阀门用金属波纹管的选型及应用分析

1 概述

随着世界范围内环保意识的增强，人们对阀门的密封要求越来越高，特别是核装置以及石油和化工等特殊场合，要求阀门必须实现“零泄漏”。因此，前苏联、德国、美国和日本等国家率先将金属波纹管应用于阀门领域，使波纹管阀门作为一个新产品首先在航空、航天、舰船和核工业等军工领域得到应用，并迅速在石油和化工等行业得以推广。

金属波纹管的作用主要是实现测量、连接、转换、补偿、隔离、密封和减振等功能。在波纹管截止阀和闸阀中的作用主要是隔离、密封和补偿功能，在自力式调节阀中，还与弹簧配套起到输出力和开启关闭阀门的作用。

用于波纹管阀门的金属波纹管主要有液压成型和焊接成型两种，要根据实际使用的阀门阀体高度、位移量、耐压能力以及刚度要求综合考虑选择何种形式的金属波纹管。金属波纹管的材料主要是奥氏体不锈钢以及高温合金钢等，材料的选择主要根据阀门实际使用介质腐蚀性和使用温度决定的。

由于近年来国内阀门行业发展非常迅速，如何在波纹管阀门设计时选择合适的金属波纹管成为行业上迫切需要解决的问题。

2 术语

在对金属波纹管设计选型时，首先要明确金属波纹管的行业术语。

波纹管—— 一种弹性、薄壁、有多个横向波纹的管壳零件。

波纹管组件—— 由二个或二个以上零件组成，其中之一是波纹管，波纹管是一个或多个串连，其他是法兰等配件。

壁厚—— 成形波纹管的原始金属管的管壁厚度，对多层波纹管则是各层壁厚的总和。

行程— — 以原始长度为基点，波纹管压缩位移与拉伸位移之和。

扭曲——长波纹管进行轴向压缩时产生的柱失稳。

公称压力——与波纹管机械强度有关的设计给定压力。

公称载荷— — 正常工作条件下允许的最大载荷或满量程值。通常是预期设计值。超载载荷一般限定在额定载荷的125%～150%。

额定位移—— 额定载荷下引起的位移，是正常使用条件下允许产生的工作位移。不产生塑性变形达到的位移为允许位移，工作位移一般是允许位移的40% ～5O% 。

波纹管刚度—— 使波纹管产生单位位移所需要的力，设计计算得出的刚度称为公称刚度或额定刚度，一般情况，公称刚度不直接采用设计值，而是产品原形经过测试后的修正值。

一次循环—— 波纹管随阀杆从全开到全闭再到全开的运动过程。

循环寿命—— 波纹管在规定压力、温度和轴向行程下往复运动而不破坏的最大循环次数。相同产品的寿命与波纹管工作状态、循环次数、频率、压力和温度等有关。

有效面积—— 弹性元件在单位压力作用下，位移为零时转换的集中力的大小。但有效面积随压力增加而变化，因此具有不恒定性，在力平衡式仪表中，要配对筛选，做到有效面积尽量一致。

3 结构

3.1 U型波纹管

常用u型波纹管结构见图1，波纹管端部接口型式见图2。接口表示方法为外配合用w (图1(a)中d 尺寸)、沿波峰切边用QD(图1(a)中D2尺寸)、内配合用N (图1(b)中D1尺寸)。推荐采用图2中(a)、(b)、(c)端部接口型式。

3. 2 波纹管组件典型结构

波纹管组件典型结构见图

4 选型

4.1 波纹管阀门典型结构

应用波纹管组件是为阀杆与阀体内的工艺流体之间提供一个可轴向变形的金属隔套，形成动密封， 以消除阀杆处的泄漏。装有波纹管组件的阀门典型结构见。

4.2 选型要求

(1) 根据阀杆的直径选择波纹管内径，波纹管的内径应大于阀杆直径1.5 mm。波纹管的外径根据波纹管内径来选择。外径和内径通过外径与内径的比值相联系，一般情况下，外径与内径的比值为1.3～1.5。

(2) 波纹管的壁厚、层数、波纹数及长度等应能满足波纹管的耐压、行程、循环寿命等要求。一般情况下，压力越大，波纹管的壁厚越厚，为了增大位移或者降低波纹管刚度，提高寿命。可以采用降低单层壁厚，增加波纹管层数的办法实现。

(3) 应设计导向结构， 以防止波纹管的扭曲。同时还应避免波纹管与阀杆或阀体之间的局部接触，以防止磨损和过早失效。应设计防扭转结构，防止波纹管扭转变形。

(4) 设计阀门时，应限制波纹管压缩和拉伸的行程，以防止波纹管承受超出循环寿命试验限定的压缩位移和拉伸位移。一般情况下，波纹管的行程不应超过自由长度的25%， 否则会影响波纹管的循环寿命。特别是高温高压环境下的波纹管阀门。

(5) 波纹管采用与阀门相同的压力和温度等级。波纹管应能承受主体阀门38℃ 条件下的公称压力和38℃条件下1.5倍的公称压力的压力试验。进行压力试验时，焊缝不能开裂、泄漏，波纹管不应发生扭曲。

(6) 波纹管组件材料应在允许的使用温度范围内选择， 同时波纹管用材料具有良好的成形性能、焊接性能和与介质的相容性。

4.3 阀门用波纹管选型标记

按照波纹管应用阀门公称通径不同分类，根据G] T 1047-1995第4条公称通径系列规定，波纹管应用阀门的公称通径可分为15 l'nlTl、20 mm、25rl'llTl 32 rl-lnl 40 rl'llTl 50 rnlTl 65 rl'llTl 80 rl'llTl100 rtqln、125 rnlTl、150 lTlrn、200 tTfn、250 mm等。

按照波纹管公称压力不同分类， 根据GB/T1048-1990第4条公称压力系列规定。波纹管公称压力可分为：1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa、6.3 MPa、10.0 MPa、15.0 MPa、16.0 MPa等。

波纹管材料

波纹管行程.mm

阀门公称通径，mm

阀门公称压力.MPa

阀门类型(截止阀J，闸阀z)

波纹管内径.mm

5 阀门用波纹管的检验

阀门用金属波纹管的检验项目主要有表面质量、几何尺寸、密封性、压力及循环寿命等。

5.1 表面质量

在标的几何尺寸和公差应符合图样要求。形，其质量应满足JB/T 6169-1992中7.1和7.2规定。

5.2 几何尺寸

用分度值为0.02 mm的卡尺或与其精度相当的其他量具和仪器，检验波纹管几何尺寸，波纹管。

5.3 密封性检验

由承制方组焊的波纹管组件应进行密封性检验，检验可用气泡检漏法。波纹管及其组件内充入0.6 MPa的压缩空气或其他无腐蚀性非可燃洁净的气体，保压3 min，在水槽中检查不应有泄漏现象。也可根据用户要求用氦质谱检漏仪检漏，不应呈现可探测出的渗漏。

5.4 压力试验

压力试验可在专用设备或阀门上进行。试验用水的氯离子含量不得超过25 X 10。。。按JB/T 9092— 1999第5.7和5.8条规定，波纹管组件在室温或38℃ 条件下， 以1.5倍公称压力进行水压试验。每个波纹管组件应固定在某一长度，此长度为常规阀门壳体试验时阀门开启位置的长度。在试验过程中应防止波纹管被拉伸和压缩。压力施加应与波纹管工作时受压方式一致。进行压力试验时，焊缝不能开裂或泄漏，波纹管不应发生扭曲。循环试验应在室温或38℃ 时的公称压力下进行。加压方式同压力试验一样。每个波纹管组件在循环试验之后应进行密封性试验，不应呈现可探测的渗漏。

5.6 出厂检验

出厂检验的项目和顺序按表3规定执行。出厂检验中有不合格项的波纹管，为不合格品。

6 结语

阀门用金属波纹管是波纹管阀门的核心器件，波纹管的设计及选型，关系到阀门的使用安全，特别是波纹管阀门的应用领域都是重点工业领域和军工领域，在新产品试制时应进行型式试验。在选用时应适用于阀门使用系统的工况条件及金属波纹管的结构特性。