波紋管膨脹節(jié)補償器：

金屬波紋管膨脹節(jié)是近十幾年來在我國廣泛應用的一種管道補償構件，特別在電力、石化、供熱、鋼鐵、城建等領域應用。其作用是在動力或熱力管網中、設備和管路、設備與設備之間的連接中起補償作用，同時也承受系統(tǒng)壓力。波紋管膨脹節(jié)以它的軸向伸縮或角度變化來補償管或路系統(tǒng)設備因溫差（或機械運動）造成的位置移動，消除設備開車、停車或正常運行條件下的振動。采用波紋管膨脹節(jié)來補償這些管路的膨脹比傳統(tǒng)的補償方法有明顯的優(yōu)點，波紋管膨脹節(jié)占地面積小、密封性能好、不易泄露、補償能力大。所以，近年來工廠的動力管網和城市的集中供熱管網中大量的使用波紋管膨脹節(jié)。
     （1）波紋管補償器也稱伸縮節(jié)、膨脹節(jié),主要為保障管道安全運行，是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的具有伸縮功能的器件，主要彈性元件為不銹鋼波紋管，依靠波紋管伸縮、彎曲來對管道進行軸向、橫向、角向補償。其作用可以起到： 1.補償吸收管道軸向、橫向、角向熱變形。 2.吸收設備振動，減少設備振動對管道的影響。 3.吸收地震、地陷對管道的變形量。
波紋管補償器是由金屬波紋管與構件組成。波紋管補償器的工作原理主要是利用自身的彈性伸縮功能，補償管道由于熱變形、機械變形和各種機械振動而產生的軸向、角向、側向及其組合位移，補償的作用具有耐壓、密封、耐腐蝕、耐溫度、耐沖擊、減振降噪的功能，起到降低管道變形和提高管道使用壽命的作用。
金屬波紋管補償器的設計、制造、安裝和運行管理等多個環(huán)節(jié)組成。因此可靠性也應該從幾方面考慮。選擇在波紋管在供熱管網選擇使用的材料，除了它的工作效率，也應考慮它的介質、工作溫度和外部環(huán)境，我們也必須考慮到的應力腐蝕，水處理劑，清洗管道的可能性影響材料，并在此基礎上，與波紋管材料，焊接，成型，材料成本和性能，指出了材料的經濟和實際生產優(yōu)化波紋管。
在正常情況下，用金屬波紋管補償器材料應當符合下列條件：
1）高彈性極限，抗拉強度和疲勞強度，以確保波紋管工作。
2）良好的可塑性，以方便補償器成型加工，并通過隨后的處理過程（加工硬化，熱處理等），以獲得足夠的硬度和強度。
3）良好的耐腐蝕性能，以滿足波紋管的工作在不同的環(huán)境要求。
4）良好的焊接性能，以滿足在焊接工藝要求生產過程中波紋管。 
波紋管補償器的應用：
1、變形與變形量大而空間位置受到限制的管道。
2、變形與位移量大而工作壓力低的大直徑管道。
3、需要限制接管負載的設備。
4、要求吸收或隔離高頻機械震動的管道。
5、要求吸收地震或地基沉降的管道。
6、吸收管道泵出口震動。
 （2）金屬波紋管種類：有碳鋼的，不銹鋼的，也有鋼質襯朔的、鋁質的等等，因其用途不同而選擇不同的金屬材料。因其材質不同，故所加工制作的金屬波紋管性能及用途也有所不同。
材質及特性：
黃銅波紋管 H80 H -60℃～+100℃ 彈性較低，遲滯和后效較大，釬焊性較好。可用于非腐蝕介質和精度不高的儀器儀表中作為測量元件。 
錫青銅波紋管 QSn6.5～0.1 X -60℃～+100℃ 彈性、強度和耐蝕均好，遲滯和彈性后效較小，釬焊性較好，廣泛用作測量元件。 
鈹青銅波紋管 QBe2 P -60℃～+150℃ 具有很小的遲滯和彈性后效，很高的彈性穩(wěn)定性、耐腐蝕、無磁性。多用于高精度的測量儀表中。 
不銹鋼波紋管 1Cr18Ni9Ti G -194℃～+400℃ 具有很高的彎曲疲勞強度和耐蝕性，焊接性能良好?？捎米鞲g性介質中的測量、密封、連接和補償元件。
作為敏感元件、減震元件、補償元件、密封元件、閥門元件及管路連接件的金屬波紋管，廣泛應用于自動控制和測量儀表、真空技術、機械工業(yè)、電力工業(yè)、交通運輸及原子能工業(yè)等領域。  
金屬波紋管是一種外形像規(guī)則的波浪樣的管材，主要由波紋管部分和兩端配合連接部分所組成，主要用于需要很小的彎曲半徑非同心軸向傳動，或者不規(guī)則轉彎、伸縮，或者吸收管道的熱變形等，或者不便于用固定彎頭安裝的場合做管道與管道的連接，或者管道與設備的連接使用。
金屬波紋管的主要技術參數：
功能參數
它們是金屬波紋管類彈性元件的主要功能指標，是判定波紋管類組件能否應用的重要判據。這類參數除給定一個額定值外，還要給定一個允差范圍（界限值），以保證彈性元件使用的可靠性。
質量參數
在金屬波紋管類組件使用時并不涉及此類參數，只有在彈性元件性能檢測與質量評定時才直接測量這些參數。根據測試結果，來判定元件的功能、質量、失效性和可靠程度。
載荷
作用在金屬波紋管及其它彈性元件上的各種預期的負荷值，如集中力F、壓力p 和力矩M 等。在金屬波紋管類彈性元件使用時，除給定施加的載荷值外，還須給定載荷的作用方向及作用位置。對于壓力載荷，還要說明彈性元件是承受內腔壓力或外腔壓力。
公稱載荷
金屬波紋管及其它彈性元件在正常工作條件下允許使用的zui大載荷值或滿量程值。它通常是預期的設計值，或是對產品原型經過實際檢測后再經修定的設計值。
行業(yè)標準以及國家的相關規(guī)定 ：符合GBT9647-2003國家標準、《預應力混凝土橋梁用金屬波紋管》JG225-2007。
不銹鋼金屬波紋管管坯采用薄壁不銹鋼帶焊管進行波形加工而成，是金屬軟管、波紋管、波紋管補償器、波紋管管坯、汽車排汽管、高壓膠管、電纜穿線管等管體*的配套產品，光亮柔軟，質量可靠，規(guī)格齊全。產品耐腐蝕，外形光潔美觀，可提高軟管成品的承壓力、耐高低溫力，延長管體的使用壽命，降低成本，廣泛用于機械、化工、冶金、建筑等各行業(yè)。
預應力金屬波紋管主要有兩種材質組成，一種是黑色的鋼帶，一種是鍍鋅的鋼帶，應用于公路橋梁、鐵路橋梁、建筑水利、電力等國家重點工程。預應力金屬波紋管的加工工藝主要是用波紋管的機器加工，波浪形的端口，相互的咬合，一圈一圈的制作而成。
預應力金屬波紋管的產品性能：
1、剛性試驗：抗集中載荷0.75KN或均布載荷1.5KN時，徑向變形≤0.1d。
2、抗?jié)B試驗：灌水或水灰比為0.5的水泥漿30分鐘無漏水、漏漿。
3、抗拉實驗：軸向拉力5KN管壁無損壞。
4、抗拔實驗：埋設在混凝土中抗拔力為地腳螺栓設計抗拔力為地腳螺栓設計抗拔力的2.3倍以上。
5、抗彎實驗：彎曲度為曲率半徑的30d時，無漏水、漏漿。

金屬波紋管的使用壽命:

是指在工作條件下使用時，能夠保證正常工作的zui短工作期限或循環(huán)次數。它的額定壽命是在產品設計時定出的預期使用壽命，要求在這段時期內波紋管不允許出現疲勞、失效、損壞等現象。用波紋管組成的彈性密封系統(tǒng)，經常在承受較多循環(huán)次數的變動載荷和較大位移條件下工作，金屬波紋管的疲勞失效將使系統(tǒng)失效，因此保證波紋管的使用壽命具有重要意義。
      傳統(tǒng)的壽命主要是利用EJMA標準中的經驗公式進行估算的方法來獲取。這種計算方法偏差很大，而且復雜工況下壽命往往只能靠安全系數來修正，不能很好地滿足工程應用的需要，因此，需要找到一種更*的壽命分析方法來進行金屬波紋管疲勞壽命分析。文中主要針對u型金屬波紋管的疲勞壽命分析來進行研究。
      1有限元分析方法和解決方案
      MSC．Fatigue軟件是一個通用性很強的基于有限元分析結果的疲勞分析設計工具，可用來靈活地預測各種復雜零件和結構的疲勞壽命，能夠很好地預測出波紋管壽命次數。材料失效前所經歷的循環(huán)次數不同，高于l0次的為高周疲勞區(qū)，低于l0次的為低周疲勞區(qū)中，a，=10，a=10。JS表示應變／?Y力，低周疲勞時縱坐標為，高周疲勞時縱坐標為S．高周疲勞主要用全壽命法進行分析，而低周疲勞主要用初始裂紋法來進行分析。波紋管的壽命次數一般在l0～l0次之間，一般同時采用全壽命法和初始裂紋法2種方法來進行分析，然后取其zui小值。該次分析實例的疲勞壽命次數在l0次以內，只需采用初始裂紋法分析即可。初始裂紋分析方法通常是基于應變壽命曲線(E—N曲線)理論來進行壽命分析。S—N＆E—N曲線在高周區(qū)域重合，因為名義應力是線性的。E—N曲線可以用于低周疲勞區(qū)，S—N曲線不能，因為線性應力／應變關系無效。
       2疲勞分析模型的創(chuàng)建
       波紋管疲勞失效指的是波紋管在特定載荷和工況下往復運動從而出現裂紋、破裂和泄漏等現象。以4層波紋管為例進行壽命分析，材料為304SS(0Crl8Ni9)，波紋數為9，幾何尺寸。
        2．1讀入模型和前處理結果
        在Fatigue軟件中，需要通過前處理軟件分析出波紋管的應力和應變分布結果，然后根據該結果進行壽命分析。前處理過程的分析非常關鍵，一般應力或應變和真實值相差10％，壽命就會偏差50％一100％。文中采用二維軸對稱模型進行分析，前處理軟件采用的是MSC．Mare，對波紋管施加內壓至16．5MPa，然后保持不變，壓縮波紋管，位移為4mm．是讀入模型后的應變結果圖．
        在壓縮4mm和內壓16．5MPa的共同作用下波紋管的zui大應變?yōu)?．0534，波谷外層為應變zui大的位置，以此為基礎進行金屬波紋管疲勞壽命分析。
       2．2設置疲勞分析參數
       2．2．1總體設置．有限元軟件中的菜單命令Analysis選用E—N方法Initia—tion；F．E．Results選用Strain作為主要失效形式。從一系列的LCF試驗中可以獲得應變壽命的關系，它可以用Coffin-Manson-Basquin方程來描述。
為總體應變；6pl為塑性應變；6el為彈性應變；s為疲勞延性系數；Ⅳf為失數循環(huán)次數；E為彈性模量；tf為疲勞強度系數；b為疲勞強度指數；c為疲勞延性指數；s為應變幅。
其中，Basquin指出高周疲勞，其疲勞壽命跟彈性應變之間符合冪函數關系，Coffin和Manson對于低周疲勞和塑性應變，得到同樣的結果，把兩者加在一起，就可以得到全應變和疲勞壽命的關系(包括低周和高周疲勞)．
       2．2．2設置位移變化譜
       波紋管在壽命試驗時，處于一個壓縮循環(huán)的過程中，故位移變化譜應該為一個三角波，波峰位置為壓縮4mm時刻波紋管位移變化波譜．
       2．2．3關聯(lián)有限元載荷工況與時間歷程
      將波紋管壓縮4朋時刻的工況作為疲勞分析時的載荷工況，此時波紋管所承受的應力和應變均處于zui大時刻O需將隨時間變化的位移譜與有限元載荷工況關聯(lián)起來，從而模擬出波紋管往復壓縮4mm這一虛擬過程。
      2．2．4設置材料信息
      Fatigue軟件中提供了大量的材料數據庫，常用材料參數均可在里面獲取，對于特殊材料產品的壽命分析需要做相關材料的疲勞試驗，從而獲取對應的s—N曲線和E—N曲線。由于該波紋管采用的材料為304SS，在Fatigue的材料數據庫中可以查到，直接調用即可，是304SS材料對應的E—N曲線．
      在選擇材料的同時，需選擇波紋管的表面光潔度和表面處理形式，使之與真實的環(huán)境更加接近。
      2．2．5設置求解參數
      分析方法選擇S—W—T方法，即Smith—WatsonTopper法，它是用一個包含每個循環(huán)的zui大應力和應變損傷參數來修正平均應力，從而更加準確的模擬出波紋管的疲勞過程。其力學模型為一s=(2Ⅳf)。+fsrf(2Ⅳf)¨。式中為zui大應力。
基于該模型可知，S—W—T方法在受拉時趨于保守，在受壓時趨于非保守。
在Stress／Strain結合選項中可以根據該產品的主要失效形式來進行選擇。分析中采用的是zui大主應力和主應變方式來進行分析，它是對該類型波紋管壽命影響zui大的參數。
       3計算結果
       參數設置完之后進行疲勞分析，然后調用所生成的結果，就可以在結果查看選項中讀取需要的疲勞結果?？梢缘贸?，波紋管的zui小壽命為6080次，位于波谷的zui外層，而波紋管的波峰處大部分處于無限壽命區(qū)。在試驗驗證中，波紋管的裂紋主要產生在波谷處，軟件分析和試驗驗證的結果基本*。
      4結論
      根據應變分析計算結果，*主應變的極值位于波紋管波谷的外層，該部位應是疲勞壽命的控制部位。采用MSC．Fatigue進行疲勞分析，疲勞壽命分布圖，zui小壽命為6080次，也位于波紋管波谷的外層，與*主應變的zui大位置相對應。
金屬波紋管試驗驗證壽命為4000～5000次，在波谷處出現了裂紋，而波紋管的其他位置未發(fā)生損壞。金屬波紋管疲勞壽命軟件分析的結果與試驗驗證對比，誤差在20％一40％之間，且薄弱位置與試驗驗證*，精度大大高于經驗公式的計算結果。
通過有限元來進行波紋管疲勞分析能夠提供零部件表面的疲勞分布圖，可以在設計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，通過修改設計，可以避免不合理的壽命分布。因此，有限元分析方法能夠減少試驗樣件的數量，縮短產品的開發(fā)周期，提高波紋管的設計水平，確保金屬波紋管的設計壽命。