强，对于刚度和位移应力是U 型的74.6%，内压应力为U 型的0.2～0.067。为满足一定的压力还要求足够大位移量时，可做成多层结构，充分注意各层间的贴合质量即可。结构紧凑，占用空间相对要小，不会各层同时突然爆裂，不具有威胁力。适用压力在35 Mpa 以下。

图2

图3

（4）小波高加强U 型膨胀节：如图4[2]其特点是波纹管厚度小，刚度小，为满足一定的压力还要求足够大位移量时，可做成多层结构，充分注意各层间的贴合质量即可。结构紧凑，占用空间相对要小，不会各层同时突然爆裂，不具有威胁力。承压能力适中，适用压力在10 Mpa 以下。此膨胀节在固定管板换热器中已经得到广泛应用。建议此次修订新标准时列入此种形式膨胀节。

图4

2 膨胀节的设置对危险组合工况的影响

（1）根据我公司承接的某项目在固定管板换热器上，膨胀节的选用算例进行比较说明，换热器设计数据见表1。

（2）根据GB/T 151-2014《热交换器》[3]计算可知，此换热器须设置膨胀节，波纹管的设计数据见表2。

（3）设计条件下的危险组合，则应考虑下列的危险组合工况。

图5

1）只有壳程压力Ps，而管程压力Pt=0，不计膨胀变形差；Ps的径向作用，使圆筒产生环向应力并径向膨胀。使圆筒轴向收缩。Ps 对管板下表面的轴向作用，使管束伸长。由于圆筒的变形须与管板的变形保持协调，变形值与圆筒、管束的轴向刚度及管板的弯曲刚度有关，膨胀节壳程压力作用时，因膨胀节产生的压力推力和Ps 在膨胀节波谷中的作用，对整个壳程圆筒轴向变形的影响，会抵消掉因压力产生的圆筒轴向收缩和管束伸长而产生的应力，可见在壳程压力为正压，膨胀节适当的刚度值和波形参数（如果壳程单独作用产生的应力值比较大，需选用大波高膨胀节）会与壳程压力单独作用时产生的应力方向相反，管板应力反而减小，对管板强度来说不会成为危险工况。圆筒、管束和管板三者变形协调后形状如图5 所示[4]。

2）只有管程压力Pt，而壳程压力Ps=0，不计膨胀变形差；Pt沿圆筒轴向作用于封头上，此载荷使圆筒产生轴向应力，此时Pt 为负压，使圆筒轴向压缩，同时，在Pt 径向作用下，圆筒产生环向应力，发生径向膨胀。Pt 对管板表面（不包括管孔部分）产生轴向载荷，使管束受到轴向拉伸。同时，Pt 径向作用使管子产生环向应力，发生径向膨胀，此时的管板变形同壳程单独作用时变形值情况一致，故此工况设置膨胀节适当的刚度与波形参数（因为管程压力较低，选用小波高膨胀节较合理）产生的应力与管程单独作用时产生的应力方向相反，管板应力反而减小，对管板强度来说不会成为危险工况。

表1 换热器设计计算基本数据表

表2 波纹管设计计算基本数据表

3）壳程压力Ps=0，管程压力Pt=0，计入管壳热膨胀差作用。管子材料沿长度平均金属温度为t1，壳体材料沿长度平均金属温度为ts，设ts＞t1，即管壳间将产生热膨胀差（换热管变形伸长大于圆筒变形伸长）。管程由于热膨胀将自由变形伸长，圆筒由于热膨胀产生轴向伸长，因此管壳的自由变形必须进行协调。此种工况设置膨胀节，也起到了减小管板应力的作用。如图6所示[4]。

图6

图7

4）法兰力矩作用情况，设有延长部分兼作法兰的管板，管板将直接受到法兰力矩的作用。在法兰力矩作用下，管箱法兰和管板法兰将直接产生偏转。如图7 所示[4]。

（4）组合载荷下的应力，即在Pt、Ps、管壳热膨胀差及法兰力矩同时作用时的变形与应力，可按其分别作用的情况进行叠加。依照GB/T 151-2014《热交换器》要求的六种工况分析，此算例中最危险工况组合如下所示。

1）对Pt 与Ps 同时作用的情况。由于其管板的变形方向是相同的，即作用于管板周边的横剪力及弯矩是趋于一致的，管板应力反而增大，对管板强度来说，成为危险工况。换热管的轴向应力也随之增大，选用小波高膨胀节，因其刚度小，波峰内直径相对较小，在Ps 作用下因其自身的轴向力和波谷效应使壳程伸长，轴向力和波谷效应引起的轴向变形较小，如若选用大波高膨胀节，其刚度大，波峰内直径相对大，在Ps 作用下其自身的轴向力和波谷效应使壳程伸长。其轴向力和波谷效应引起的轴向变形较大，固然根据管板的变形协调可以减小换热管轴向拉伸应力和降低管板的应力。

2）对Pt 与管壳热膨胀差同时作用的情况。Pt 为负压，管束热膨胀大于壳体热膨胀时，其管板变形方向相同，则两种载荷对管板产生的应力将发生叠加，因此可能构成管板应力的危险工况。

3）对于Ps 与管壳热膨胀差同时作用的情况。Ps 为正值并且管束热膨胀差大于壳体热膨胀时，其管板周边受力及管板变形趋于一致，故管板应力增大，可能成为管板强度的危险工况。

4）对于Ps 与Pt 及管壳热膨胀差同时作用的情况。Ps 为正值，Pt 为负压，且管束热膨胀差大于壳体热膨胀时，其管板周边受力及管板变形趋于一致，故管板应力增大，可能成为管板强度的危险工况。

压力组合作用工况，壳程有膨胀节的换热器在压力作用下的管板变形和危险工况组合，当换热器壳程设置膨胀节后，壳程压力的波谷效应，将膨胀节轴向拉长，结果使整个壳程筒体产生轴向伸长，他们间变形协调的结果，会使管板产生与不带膨胀节时相反的弯曲变形，同时使周边管子收到拉伸。其情形与管程压力作用下的管板、管子的变形及应力情况相反。为此壳程压力与管程压力共同作用，此危险工况的管板应力可比较压力单独作用工况的应力低许多。因此膨胀节的刚度产生的轴向力和压力作用下波谷产生的轴向变形应足够大，以缓解组合工况下的应力问题。比较算例中两个形式膨胀节，选用大波高膨胀节尤为合理。带有薄壁波纹管的换热器在制造、运输、安装和维修中的不当处理都会损坏膨胀节，在大型设备上此类薄壁膨胀节特别易于受损，某些设计人员更乐于使用厚壁膨胀节，这是次要的，关键是使膨胀节的安装有益于管板的变形协调等综合因素。

3 结语

通过以上比较分析，应用于这种工况条件下的换热器，选用大波高厚壁膨胀节应力分布较合理。说明在选用压力容器波形膨胀节时，每种结构形式都有其优越性，希望广大同仁设计带膨胀节的设备时，能充分考虑膨胀节所独有的特点，虽然不同形式的膨胀节都有可能达到设备的应力要求，但考虑经济、安全等综合因素的影响，使其安装后的应力状态处于最佳，应选择一个较为合理的膨胀节，这何尝不是一个理想的设计。并结合近些年压力容器波形膨胀节的设计，提出新版修订的建议共同行讨论其可行性。