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【摘要】本文通过简述压力管道柔性设计的目的和方法，重点介绍在其设计中金属波纹管膨胀节的选用，以及在选用、安装和使用中应注意的问题。
【关键词】压力管道柔性设计金属波纹管膨胀节选用注意问题
【 Abstract 】 this paper through the example of flexible design pressure pipeline to the purposes and methods, the paper focuses on the design of the metal bellows expansion joint choose, and in the selection, installation and use in the problem that should notice.
【 Key words 】 pressure pipe, flexible design, metal bellows expansion joint, choose, problems
中图分类号：U173 文献标识码：A 文章编号：
当压力管道受热和遇冷收缩时，将对与其相连的机器、设备和土建结构产生作用力，反之机器、设备和土建结构也将对管道产生反作用力，并在管道中引起应力。当管道系统比较刚硬时，这种推力和应力都将较大，并可能导致管道和土建结构的破坏以及影响到机器、设备的正常运行。
1管道柔性設计的目的和一般方法
管道的柔性是反映管道变形难易程度的概念，它表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。
1.1 管道柔性设计的目的
柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因造成下列问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的机器、设备产生过大的应力或变形，影响机器、设备的正常运行；
（4）管道的推力或力矩过大引起管道支吊架破坏。
1.2 计算温度和计算压力的确定方法
管道应力计算中所采取的温度和压力，称为计算温度和计算压力。由于通常设计温度和设计压力的保守性过大，且管道在绝大多数时间内是在正常操作状态下运行，所以在一般情况下，可将计算温度和计算压力取为操作温度和操作压力，但应考虑到最不利的情况。当设计温度和设计压力与操作温度和操作压力相差不大时，也可将计算温度和计算压力取为设计温度和设计压力。计算温度和计算压力的确定，不同标准的规定有所不同。
本文主要介绍《SH/T3041石油化工管道柔性设计规范》对计算温度和计算压力的规定。
（1）对于无隔热层管道，介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度，介质温度等于或高于65℃时，取介质温度的95％为计算温度；
（2）对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；
（3）对于夹套管道，应取内管或夹套介质温度的较高者作为计算温度；
（4）对于外伴热管道，应根据具体条件确定计算温度；
（5）对于衬里管道，应根据计算或经验数据确定计算温度；
（6）对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度；
（7）进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况；
（8）除另有规定外，管道安装温度宜取20℃；
（9）管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。
1.3 管道柔性设计的一般方法
在管道设计中，增加管道柔性的方法主要有：改变管道走向（包括设置п形弯）、选用波纹管膨胀节和弹簧支吊架。
在条件允许的情况下，应首先考虑采用改变管道走向和选用弹簧支吊架的方法来增加管道柔性。一般来讲，当两固定点位置一定时，增加管系的长度和弯头的数量可以增加管道的柔性；管系在某一方向过于刚硬时，增加与其垂直方向的管道长度可减小管系的刚度。选用弹簧支吊架可使支吊架处存在垂直位移，从而将约束放松，增加管系的柔性。
当管径较大、场地受到限制且所需补偿量较大时，可考虑采用波纹管膨胀节来增加管道柔性。但波纹管膨胀节制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。波纹管膨胀节是管道中的薄弱环节，应尽量避免采用。
进行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性来吸收变形的前提下，应注意避免使管系过分柔软，这不但可以避免管系产生振动，还可以减少投资。
2金属波纹管膨胀节的选用
用于热补偿和增加管道柔性的金属管道元件主要有波纹管膨胀节、填料函式膨胀节和金属软管。填料函式膨胀节又可分为套管式膨胀节和球形膨胀节。填料函式膨胀节依靠部件的相对运动产生变形，达到吸收热位移的目的。由于填料函式膨胀节利用填料进行密封的同时，因受承载压力的作用，容易产生泄漏，因此可靠性较差，在重要管道上很少采用，在剧毒及易燃易爆介质管道中严禁采用。金属软管的刚性极小，一般在接近完全软连接时采用。由于刚性很小所以金属软管比较容易产生振动，且对管径、压力有一定限制，不可能做得很大。
金属波纹管膨胀节依靠波纹管的变形吸收位移，可具有较大的管径和承受较高压力，它是金属管道中最常用的柔性元件。金属波纹管膨胀节有多种形式，但均由波纹管和端点组成，对于复式膨胀节，还存在连接管。一般将具有一组波纹管的膨胀节称为单式膨胀节，具有两组波纹管的膨胀节称为复式膨胀节。在GB/T12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中，对金属波纹管膨胀节设计、制造和检验做出了具体规定。
2.1 金属波纹管膨胀节的常用类型
常用的金属波纹管膨胀节具有以下几种形式：
（1）单式轴向型膨胀节，它是由一个波纹管及结构件组成，主要用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力。
（2）单式铰链型膨胀节，它是由一个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成，只能吸收一个平面内的角位移并能承受波纹管压力推力。
（3）单式万向铰链型膨胀节，它是由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构件组成，能吸收任一个平面内的角位移并能承受波纹管压力推力。
此外，还有复式拉杆型膨胀节、复式铰链型膨胀节、复式万向铰链型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、外压单式轴向型膨胀节等。
2.2 金属波纹管膨胀节选用中应注意的问题
由于波纹管的壁厚很薄，所以金属波纹管膨胀节是管系中的薄弱环节，选用时必须谨慎，应注意以下问题。
（1） 对于自身不能吸收压力推力的无约束膨胀节，为防止膨胀节由于压力推力的作用被拉开或压缩，必须在靠近膨胀节的管道两端设置固定支架，机器、容器等设备也可起固定支架的作用。当压力较高时，作用于固定支架的推力可能很大，甚至使固定支架难以承受，无约束膨胀节一般适用于压力较低的情况。固定支架必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；两固定支架之间的管道中仅能布置一个无约束膨胀节；为防止失稳，膨胀节附近必须设置导向支架，且应安装在膨胀节附近，第一个导向支架与膨胀节之间的距离应不大于4倍管道外径，第二个导向支架与第一个导向支架之间的距离不得超过14倍管道外径。
（2） 膨胀节抗扭转能力较差，应尽量避免波纹管受扭。
（3） 当有下述要求之一时需设导流筒。
a. 要求保持摩擦损失尽量小及流动平稳时；
b. 流速v达到下列值时
液体： DN≤150㎜，v ＞0.02DN m/s ；
DN＞150㎜，v ＞3m/s 。
式中，DN为膨胀节公称直径，单位为㎜。当距膨胀节10倍管道直径范围内由于阀门、三通、弯头等发生湍流时，在采取上述判断之前，应将实际流速乘以4。
c. 存在腐蚀可能时；
d. 介质温度高，需降低波纹管金属温度时；
e. 当膨胀节存在横向或弯曲变形时，导流筒的直径必须足够小，使导流筒与波纹管之间存在足够的间隙，变形后二者不会发生碰撞。
（4） 在确定波纹管材料时，应考虑流动介质、外界环境和工作温度等因素。GB/T12777中列出的常用波纹管材料见表1。
表1 常见波纹管材料
（5） 膨胀节应首先考虑采用单层波纹管制造。
（6） 膨胀节中的端管、中间管、法兰接管等的材质应与安装膨胀节的管道材料相同或相近。
（7） 选用膨胀节时，一般应向膨胀节制造厂提供必要的技术条件，作为膨胀节的设计和制造依据。这些条件主要有：膨胀节的型号（代号）、膨胀节的形式、安装位置、安装方位、波纹管和接管材料、连接尺寸和连接形式、整体长度、最大径向外形尺寸、重量、膨胀节刚度、补偿量、循环次数、管内介质、最高压力、操作压力、最高温度、操作温度、是否需要导流筒等。
2.3 金属波纹管膨胀节在安装和使用中应注意的问题
金属波纹管膨胀节的安装和使用应严格按照产品说明书进行，并应注意以下问题。
（1） 如果在设计时未进行特殊考虑，禁止采用使波纹管膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；
（2） 必须注意保护波纹管，使其免受敲击、划伤、焊液飞溅等原因造成的损害；
（3） 选用膨胀节时应尽量避免在现场进行预定位，如必须在现场进行预定位时，应按照制造厂专门的说明书来设置预定位的大小和方向；
（4） 固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行安装，现场安装所做的任何改动都将可能影响到膨胀节功能的正常发挥，需要改动时应经原设计人员认可；
（5） 对于带有导流管的膨胀节，在安装时应注意方向不能装反；
（6） 在管道系统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕、系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除，这些保护装置一般涂有黄色油漆。应注意不能将不是运输保护装置的膨胀节附件拆除；
（7） 装有波纹管膨胀节的气体介质管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的荷载。试驗后波纹管内可能产生积水，如这对波纹管有害或会影响正常运行，则需要采取措施排除积水；
（8） 安装铰链型膨胀节时，应注意角位移补偿方向不能装错。
参考文献
马金国等，SH/T3041石油化工管道柔性设计规范，北京：中国石化出版社，2003
段玫等，GB/T12777金属波纹管膨胀节通用技术条件，北京：中国计划出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】压力管道柔性设计金属波纹管膨胀节选用注意问题
【 Abstract 】 this paper through the example of flexible design pressure pipeline to the purposes and methods, the paper focuses on the design of the metal bellows expansion joint choose, and in the selection, installation and use in the problem that should notice.
【 Key words 】 pressure pipe, flexible design, metal bellows expansion joint, choose, problems
中图分类号：U173 文献标识码：A 文章编号：
当压力管道受热和遇冷收缩时，将对与其相连的机器、设备和土建结构产生作用力，反之机器、设备和土建结构也将对管道产生反作用力，并在管道中引起应力。当管道系统比较刚硬时，这种推力和应力都将较大，并可能导致管道和土建结构的破坏以及影响到机器、设备的正常运行。
1管道柔性設计的目的和一般方法
管道的柔性是反映管道变形难易程度的概念，它表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。
1.1 管道柔性设计的目的
柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当等原因造成下列问题：
（1）管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏；
（2）管道连接处产生泄漏；
（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的机器、设备产生过大的应力或变形，影响机器、设备的正常运行；
（4）管道的推力或力矩过大引起管道支吊架破坏。
1.2 计算温度和计算压力的确定方法
管道应力计算中所采取的温度和压力，称为计算温度和计算压力。由于通常设计温度和设计压力的保守性过大，且管道在绝大多数时间内是在正常操作状态下运行，所以在一般情况下，可将计算温度和计算压力取为操作温度和操作压力，但应考虑到最不利的情况。当设计温度和设计压力与操作温度和操作压力相差不大时，也可将计算温度和计算压力取为设计温度和设计压力。计算温度和计算压力的确定，不同标准的规定有所不同。
本文主要介绍《SH/T3041石油化工管道柔性设计规范》对计算温度和计算压力的规定。
（1）对于无隔热层管道，介质温度低于65℃时，取介质温度为计算温度，介质温度等于或高于65℃时，取介质温度的95％为计算温度；
（2）对于有外隔热层管道，除另有计算或经验数据外，应取介质温度为计算温度；
（3）对于夹套管道，应取内管或夹套介质温度的较高者作为计算温度；
（4）对于外伴热管道，应根据具体条件确定计算温度；
（5）对于衬里管道，应根据计算或经验数据确定计算温度；
（6）对于安全泄压管道，应取排放时可能出现的最高或最低温度作为计算温度；
（7）进行管道柔性设计时，不仅应考虑正常操作条件下的温度，还应考虑开车、停车、除焦、再生及蒸汽吹扫等工况；
（8）除另有规定外，管道安装温度宜取20℃；
（9）管道计算压力应取计算温度下对应的操作压力。
1.3 管道柔性设计的一般方法
在管道设计中，增加管道柔性的方法主要有：改变管道走向（包括设置п形弯）、选用波纹管膨胀节和弹簧支吊架。
在条件允许的情况下，应首先考虑采用改变管道走向和选用弹簧支吊架的方法来增加管道柔性。一般来讲，当两固定点位置一定时，增加管系的长度和弯头的数量可以增加管道的柔性；管系在某一方向过于刚硬时，增加与其垂直方向的管道长度可减小管系的刚度。选用弹簧支吊架可使支吊架处存在垂直位移，从而将约束放松，增加管系的柔性。
当管径较大、场地受到限制且所需补偿量较大时，可考虑采用波纹管膨胀节来增加管道柔性。但波纹管膨胀节制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道。波纹管膨胀节是管道中的薄弱环节，应尽量避免采用。
进行管道柔性设计时，在保证管道具有足够柔性来吸收变形的前提下，应注意避免使管系过分柔软，这不但可以避免管系产生振动，还可以减少投资。
2金属波纹管膨胀节的选用
用于热补偿和增加管道柔性的金属管道元件主要有波纹管膨胀节、填料函式膨胀节和金属软管。填料函式膨胀节又可分为套管式膨胀节和球形膨胀节。填料函式膨胀节依靠部件的相对运动产生变形，达到吸收热位移的目的。由于填料函式膨胀节利用填料进行密封的同时，因受承载压力的作用，容易产生泄漏，因此可靠性较差，在重要管道上很少采用，在剧毒及易燃易爆介质管道中严禁采用。金属软管的刚性极小，一般在接近完全软连接时采用。由于刚性很小所以金属软管比较容易产生振动，且对管径、压力有一定限制，不可能做得很大。
金属波纹管膨胀节依靠波纹管的变形吸收位移，可具有较大的管径和承受较高压力，它是金属管道中最常用的柔性元件。金属波纹管膨胀节有多种形式，但均由波纹管和端点组成，对于复式膨胀节，还存在连接管。一般将具有一组波纹管的膨胀节称为单式膨胀节，具有两组波纹管的膨胀节称为复式膨胀节。在GB/T12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中，对金属波纹管膨胀节设计、制造和检验做出了具体规定。
2.1 金属波纹管膨胀节的常用类型
常用的金属波纹管膨胀节具有以下几种形式：
（1）单式轴向型膨胀节，它是由一个波纹管及结构件组成，主要用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力。
（2）单式铰链型膨胀节，它是由一个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成，只能吸收一个平面内的角位移并能承受波纹管压力推力。
（3）单式万向铰链型膨胀节，它是由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构件组成，能吸收任一个平面内的角位移并能承受波纹管压力推力。
此外，还有复式拉杆型膨胀节、复式铰链型膨胀节、复式万向铰链型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、外压单式轴向型膨胀节等。
2.2 金属波纹管膨胀节选用中应注意的问题
由于波纹管的壁厚很薄，所以金属波纹管膨胀节是管系中的薄弱环节，选用时必须谨慎，应注意以下问题。
（1） 对于自身不能吸收压力推力的无约束膨胀节，为防止膨胀节由于压力推力的作用被拉开或压缩，必须在靠近膨胀节的管道两端设置固定支架，机器、容器等设备也可起固定支架的作用。当压力较高时，作用于固定支架的推力可能很大，甚至使固定支架难以承受，无约束膨胀节一般适用于压力较低的情况。固定支架必须具有足够的强度，以承受内压推力的作用；两固定支架之间的管道中仅能布置一个无约束膨胀节；为防止失稳，膨胀节附近必须设置导向支架，且应安装在膨胀节附近，第一个导向支架与膨胀节之间的距离应不大于4倍管道外径，第二个导向支架与第一个导向支架之间的距离不得超过14倍管道外径。
（2） 膨胀节抗扭转能力较差，应尽量避免波纹管受扭。
（3） 当有下述要求之一时需设导流筒。
a. 要求保持摩擦损失尽量小及流动平稳时；
b. 流速v达到下列值时
液体： DN≤150㎜，v ＞0.02DN m/s ；
DN＞150㎜，v ＞3m/s 。
式中，DN为膨胀节公称直径，单位为㎜。当距膨胀节10倍管道直径范围内由于阀门、三通、弯头等发生湍流时，在采取上述判断之前，应将实际流速乘以4。
c. 存在腐蚀可能时；
d. 介质温度高，需降低波纹管金属温度时；
e. 当膨胀节存在横向或弯曲变形时，导流筒的直径必须足够小，使导流筒与波纹管之间存在足够的间隙，变形后二者不会发生碰撞。
（4） 在确定波纹管材料时，应考虑流动介质、外界环境和工作温度等因素。GB/T12777中列出的常用波纹管材料见表1。
表1 常见波纹管材料
（5） 膨胀节应首先考虑采用单层波纹管制造。
（6） 膨胀节中的端管、中间管、法兰接管等的材质应与安装膨胀节的管道材料相同或相近。
（7） 选用膨胀节时，一般应向膨胀节制造厂提供必要的技术条件，作为膨胀节的设计和制造依据。这些条件主要有：膨胀节的型号（代号）、膨胀节的形式、安装位置、安装方位、波纹管和接管材料、连接尺寸和连接形式、整体长度、最大径向外形尺寸、重量、膨胀节刚度、补偿量、循环次数、管内介质、最高压力、操作压力、最高温度、操作温度、是否需要导流筒等。
2.3 金属波纹管膨胀节在安装和使用中应注意的问题
金属波纹管膨胀节的安装和使用应严格按照产品说明书进行，并应注意以下问题。
（1） 如果在设计时未进行特殊考虑，禁止采用使波纹管膨胀节变形的方法来调整管道的安装偏差；
（2） 必须注意保护波纹管，使其免受敲击、划伤、焊液飞溅等原因造成的损害；
（3） 选用膨胀节时应尽量避免在现场进行预定位，如必须在现场进行预定位时，应按照制造厂专门的说明书来设置预定位的大小和方向；
（4） 固定支架和导向支架等应严格按照设计图纸进行安装，现场安装所做的任何改动都将可能影响到膨胀节功能的正常发挥，需要改动时应经原设计人员认可；
（5） 对于带有导流管的膨胀节，在安装时应注意方向不能装反；
（6） 在管道系统（包括管道、膨胀节和支架等）安装完毕、系统试压之前，应将膨胀节的运输保护装置拆除，这些保护装置一般涂有黄色油漆。应注意不能将不是运输保护装置的膨胀节附件拆除；
（7） 装有波纹管膨胀节的气体介质管道，做水压试验时，应考虑设置适当的临时支架以承受额外加到管道和膨胀节上的荷载。试驗后波纹管内可能产生积水，如这对波纹管有害或会影响正常运行，则需要采取措施排除积水；
（8） 安装铰链型膨胀节时，应注意角位移补偿方向不能装错。
参考文献
马金国等，SH/T3041石油化工管道柔性设计规范，北京：中国石化出版社，2003
段玫等，GB/T12777金属波纹管膨胀节通用技术条件，北京：中国计划出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。