波纹管补偿器
一．概述
补偿器又称膨胀节，在管系中采用波纹补偿器可以在承受系统压力的同时吸收因温差引起的热膨胀。补偿器由波纹元件及接管（筒节）、导流筒、外护管、端板等相关结构件构成。在冶金、石油、化工、电力、供热和制冷系统以及低温设备中获得了成功的应用，可吸收对轴向、横向和角向位移。其典型的工作条件为：压力从真空至6.4MPa ，温度从-200℃至1350℃.
与一般的管道元件不同，波纹管是用相当薄的材料制作而成，以便使它具有足够的柔性，可以吸收在使用中预期出现的机械位移和热位移，也能起到吸振降噪的作用。在设计、制造、运输、安装和测试等各个环节都必须注意这种产品的独特之处。
二．波纹管设计与主要性能参数
波纹管是波纹管补偿器的核心部件，是其关键功能元件。波纹管补偿器的性能主要取决于波纹管元件。
2.1 波纹管波形结构的分类
波纹管的波形结构分为U 形、Ω形、S 形、C 形等，不同的波形有不同的性能特点。
2.1.1 U形波纹管的特点
U 形波纹管是目前应用最多的一种波形。其特点是：在同等壁厚条件下承压能力较高，补偿能力较大，应力分布均匀，疲劳寿命较高，综合性能好。U 形波纹管的性能主要取决于壁厚、波高、波距、层数等。
2.1.2 Ω形波纹管的特点
Ω形波纹管特点是截面能耐高压，但补偿能力低，刚度值低。适用于压力高、位移量小、挠曲小的场合使用，制造工艺复杂。
2.1.3 C形波纹管的特点
C 形波纹管特点是承压能力较高，补偿能力低，刚度值高，制造工艺简单。一般情况下不采用。
2.1.4 S形波纹管的特点
S 形波纹管特点是承压能力较高，但补偿能力略低，工艺性较差，制造比较复杂，但不易产生应力集中，波纹管受力状态较好，刚度值低于U 形。在既要耐压高，又要求较大位移时，可采用S 形波纹管。
目前，波纹管补偿器绝大多数采用U 形波纹管。U 形波纹管工艺性好，便于加工，耐压能力和补偿能力较好，无增强U 型波纹管一般适用于压力2.5MPa 以下场合。
2.2 U形波纹管按层数分类
可分为单层波纹管和多层波纹管。
单层波纹管由一层管壁组成，容易制造，但补偿能力一般。多层波纹管由多层管壁组成，如同多个薄片弹簧，因而刚度小。与单层波纹管相比，在总的管壁厚度和波形相同条件下，多层波纹管容易变形，补偿能力大。变形所产生的应力较小，疲劳寿命高。因此，它可满足大补偿量与高压力冲击的要求（单层波纹管要求管壁薄，波纹深；多层波纹管要求管璧厚，波纹浅）在一定的工作条件下，即一定的压力、补偿量与疲劳寿命下，多层波纹管比单层波纹管外径较小，长度较短。使得多层波纹膨胀节结构紧凑，可节省材料，制造时成形容易。由于波高小，设置外套筒保护容易，安装支撑和间隔方便。当波纹膨胀节用于腐蚀环境时，多层波纹管只需在内、外层用耐腐蚀材料制造，因而可节省贵重金属。有时为了防腐，内、外层可用较大板厚的材料制造。此外，如果管壁内层由于某一原因，如腐蚀、缺陷、疲劳、安装等而出现裂纹，虽然内层已经泄漏，但其它层仍能起密封作用，这样多层波纹膨胀节不易出现突发性破坏，可延长检修周期。
2.3 U形波纹管主要几何参数与主要性能的关系
2.3.1 承压能力
壁厚越厚，承压能力越高。波高越高，承压能力越低。波距对承压能力影响不大。
2.3.2 单波补偿能力
在工作压力、疲劳寿命确定的条件下，一个波能吸收的位移能力，在确定的疲劳寿命、满足工作压力、工作温度的条件下，波纹壁厚越厚，补偿能力越差，波高越高补偿能力越大，
波距大小是一个双重变化。波距越大，有可能补偿能力增大，但增大到一定量时，补偿能力
反而下降。在同等壁厚、波高、波距，满足同等工作压力的条件下，多层波纹管的补偿能力比单层大。
2.3.3 刚度
是指波纹管产生单位位移所需要的力。对于相同口径相同压力的波纹管，刚度大小是衡量波纹管性能好坏的参数之一。
壁厚越厚，刚度值越大。波高越高，刚度值越低。波距越小刚度值越低。波数越多，刚度值越低。在同等总壁厚的情况下，层数越多，刚度值越低。如，壁厚2mm 单层波纹管的刚度值比2层1mm 多层波纹管的刚度值要高出4倍。
2.3.4 疲劳寿命
是指在正常工作条件下，波纹管能正常工作的最小循环次数。
波数越多，疲劳寿命越高。位移量越小，疲劳寿命越高。工作压力越低，疲劳寿命越高。一般说，多层波纹管疲劳寿命比单层高。波高、波距对疲劳寿命的影响比较复杂，是一个综合影响。
2.3.5 稳定性
— 平面失稳
多指一个或多个波纹平面发生偏转或翘曲，即这些波纹所在的平面不再与管轴线保持垂直。
一般，波数越多、波高越高、层数越多、使用压力越高的波纹管越容易发生平面失稳现象，是受综合因素影响的。主要的力学因素是由于内压引起的沿径线作用的弯曲应力过大，在波峰与波谷处形成塑性铰。这种情况一般产生于通径较大的波纹管。
— 柱状失稳
是一种类似于细长压杆失稳的现象。
这种情况多发生于波纹管长度与直径之比相对较大的波纹管。出现失稳时，波纹管中部突然出现侧向大变形，而两端仍保持固定。一般，波数越多、刚度值越低、通径越小的波纹管容易发生柱状失稳。
2.4 波纹管常用材料与波纹管性能之间的关系
波纹管材料选用主要取决于波纹管的工作条件与环境。其材料对波纹管寿命影响很大。 制造波纹管的常用材料有：低碳钢、不锈钢、铜或铜合金（一般用于化工行业）、铝或铝合金、钛或钛合金等还有其它高分子材料如聚四氟乙烯。
2.4.1 低碳钢材料波纹管
用于腐蚀性不强，压力不高的烟风管道上，一般很少采用。
2.4.2 不锈钢材料波纹管
多用奥氏体不锈钢薄板制造，管道用波纹管的厚度一般在0.4～3mm 。这是因为波纹管在压力和位移作用下，压力水平相当高，波峰和波谷部分基本上处在塑性范围内工作，如果处于腐蚀环境，则高应力部位是很危险的。若壁厚太厚，在同样位移作用下波纹管的应力反而会升高，波纹管材料更加容易产生腐蚀作用。所以，波纹管宜采用较薄的耐蚀材料。
常用的奥氏体不锈钢有304、304L 、316、316L 、321等，这些材料在一般的工况条件下，都具有优良的耐蚀性，适用于很多行业。波纹管常用材料的化学成分见表1，机械性能见表2。表3为各种介质条件下波纹管的推荐材料。
表1 波纹管常用材料的化学成分
表2 波纹管常用材料的机械性能
表3 各种介质条件下波纹管的推荐材料
管道补偿器通常选用SUS316L 、SUS304不锈钢，当温度大于600℃，则多用镍基合金、钴基合金，但其物价很高。300系列不锈钢也可用于高温环境，如SUS316、SUS316L 可用于450～600℃，SUS321可用于450～650℃，对高温腐蚀环境可选用Incoloy800H 、825或Inconel600、625。
三、波纹管补偿器常用的制造方法及特点
波纹管补偿器的制造工艺主要是由管坯制造，波纹管制造和补偿器组装焊接三部分组成。
3.1波纹管管坯制造工艺
波纹管的管坯有无缝管坯和焊接管坯，无缝管坯一般采用旋压拉伸和轧制等压力加工方法制造，适用于直径较小的管坯制造；而波纹膨胀节的直径较大，因此大多采用焊接管坯。波纹管管坯的焊接可采用钨极直流氢弧焊、钨极脉冲氢弧焊、微束等离子焊、熔化极氩弧焊等方法。根据管坯单层厚度不同来选择适当的焊接方法，一般单层厚度在0.5~1mm可选用钨极直流氢弧焊；1mm 以上可选用熔化极氢弧焊；2mm 以上也可用手工电弧焊；单层厚度在0.5mm 以下，可采用钨极脉冲氩弧焊和微束等离子焊。不论采用哪种焊接方法，都应采用硬规范（即大电流、高焊速）焊接，使焊接时接头的热影响尽量的小，提高焊接接头的力学性能。
多层波纹管的管坯，单层厚度一般都小于2mm ，而在通径小于lm
的波纹管中，大量采
用）0.5mm 厚的板材制造管坯。焊接时通常采用自动焊，这样有利于保证管坯焊接的质量。
对于薄壁焊接，焊接缺陷主要是外部缺陷，如烧穿、未焊透、过烧、咬边、焊缝凹陷等。所以焊缝通常只进行外观检验，而不进行X 射线检测。壁厚为0.5mm 的管坯焊缝用X 射线检测必要性不大，因为这么薄的板材焊缝内部不可能有大于φ0.5mm 的缺陷（气孔、夹杂），即使存在这么小的缺陷，由于X 射线检测的灵敏度关系也难以确定。波纹管管坯材料大都采用SUS300系列不锈钢，焊接性较好，另外，薄壁材料焊接时焊接接头的拘束度小，不易产生裂纹。对于壁厚为1~2mm的管坯焊缝，如果采用钨极氢弧焊或熔化极氩弧焊，并且是自动焊，采用单面焊双面成形工艺，焊接层数为一层时，也可以不进行X 射线检测。对于壁厚大于2mm 的管坯焊缝根据使用要求，供需双方可协议决定是否对焊缝进行X 射线检测。
管坯的纵焊缝条数应尽量少，相邻纵焊缝的间距应大于25Omm 。
管坯制造工序：板材剪切—卷筒—焊前清理—管坯焊接—管坯校圆—管坯套装
3.1.1 板材剪切
按工艺排版图和工艺卡的要求，调整剪切机的定位挡板（或在板材上划线），然后剪切板材。第一张剪切后，应进行尺寸检查，合格后再进行批量剪切，并每间隔一定数量（5~ 10张）抽检一次。检查项目有圆周展开长度和高度、切口直线度、相邻两边的垂直度。
3.1.2 卷筒
将剪切好的板材按直径大小用卷板机卷制成圆筒。对于直径与壁厚比值较大，能够自由弯曲成圆简的管坯可以不进行卷筒。
3.1.3 焊前清理
为了保证焊接质量，必须进行焊前清理，焊接接头处不得有油污和灰尘，可用无水乙醇或丙酮清洗待焊处表面，晾干后尽快进行焊接，焊工在焊接装配操作时不要用手直接接触待焊处表面。
3.1.4 管坯焊接
按工艺卡上的焊接规范参数调整好管坯焊机，将管坯在焊接夹具上装夹好，然后进行焊接。焊接后逐件进行检查，不得有烧穿和未焊透等焊缝缺陷，焊缝凹陷（或余高）和对口错边量应小于板厚的10%。
3.1.5 管坯校圆
在卷板机上对管坯进行校圆。
3.1.6 管坯套装
多层波纹管在制造过程中，各层间的间隙应小于或等于单层板厚。公称通径小于或等于1500mm 时，层间间隙小于或等于0.5mm ；公称通径大于1500mm 时，层间间隙小于或等于lmm 。管坯套装前应将管坯端口的毛刺清理干净，以免划伤管坯表面。应认真清洗每一层管坯的内外表面，不得有油污、水、灰尘。套装时各层管坯的纵焊缝应相互均匀错开。
3.2波纹管制造工艺
目前，波纹管成形主要方法有液压成形、机械胀形和滚压成形。
波纹管制造工艺方法较多。不同工艺制造的波纹管性能差异较大，对波纹管性能影响较大。目前国内外波纹管的主要制造工艺有整体液压成型工艺、胀压工艺、滚压工艺，此三种成型工艺中整体液压成型工艺制造波纹管质量最好，胀压工艺次之，滚压工艺最差。同时制造成本也是整体液压成型工艺最高，胀压工艺次之，滚压工艺最低。
波纹管制造工序如下：波纹成型—波纹管端边缝焊—波纹管端口剪切
3.2.1 波纹成型
3.2.1.1液压成型工艺及特点
利用模具和水介质压力成型的一种方法。其特点是：波纹管集合尺寸准确，表面无损伤。因此，该方法制造的波纹管抗腐蚀能力强，疲劳寿命高，是目前波纹管制造最先进、质量最可靠的工艺方法。但模具成本较高，成型速度较慢。液压成型可生产多层波纹管。
3.2.1.2胀压成型工艺及特点
是利用内模撑出波纹的一种工艺方法。成型时无需充液体介质，因此成型简便、速度快、工艺成本低。但该波纹管内表面的损伤也很严重，抗腐蚀性能较低，疲劳寿命较低。所成型的波纹管不是一个理论上的圆形，几何尺寸不准确。只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。
3.2.1.3滚压成型工艺及特点
是利用一组工作滚轮研展出波纹的一种工艺方法，其特点是可制造大口径尺寸的波纹管，工艺成本低，只能成型单层波纹管。该工艺生产的波纹管，表面损伤严重，因此抗腐蚀性能差，疲劳寿命低，只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。
3.2.1.4焊接成型、爆炸成型、电沉积成型、机械旋压成型方法因使用较少，只用于一些特种波纹管的制造。
综上，在冶金行业如高炉系统、热风炉系统、冷风系统、煤气系统用波纹管最好选用液压成型工艺方法制造，如烟风道用波纹管可选用机械胀压或滚压成型工艺制造。
3.2.2 波纹管端边缝焊
由于多层波纹管是由多层薄壁圆筒组成，为了保证波纹管与连接件（法兰或接管）的焊接质量，应采用电阻缝焊，将端边熔成单层，这样使波纹管与连接件的焊接工艺性变好．焊接质量可靠，不易出现层间渗漏。按工艺卡规定的直边段长度定位，根据壁厚和层数选定焊接规范进行焊接。一般在电阻缝焊时普遍采用水冷却，但在波纹管端边缝焊中禁止采用水冷却，因为冷却水如果进入波纹管层间，两端被焊后，波纹管层间是一个密封空间．在波纹管使用过程中，如果使用温度较高，残留在波纹管层间的水就会急剧汽化，使波纹管层间由于水的汽化产生非常大的压力，造成波纹管破坏。
3.2.3 波纹管端口的剪切
按图样或工艺卡要求的直边段长度进行端口剪切，剪切方法有以下几种：
（1）采用手动或电动剪进行端口剪切，此方法投资小，切口质量也较好，但生产效率低、劳动强度大，且不能剪切较厚的材料。
（2）采用专用的滚剪机，此方法生产效率高，切口质量好。但是，此设备不是通用设备，需生产厂家自行设计和制造。
（3）采用空气等离子切割的方法，此法简单易行，设备已形成系列，价格适宜，生产效率高，但切口质量不如前两种方法，并且切口表面有氧化物，切割后需用角向砂轮进行修磨，在切割和修磨过程中产生的金属粉尘，使得作业环境很差。
3.2.4 波纹管在制造过程中的检验
（1）波纹管允许有轻微的模痕，不得有大干钢板厚度负偏差的划痕，凹坑或凸凹不平。
（2）波纹管的波高、波距、波纹总长的公差应符合GB 1804 中Js18级要求。
（3）波纹管两端同轴度公差值，当公称通径小于等于500mm 时，为5mm ；当公称通径大于500mm 时，为公称通径的1%，且小于等于l0mm 。
（4）波纹管两端口平面应与主轴线垂直，垂直度偏差为公称通径的1%，且小于等于3mm 。
3.3 补偿器组装焊接
波纹管补偿器的组焊工序由于补偿器的结构型式不同，生产工序也不尽相同，但主要工序有：波纹管与端管（或法兰）的组焊—复式补偿器组焊（包括导向块或挡板等附件）—压力试验—其他附件的装配或焊接（如内导流套、外套、导向杆、预拉伸杆等）—总装检验。
波纹管和端管的连接焊缝往往属于异种钢焊接，不锈钢中的合金元素含量经焊接后会有烧损和稀释。为防止腐蚀的发生，该焊缝的焊接需要采用特别的焊接材料并应进行100%无损检验，不允许存在任何缺陷。为保证波纹管元件和端管连接处的焊接强度，波纹管元件和端管的焊接不采用搭接形式而采用对接的形式，以确保该连接焊缝承受的是正应力而非剪应力。
波纹管补偿器在组焊过程中应对以下各项进行检验：
（1）波纹管直边段内外径的尺寸公差应符合GB1804 中H12（或h12 ）级要求。
（2）波纹管补偿器与管道（或设备）的连接法兰和端管的尺寸及技术要求应符合相应的标准端管连接时，两端管口应开30度+/-2.5度的坡口。
（3）波纹管补偿器的端管为钢板卷制电焊管时，端管的外接端口周长公差和圆度公差应符合相关规定。
（4）波纹管与端管（或法兰）等相连的环焊缝应采用钨极氨弧焊或熔化极氩弧焊，波纹管单层壁厚大于2mm 时可采用电弧焊。
（5）组装波纹管补偿器时应对波纹管采取保护措施，防止焊接电弧烧穿波纹管和焊渣飞溅到波纹管上。补偿器各部位的焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷，咬边深度不得大于0.5mm 。
（6）波纹管补偿器承压焊缝焊接之后，应对承压焊缝进行压力试验，试验压力为设计压力的1.5倍。根据补偿器的容积大小，保压10~30min，检查补偿器各部位有无渗漏，受压时最大波距与受压前波距之比不超过1.15。
（7）补偿器组焊后应进行外观和几何尺寸的检验。补偿器两端面同轴度公差：
当公称通
径小于等于500mm 时，为5mm ；当公称通径大于500mm 时，为公称通径的1%，且小于等于10mm 。补偿器两端面与主轴线垂直度公差为公称通径的1%，且小于等于3mm 。补偿器在出厂前进行预拉伸的，预拉伸后的出厂长度公差也应符合规定，对补偿器自由状态长度和预拉伸后的出厂长度分别进行检验。
补偿器出厂前的检验主要有上述的外观检查、几何尺寸检查和压力检验。对有特殊要求的补偿器，可根据使用工况、工艺要求等，按供需双方协议进行其它方法的检验，如气密性试验、渗漏和着色，无损检验等。
四．波纹管补偿器的型式和工作原理
波纹管补偿器结构型式很多，不同的结构型式具有不同的功能、不同的特点，适用于不同管系的补偿。
4.1 波纹管补偿器的设计制造标准
目前国家认可并执行的标准有美国EJMA 标准，国家标准GB/T 12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》
4.2 波纹管补偿器的分类
按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力（盲板力）分类，可分为无约束型波纹管补偿器和有约束型波纹管补偿器。
按波纹管使用特点分类，则可分为轴向类波纹管补偿器、复式类波纹管补偿器、铰链类波纹管补偿器。
每一类都有各自的优点和缺点，所以必须根据不同的使用条件，恰当地选用才能使金属波纹管正常工作，做到金属波纹管设计选型的经济合理。
为提高膨胀节的承载能力，可设计带加强环或稳定环的膨胀节，其结构示意如下图
(1) 轴向型波纹管
由一个波纹管及结构件组成。特点：主要吸收轴向位移和少量横向位移及角向位移。补偿器拉杆属运输拉杆，不作为平衡压力推力的受力拉杆。如图4.1所示：
(a)结构简图 (b)拉伸及压缩变形示意图
(c)轴向型补偿器照片
图4.1 轴向型补偿器
(2) 平面铰链型波纹补偿器
由一组工作波纹管、端管及一对铰链板、销轴组成的补偿器。特点：以角偏转的形式吸收位移。只能两台或三台组合成一组来吸收单平面"L" 型、"Z" 型管系的位移补偿，单台不能使用。其补偿能力与三台组合的管系设计有关。如图4.2所示：
(a)结构简图
(b)角变形示意图
(c)平面铰链型补偿器照片
图4.2 平面铰链型波纹补偿器
(3) 万向铰链型波纹补偿器
由一组工作波纹管、两端管、一个平衡环、两对铰链板及销轴组成的补偿器。其平衡环、铰链板、销轴均承受管道系统的压力推力。特点：通过角偏转的形式吸收位移。不能单台使用，只能两台或三台构成一组来吸收空间"Z" 型管系的位移。主要用于压力较高的空间管道的位移补偿。补偿能力强，弹性反力小（与管道配管设计有关）。如图4.3所示：
(a)结构简图
(b)角变形示意图 (c)万向铰链型补偿器照片
图4.3 万向铰链型波纹补偿器
(4) 复式自由型波纹补偿器
由两组波纹管加一中间管和两端管构成。特点：能吸收轴向位移、横向位移及角向位移以及这些位移的组合。补偿器拉杆为运输拉杆，不能作为平衡压力推力的受力拉杆。一般只用于低压管道。主要用于"L" 型、空间"Z" 型管系的热补偿。如图4.4所示：
(a)结构简图
(b)组合变形
(c)复式自由型补偿器照片
图4.4 复式自由型波纹补偿器
(5) 复式拉杆型波纹补偿器
由两组工作波、中间接管、两端接管、拉杆装置组成的补偿器。拉杆装置装有可转动的球面垫圈。特点：只能吸收横向位移，不能吸收轴向位移和角向位移。拉杆装置起不到平衡压力推力的作用。一般用于压力较高的"L" 型或"Z" 型管道的位移补偿。补偿能力强，刚度值较低（与中间接管长度有关）。如图4.5所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意图 (c)复式拉杆补偿器照片
图4.5 复式拉杆型波纹补偿器
(6) 复式铰链型波纹补偿器
由两组工作波、中间接管、两端管、一对铰链板、销轴组成的补偿。其铰链板、销轴均承受管道的压力推力。特点：可单台使用。通过横向偏转的形式吸收平面"L" 和平面"Z" 型管道的位移，与复式拉杆型补偿器功能相似。但若配一台单式平面铰链型补偿器也可共同用来吸收平面"L" 型和平面"Z" 型管道的位移，其功能又与单式三铰链补偿器功能相同。如图4.6所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意图
(c)复式铰链型补偿器照片
图4.6 复式铰链型波纹补偿器
(7) 复式万向铰链型波纹补偿器
由两组工作波纹管、中间接管、两端管、两个平衡环、四对铰链板或两组万向球接组成的补偿器。特点：可单台使用。通过横向偏转的形式吸收空间"Z" 型管道的位移，与复式拉杆型补偿器功能相似，但较复式拉杆型补偿器稳定。若配一台单式万向铰链型补偿器共同用来吸收空间"Z" 型管道的位移，其功能又与三台单式万向铰链型补偿功能相同。如图4.7所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意
图4.7 复式万向铰链型波纹补偿器
(8) 弯管（三通）压力平衡型波纹补偿器
弯管压力平衡型补偿器由两组工作波、一组平衡波、弯头、封头、连接管、拉杆装置组成的补偿器。特点：可吸收轴向和横向组合位移，补偿能力强。一般用于压力较高的"L" 型或"Z" 型管道的位移补偿。轴向刚度值为工作波和平衡波值之和，轴向刚度较大，因此轴向弹反力较大。
三通压力平衡型补偿器由两组工作波、一组平衡波、三通、中间接管及端管、封头、拉杆装置组成。特点：能吸收轴向和横向组合位移，补偿能力强。一般用于压力较高的"T" 型、门型管道的位移补偿。轴向刚度值等同弯管压力平衡型补偿器。如图4.8所示：
(a)结构简图
(b)组合变形示意图
(c)弯管/三通压力平衡型补偿器照片
图4.8 弯管（三通）压力平衡型波纹补偿器
(9) 直管压力平衡型波纹补偿器
由位于两端的两个波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆和端板等结构件组成，主要用于吸收轴向位移并能平衡波纹管压力推力的波纹补偿器。如果让一组工作波组成复式型波纹管，并在相应处拉杆端部设置球面、锥面垫圈，则这种波纹补偿器既能吸收轴向位移，也能吸收横向位移，不能吸收角向位移。该补偿器一般用于压力较高的管道。刚度值较大，其总刚度为三组波纹管的总刚度值和。因此，弹性反力较大，补偿能力较小。主要用于直管道的热补偿。如图4.9、图4.10
(a)结构简图
(b)轴向变形示意图
(c)直管压力平衡型补偿器（内拉式）照片 (d)直管压力平衡型补偿器（外拉式）照片
图4.9 直管压力平衡型波纹补偿器
(a)结构简图 (b)组合变形示意图
(c)复式型直管压力平衡型补偿器照片
图4.10 复式型直管压力平衡型波纹补偿器
(10) 旁通压力平衡型波纹补偿器
由多组工作波、盲板、拉板及外承压筒组成的补偿器。该形式的补偿器特点是：主要吸收轴向位移，不能吸收角位移和横向位移。一组波纹管承受内压，一组波纹管承受外压。介质通过一组波纹管外部流向另一端管内，介质流向走曲线。因此，该补偿器流阻较大，只适用于压力高、介质密度低、流速不太高的气体管道。在同一条管道上不要过多装此补偿器。否则，压降很大。该补偿器刚度值较大，为两组工作波刚度之和。因此，弹性反力较大，补偿能力较小。用于直管道的热补偿。如图4.11所示：
(a)结构简图 (b)轴向变形
图4.11 旁通压力平衡型波纹补偿器
(11) 外压轴向型波纹补偿器
由承受外压的一组或多组波纹管及外管、内管和端环等结构件组成，只能用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。这种波纹补偿器由于承受外压的作用，工作时波纹管处于拉伸状态，可以由多个波纹管串联使用而不会产生柱失稳，所以吸收轴向位移能力较大。主要用于直管道的热补偿，在蒸汽管网上常用此型式的补偿器。如图4.12所示：
(a)结构简图
(b)轴向变形
图4.12 外压轴向型波纹补偿器
(12) 轴向串式波纹补偿器
轴向串式补偿器是由两组波纹管和一个中间管及可与相邻管道、设备相接的端管、以及稳定用外套管（或稳定杆）等结构件组成的挠性部件。这种补偿器只能吸收轴向位移而不能承受压力推力。其轴向补偿能力比外压轴向型小，但比普通轴向型更大。稳定用套管（或稳定拉杆）主要用于防止波纹管工作时产生柱失稳，也可以作为补偿器直埋时的外保护管。如图4.13所示：
(a)结构简图 (b)拉伸及压缩变形
图4.13轴向串式波纹补偿器
(14)特殊结构的波纹膨胀节 — 带隔热层：
在导流筒和波纹管之间加绝热材料层。在绝热材料和波纹之间的气体是死区，与在导流简内流动的高温介质几乎隔绝。高温介质的热量只能通过绝热层传给波纹管，热传导缓慢。波纹管外面是大气温度，大气被加热自然形成对流，起散热作用，也可用人工强化对流。通过设计不同厚度的绝热层，可以控制波纹管的温度，使其不超过波纹管材料的允许使用温度。根据介质温度的高低选用不同类型的绝热材料。绝热材料起隔热作用，也可用由外部通入高于管道的介质压力的蒸汽或空气代替，导流筒端部与端管之间配合间隙相对要小些。由于连续通人气体，在导流筒端部与端管之间的间隙不断喷出气体到管道内，使高温介质不能进入导流筒和波纹之间，波纹管的实际温度不会高于汽或气的温度。
— 带加强环：
在U 型波纹的波谷加刚性圆截面的圆环，能提高抗柱失稳和平面失稳的能力，从而提高耐压能力。工作压力在2.5MPa 以上时应用加强环比较合适，加强环截面可以是实心圆．也可以是空心圆环。如果采用加稳定环措施，其抗失稳能力更强。
— 焊接结构：
波纹管由焊接而成。特点是刚度小、补偿量大、轴向尺寸小。缺点是耐压强度低。为提高耐压也可以焊成多层。此外，其上艺技术要求高，成本高，它只适合在特殊场合使用。 — 矩形：
它用于低压、通风矩形管道。它的工作跟圆形波纹膨胀节相同，有轴向、角向、横向及它们的组合。波形一般为U 型和V 型。它的拐角结构型式常见的有三种，其中以圆弧转角受力状态较好。
五．波纹管补偿器在管系中的配管设计与应用
波纹管补偿器结构形式很多，其功能是不一样的。如何在管道补偿设计中配管选用，是一个非常复杂的问题，其难度远远超过补偿器本身的设计。配管设计涉及到很多学科的问题，如力学、管网结构、工艺条件、工程造价等。管网设计需要遵循以下几条原则： （1）保证管网安全可靠性
要做到这一点，首先力学计算要准确，补偿器选型要正确，力和变形要协调。否则会造成设计失误。
（2）保证管系安全可靠性的前提下要尽可能降低工程造价
不同补偿器价格相差很大，若不考虑土建工程的投资区选择便宜的补偿器比如选择轴向型补偿。该补偿器属自由型补偿器，其管道压力推力要作用到固定管架上，这就造成土建投资的增加可能得不偿失。因此，设计时应仔细对比分析，综合比较选择投资最省的补偿方式。 （3）保证管网安全可靠性的前提下尽可能使官网设计简单、敷设协调美观
任何一个管网系统，通过固定管架的合理设置可将其分断为直管段、”L ”型管段、平面”Z ”型管段、空间”Z ”型管段、空间”门”型管段、平面”门”型管段，对于不同的管段可选择不同结构形式的补偿器进行补偿。 5.1 轴向位移的补偿
图5.1是采用单式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.2是采用复式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.3是采用膨胀节吸收带支管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.4是采用膨胀节吸收具有异径管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.5表示一个包含"z" 形管段的管线上使用膨胀节的方法
图5.6是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.7表示如何采用直管压力平衡式膨胀节吸收长的直管段上的轴向位移
图5.8是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收汽轮机、泵、压缩机等设备的热膨胀的一个良好
的典型实例 5.2 对横向位移、角位移及其组合位移的补偿
在具有横向位移、角位移及其组合位移的场合，正确选择和使用膨胀节需要考虑到管道的构形、运行条件、预期的循环寿命、管道和设备的承载能力、可用于支承的结构物等多种因素。在某些情况下，可能有几种膨胀节都适合同一项应用，这时可以单纯根据经济性来考虑选择哪一种。然而，更为常见的是在各种可行的设计之中，应考虑到这一种或那一种具有独到之处，特别适合在某些特定的场合下使用。 (1) 单式膨胀节
图
20
图20、图21是采用单式膨胀节吸收轴向与横向组合位移的典型实例
图
22
图22，图23将图21中膨胀节两端的主固定支架改换为连杆。
(2) 万能式膨胀节
万能式膨胀节特别适合吸收横向位移。此外，这种设计形式也可用于吸收轴向位移、角位移以及任意由这三种形式合成的位移。万能式膨胀节一般用法是将这种带连杆的膨胀节设置在呈90°的"z" 型管道的中间管臂内，图24和图25是两个应用实例。
图24
图
25
图26是在存在轴向与横向组合位移的场合使用弯管压力平衡式膨胀节的典型实例
图27表示在管道转角不等丁90°时也可以使用弯管压力平衡式膨胀节
图28给出一种常见的非常适于使用弯管压力平衡式膨胀节的场合
图29给出了在横向位移较大的场合使用万能压力平衡式膨胀节的实例。
(3) 铰链式膨胀节
铰链式膨胀节一般以两、三个作为一组使用，用于吸收单平面管系中一个或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨胀节被它的铰链所制约，产生纯角位移; 然而，被管段分开的每对铰链式膨胀节互相配合，能够吸收横向位移。给定单个膨胀节的角位移。每对铰链式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间的距离成正比，因此为了使膨胀节充分发挥效用，应尽量加大这一距离。
膨胀节的铰链通常用于承受作用于膨胀节上的全部压力推力; 另外，也可以用于承受管道和设备的重量、风载或类似的外力。
图30说明如何用双铰链系统吸收单平面"z" 形弯管的主要热膨胀。
图30
图31
如果单平面管系的柔性不足以吸收双铰系统的弯曲挠度，或者由弯曲而产生的载荷超过了连接设备的许用极限，则可采用具有三个铰链式膨胀节的系统。图31即表示在单平面"Z" 形弯管中的三铰系统。竖直管段的热膨胀将由B 和C 两个膨胀节的动作来吸收。于是，很明显，膨胀节B 必须能吸收由A 和C 两个膨胀节一起形成的转动。
图32说明在弯管角度不等于90°时，使用铰链式膨胀节的工作原理。在这里只需要使用中间固定支架平面导向支架。
图33说明连接设备亦产生平面位移时应用铰链式膨胀节的实例。
图34给出了设备与管道连接系统中应用铰链膨胀节的实例。 (4) 万向铰链式膨胀节
正如铰链式膨胀节在平面管系中具有很大的优越性一样，万向铰链式膨胀节在空间管系中具有类似的优越性。万向铰链式膨胀节具有吸收任意平面内的角位移的能力，常常利用这一点将它们组成一对，用来吸收横向位移。图35给出了一个应用实例。
如果不可能或不打算利用管道的弯曲来吸收竖直管臂的伸长，则可采用如图36所示由两个万向铰链式膨胀节和一个铰链式膨胀节组成的系统。
波纹管补偿器
一．概述
补偿器又称膨胀节，在管系中采用波纹补偿器可以在承受系统压力的同时吸收因温差引起的热膨胀。补偿器由波纹元件及接管（筒节）、导流筒、外护管、端板等相关结构件构成。在冶金、石油、化工、电力、供热和制冷系统以及低温设备中获得了成功的应用，可吸收对轴向、横向和角向位移。其典型的工作条件为：压力从真空至6.4MPa ，温度从-200℃至1350℃.
与一般的管道元件不同，波纹管是用相当薄的材料制作而成，以便使它具有足够的柔性，可以吸收在使用中预期出现的机械位移和热位移，也能起到吸振降噪的作用。在设计、制造、运输、安装和测试等各个环节都必须注意这种产品的独特之处。
二．波纹管设计与主要性能参数
波纹管是波纹管补偿器的核心部件，是其关键功能元件。波纹管补偿器的性能主要取决于波纹管元件。
2.1 波纹管波形结构的分类
波纹管的波形结构分为U 形、Ω形、S 形、C 形等，不同的波形有不同的性能特点。
2.1.1 U形波纹管的特点
U 形波纹管是目前应用最多的一种波形。其特点是：在同等壁厚条件下承压能力较高，补偿能力较大，应力分布均匀，疲劳寿命较高，综合性能好。U 形波纹管的性能主要取决于壁厚、波高、波距、层数等。
2.1.2 Ω形波纹管的特点
Ω形波纹管特点是截面能耐高压，但补偿能力低，刚度值低。适用于压力高、位移量小、挠曲小的场合使用，制造工艺复杂。
2.1.3 C形波纹管的特点
C 形波纹管特点是承压能力较高，补偿能力低，刚度值高，制造工艺简单。一般情况下不采用。
2.1.4 S形波纹管的特点
S 形波纹管特点是承压能力较高，但补偿能力略低，工艺性较差，制造比较复杂，但不易产生应力集中，波纹管受力状态较好，刚度值低于U 形。在既要耐压高，又要求较大位移时，可采用S 形波纹管。
目前，波纹管补偿器绝大多数采用U 形波纹管。U 形波纹管工艺性好，便于加工，耐压能力和补偿能力较好，无增强U 型波纹管一般适用于压力2.5MPa 以下场合。
2.2 U形波纹管按层数分类
可分为单层波纹管和多层波纹管。
单层波纹管由一层管壁组成，容易制造，但补偿能力一般。多层波纹管由多层管壁组成，如同多个薄片弹簧，因而刚度小。与单层波纹管相比，在总的管壁厚度和波形相同条件下，多层波纹管容易变形，补偿能力大。变形所产生的应力较小，疲劳寿命高。因此，它可满足大补偿量与高压力冲击的要求（单层波纹管要求管壁薄，波纹深；多层波纹管要求管璧厚，波纹浅）在一定的工作条件下，即一定的压力、补偿量与疲劳寿命下，多层波纹管比单层波纹管外径较小，长度较短。使得多层波纹膨胀节结构紧凑，可节省材料，制造时成形容易。由于波高小，设置外套筒保护容易，安装支撑和间隔方便。当波纹膨胀节用于腐蚀环境时，多层波纹管只需在内、外层用耐腐蚀材料制造，因而可节省贵重金属。有时为了防腐，内、外层可用较大板厚的材料制造。此外，如果管壁内层由于某一原因，如腐蚀、缺陷、疲劳、安装等而出现裂纹，虽然内层已经泄漏，但其它层仍能起密封作用，这样多层波纹膨胀节不易出现突发性破坏，可延长检修周期。
2.3 U形波纹管主要几何参数与主要性能的关系
2.3.1 承压能力
壁厚越厚，承压能力越高。波高越高，承压能力越低。波距对承压能力影响不大。
2.3.2 单波补偿能力
在工作压力、疲劳寿命确定的条件下，一个波能吸收的位移能力，在确定的疲劳寿命、满足工作压力、工作温度的条件下，波纹壁厚越厚，补偿能力越差，波高越高补偿能力越大，
波距大小是一个双重变化。波距越大，有可能补偿能力增大，但增大到一定量时，补偿能力
反而下降。在同等壁厚、波高、波距，满足同等工作压力的条件下，多层波纹管的补偿能力比单层大。
2.3.3 刚度
是指波纹管产生单位位移所需要的力。对于相同口径相同压力的波纹管，刚度大小是衡量波纹管性能好坏的参数之一。
壁厚越厚，刚度值越大。波高越高，刚度值越低。波距越小刚度值越低。波数越多，刚度值越低。在同等总壁厚的情况下，层数越多，刚度值越低。如，壁厚2mm 单层波纹管的刚度值比2层1mm 多层波纹管的刚度值要高出4倍。
2.3.4 疲劳寿命
是指在正常工作条件下，波纹管能正常工作的最小循环次数。
波数越多，疲劳寿命越高。位移量越小，疲劳寿命越高。工作压力越低，疲劳寿命越高。一般说，多层波纹管疲劳寿命比单层高。波高、波距对疲劳寿命的影响比较复杂，是一个综合影响。
2.3.5 稳定性
— 平面失稳
多指一个或多个波纹平面发生偏转或翘曲，即这些波纹所在的平面不再与管轴线保持垂直。
一般，波数越多、波高越高、层数越多、使用压力越高的波纹管越容易发生平面失稳现象，是受综合因素影响的。主要的力学因素是由于内压引起的沿径线作用的弯曲应力过大，在波峰与波谷处形成塑性铰。这种情况一般产生于通径较大的波纹管。
— 柱状失稳
是一种类似于细长压杆失稳的现象。
这种情况多发生于波纹管长度与直径之比相对较大的波纹管。出现失稳时，波纹管中部突然出现侧向大变形，而两端仍保持固定。一般，波数越多、刚度值越低、通径越小的波纹管容易发生柱状失稳。
2.4 波纹管常用材料与波纹管性能之间的关系
波纹管材料选用主要取决于波纹管的工作条件与环境。其材料对波纹管寿命影响很大。 制造波纹管的常用材料有：低碳钢、不锈钢、铜或铜合金（一般用于化工行业）、铝或铝合金、钛或钛合金等还有其它高分子材料如聚四氟乙烯。
2.4.1 低碳钢材料波纹管
用于腐蚀性不强，压力不高的烟风管道上，一般很少采用。
2.4.2 不锈钢材料波纹管
多用奥氏体不锈钢薄板制造，管道用波纹管的厚度一般在0.4～3mm 。这是因为波纹管在压力和位移作用下，压力水平相当高，波峰和波谷部分基本上处在塑性范围内工作，如果处于腐蚀环境，则高应力部位是很危险的。若壁厚太厚，在同样位移作用下波纹管的应力反而会升高，波纹管材料更加容易产生腐蚀作用。所以，波纹管宜采用较薄的耐蚀材料。
常用的奥氏体不锈钢有304、304L 、316、316L 、321等，这些材料在一般的工况条件下，都具有优良的耐蚀性，适用于很多行业。波纹管常用材料的化学成分见表1，机械性能见表2。表3为各种介质条件下波纹管的推荐材料。
表1 波纹管常用材料的化学成分
表2 波纹管常用材料的机械性能
表3 各种介质条件下波纹管的推荐材料
管道补偿器通常选用SUS316L 、SUS304不锈钢，当温度大于600℃，则多用镍基合金、钴基合金，但其物价很高。300系列不锈钢也可用于高温环境，如SUS316、SUS316L 可用于450～600℃，SUS321可用于450～650℃，对高温腐蚀环境可选用Incoloy800H 、825或Inconel600、625。
三、波纹管补偿器常用的制造方法及特点
波纹管补偿器的制造工艺主要是由管坯制造，波纹管制造和补偿器组装焊接三部分组成。
3.1波纹管管坯制造工艺
波纹管的管坯有无缝管坯和焊接管坯，无缝管坯一般采用旋压拉伸和轧制等压力加工方法制造，适用于直径较小的管坯制造；而波纹膨胀节的直径较大，因此大多采用焊接管坯。波纹管管坯的焊接可采用钨极直流氢弧焊、钨极脉冲氢弧焊、微束等离子焊、熔化极氩弧焊等方法。根据管坯单层厚度不同来选择适当的焊接方法，一般单层厚度在0.5~1mm可选用钨极直流氢弧焊；1mm 以上可选用熔化极氢弧焊；2mm 以上也可用手工电弧焊；单层厚度在0.5mm 以下，可采用钨极脉冲氩弧焊和微束等离子焊。不论采用哪种焊接方法，都应采用硬规范（即大电流、高焊速）焊接，使焊接时接头的热影响尽量的小，提高焊接接头的力学性能。
多层波纹管的管坯，单层厚度一般都小于2mm ，而在通径小于lm
的波纹管中，大量采
用）0.5mm 厚的板材制造管坯。焊接时通常采用自动焊，这样有利于保证管坯焊接的质量。
对于薄壁焊接，焊接缺陷主要是外部缺陷，如烧穿、未焊透、过烧、咬边、焊缝凹陷等。所以焊缝通常只进行外观检验，而不进行X 射线检测。壁厚为0.5mm 的管坯焊缝用X 射线检测必要性不大，因为这么薄的板材焊缝内部不可能有大于φ0.5mm 的缺陷（气孔、夹杂），即使存在这么小的缺陷，由于X 射线检测的灵敏度关系也难以确定。波纹管管坯材料大都采用SUS300系列不锈钢，焊接性较好，另外，薄壁材料焊接时焊接接头的拘束度小，不易产生裂纹。对于壁厚为1~2mm的管坯焊缝，如果采用钨极氢弧焊或熔化极氩弧焊，并且是自动焊，采用单面焊双面成形工艺，焊接层数为一层时，也可以不进行X 射线检测。对于壁厚大于2mm 的管坯焊缝根据使用要求，供需双方可协议决定是否对焊缝进行X 射线检测。
管坯的纵焊缝条数应尽量少，相邻纵焊缝的间距应大于25Omm 。
管坯制造工序：板材剪切—卷筒—焊前清理—管坯焊接—管坯校圆—管坯套装
3.1.1 板材剪切
按工艺排版图和工艺卡的要求，调整剪切机的定位挡板（或在板材上划线），然后剪切板材。第一张剪切后，应进行尺寸检查，合格后再进行批量剪切，并每间隔一定数量（5~ 10张）抽检一次。检查项目有圆周展开长度和高度、切口直线度、相邻两边的垂直度。
3.1.2 卷筒
将剪切好的板材按直径大小用卷板机卷制成圆筒。对于直径与壁厚比值较大，能够自由弯曲成圆简的管坯可以不进行卷筒。
3.1.3 焊前清理
为了保证焊接质量，必须进行焊前清理，焊接接头处不得有油污和灰尘，可用无水乙醇或丙酮清洗待焊处表面，晾干后尽快进行焊接，焊工在焊接装配操作时不要用手直接接触待焊处表面。
3.1.4 管坯焊接
按工艺卡上的焊接规范参数调整好管坯焊机，将管坯在焊接夹具上装夹好，然后进行焊接。焊接后逐件进行检查，不得有烧穿和未焊透等焊缝缺陷，焊缝凹陷（或余高）和对口错边量应小于板厚的10%。
3.1.5 管坯校圆
在卷板机上对管坯进行校圆。
3.1.6 管坯套装
多层波纹管在制造过程中，各层间的间隙应小于或等于单层板厚。公称通径小于或等于1500mm 时，层间间隙小于或等于0.5mm ；公称通径大于1500mm 时，层间间隙小于或等于lmm 。管坯套装前应将管坯端口的毛刺清理干净，以免划伤管坯表面。应认真清洗每一层管坯的内外表面，不得有油污、水、灰尘。套装时各层管坯的纵焊缝应相互均匀错开。
3.2波纹管制造工艺
目前，波纹管成形主要方法有液压成形、机械胀形和滚压成形。
波纹管制造工艺方法较多。不同工艺制造的波纹管性能差异较大，对波纹管性能影响较大。目前国内外波纹管的主要制造工艺有整体液压成型工艺、胀压工艺、滚压工艺，此三种成型工艺中整体液压成型工艺制造波纹管质量最好，胀压工艺次之，滚压工艺最差。同时制造成本也是整体液压成型工艺最高，胀压工艺次之，滚压工艺最低。
波纹管制造工序如下：波纹成型—波纹管端边缝焊—波纹管端口剪切
3.2.1 波纹成型
3.2.1.1液压成型工艺及特点
利用模具和水介质压力成型的一种方法。其特点是：波纹管集合尺寸准确，表面无损伤。因此，该方法制造的波纹管抗腐蚀能力强，疲劳寿命高，是目前波纹管制造最先进、质量最可靠的工艺方法。但模具成本较高，成型速度较慢。液压成型可生产多层波纹管。
3.2.1.2胀压成型工艺及特点
是利用内模撑出波纹的一种工艺方法。成型时无需充液体介质，因此成型简便、速度快、工艺成本低。但该波纹管内表面的损伤也很严重，抗腐蚀性能较低，疲劳寿命较低。所成型的波纹管不是一个理论上的圆形，几何尺寸不准确。只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。
3.2.1.3滚压成型工艺及特点
是利用一组工作滚轮研展出波纹的一种工艺方法，其特点是可制造大口径尺寸的波纹管，工艺成本低，只能成型单层波纹管。该工艺生产的波纹管，表面损伤严重，因此抗腐蚀性能差，疲劳寿命低，只能制作一些使用场合要求不高的波纹管。
3.2.1.4焊接成型、爆炸成型、电沉积成型、机械旋压成型方法因使用较少，只用于一些特种波纹管的制造。
综上，在冶金行业如高炉系统、热风炉系统、冷风系统、煤气系统用波纹管最好选用液压成型工艺方法制造，如烟风道用波纹管可选用机械胀压或滚压成型工艺制造。
3.2.2 波纹管端边缝焊
由于多层波纹管是由多层薄壁圆筒组成，为了保证波纹管与连接件（法兰或接管）的焊接质量，应采用电阻缝焊，将端边熔成单层，这样使波纹管与连接件的焊接工艺性变好．焊接质量可靠，不易出现层间渗漏。按工艺卡规定的直边段长度定位，根据壁厚和层数选定焊接规范进行焊接。一般在电阻缝焊时普遍采用水冷却，但在波纹管端边缝焊中禁止采用水冷却，因为冷却水如果进入波纹管层间，两端被焊后，波纹管层间是一个密封空间．在波纹管使用过程中，如果使用温度较高，残留在波纹管层间的水就会急剧汽化，使波纹管层间由于水的汽化产生非常大的压力，造成波纹管破坏。
3.2.3 波纹管端口的剪切
按图样或工艺卡要求的直边段长度进行端口剪切，剪切方法有以下几种：
（1）采用手动或电动剪进行端口剪切，此方法投资小，切口质量也较好，但生产效率低、劳动强度大，且不能剪切较厚的材料。
（2）采用专用的滚剪机，此方法生产效率高，切口质量好。但是，此设备不是通用设备，需生产厂家自行设计和制造。
（3）采用空气等离子切割的方法，此法简单易行，设备已形成系列，价格适宜，生产效率高，但切口质量不如前两种方法，并且切口表面有氧化物，切割后需用角向砂轮进行修磨，在切割和修磨过程中产生的金属粉尘，使得作业环境很差。
3.2.4 波纹管在制造过程中的检验
（1）波纹管允许有轻微的模痕，不得有大干钢板厚度负偏差的划痕，凹坑或凸凹不平。
（2）波纹管的波高、波距、波纹总长的公差应符合GB 1804 中Js18级要求。
（3）波纹管两端同轴度公差值，当公称通径小于等于500mm 时，为5mm ；当公称通径大于500mm 时，为公称通径的1%，且小于等于l0mm 。
（4）波纹管两端口平面应与主轴线垂直，垂直度偏差为公称通径的1%，且小于等于3mm 。
3.3 补偿器组装焊接
波纹管补偿器的组焊工序由于补偿器的结构型式不同，生产工序也不尽相同，但主要工序有：波纹管与端管（或法兰）的组焊—复式补偿器组焊（包括导向块或挡板等附件）—压力试验—其他附件的装配或焊接（如内导流套、外套、导向杆、预拉伸杆等）—总装检验。
波纹管和端管的连接焊缝往往属于异种钢焊接，不锈钢中的合金元素含量经焊接后会有烧损和稀释。为防止腐蚀的发生，该焊缝的焊接需要采用特别的焊接材料并应进行100%无损检验，不允许存在任何缺陷。为保证波纹管元件和端管连接处的焊接强度，波纹管元件和端管的焊接不采用搭接形式而采用对接的形式，以确保该连接焊缝承受的是正应力而非剪应力。
波纹管补偿器在组焊过程中应对以下各项进行检验：
（1）波纹管直边段内外径的尺寸公差应符合GB1804 中H12（或h12 ）级要求。
（2）波纹管补偿器与管道（或设备）的连接法兰和端管的尺寸及技术要求应符合相应的标准端管连接时，两端管口应开30度+/-2.5度的坡口。
（3）波纹管补偿器的端管为钢板卷制电焊管时，端管的外接端口周长公差和圆度公差应符合相关规定。
（4）波纹管与端管（或法兰）等相连的环焊缝应采用钨极氨弧焊或熔化极氩弧焊，波纹管单层壁厚大于2mm 时可采用电弧焊。
（5）组装波纹管补偿器时应对波纹管采取保护措施，防止焊接电弧烧穿波纹管和焊渣飞溅到波纹管上。补偿器各部位的焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷，咬边深度不得大于0.5mm 。
（6）波纹管补偿器承压焊缝焊接之后，应对承压焊缝进行压力试验，试验压力为设计压力的1.5倍。根据补偿器的容积大小，保压10~30min，检查补偿器各部位有无渗漏，受压时最大波距与受压前波距之比不超过1.15。
（7）补偿器组焊后应进行外观和几何尺寸的检验。补偿器两端面同轴度公差：
当公称通
径小于等于500mm 时，为5mm ；当公称通径大于500mm 时，为公称通径的1%，且小于等于10mm 。补偿器两端面与主轴线垂直度公差为公称通径的1%，且小于等于3mm 。补偿器在出厂前进行预拉伸的，预拉伸后的出厂长度公差也应符合规定，对补偿器自由状态长度和预拉伸后的出厂长度分别进行检验。
补偿器出厂前的检验主要有上述的外观检查、几何尺寸检查和压力检验。对有特殊要求的补偿器，可根据使用工况、工艺要求等，按供需双方协议进行其它方法的检验，如气密性试验、渗漏和着色，无损检验等。
四．波纹管补偿器的型式和工作原理
波纹管补偿器结构型式很多，不同的结构型式具有不同的功能、不同的特点，适用于不同管系的补偿。
4.1 波纹管补偿器的设计制造标准
目前国家认可并执行的标准有美国EJMA 标准，国家标准GB/T 12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》
4.2 波纹管补偿器的分类
按是否能吸收管道内介质压力所产生的压力推力（盲板力）分类，可分为无约束型波纹管补偿器和有约束型波纹管补偿器。
按波纹管使用特点分类，则可分为轴向类波纹管补偿器、复式类波纹管补偿器、铰链类波纹管补偿器。
每一类都有各自的优点和缺点，所以必须根据不同的使用条件，恰当地选用才能使金属波纹管正常工作，做到金属波纹管设计选型的经济合理。
为提高膨胀节的承载能力，可设计带加强环或稳定环的膨胀节，其结构示意如下图
(1) 轴向型波纹管
由一个波纹管及结构件组成。特点：主要吸收轴向位移和少量横向位移及角向位移。补偿器拉杆属运输拉杆，不作为平衡压力推力的受力拉杆。如图4.1所示：
(a)结构简图 (b)拉伸及压缩变形示意图
(c)轴向型补偿器照片
图4.1 轴向型补偿器
(2) 平面铰链型波纹补偿器
由一组工作波纹管、端管及一对铰链板、销轴组成的补偿器。特点：以角偏转的形式吸收位移。只能两台或三台组合成一组来吸收单平面"L" 型、"Z" 型管系的位移补偿，单台不能使用。其补偿能力与三台组合的管系设计有关。如图4.2所示：
(a)结构简图
(b)角变形示意图
(c)平面铰链型补偿器照片
图4.2 平面铰链型波纹补偿器
(3) 万向铰链型波纹补偿器
由一组工作波纹管、两端管、一个平衡环、两对铰链板及销轴组成的补偿器。其平衡环、铰链板、销轴均承受管道系统的压力推力。特点：通过角偏转的形式吸收位移。不能单台使用，只能两台或三台构成一组来吸收空间"Z" 型管系的位移。主要用于压力较高的空间管道的位移补偿。补偿能力强，弹性反力小（与管道配管设计有关）。如图4.3所示：
(a)结构简图
(b)角变形示意图 (c)万向铰链型补偿器照片
图4.3 万向铰链型波纹补偿器
(4) 复式自由型波纹补偿器
由两组波纹管加一中间管和两端管构成。特点：能吸收轴向位移、横向位移及角向位移以及这些位移的组合。补偿器拉杆为运输拉杆，不能作为平衡压力推力的受力拉杆。一般只用于低压管道。主要用于"L" 型、空间"Z" 型管系的热补偿。如图4.4所示：
(a)结构简图
(b)组合变形
(c)复式自由型补偿器照片
图4.4 复式自由型波纹补偿器
(5) 复式拉杆型波纹补偿器
由两组工作波、中间接管、两端接管、拉杆装置组成的补偿器。拉杆装置装有可转动的球面垫圈。特点：只能吸收横向位移，不能吸收轴向位移和角向位移。拉杆装置起不到平衡压力推力的作用。一般用于压力较高的"L" 型或"Z" 型管道的位移补偿。补偿能力强，刚度值较低（与中间接管长度有关）。如图4.5所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意图 (c)复式拉杆补偿器照片
图4.5 复式拉杆型波纹补偿器
(6) 复式铰链型波纹补偿器
由两组工作波、中间接管、两端管、一对铰链板、销轴组成的补偿。其铰链板、销轴均承受管道的压力推力。特点：可单台使用。通过横向偏转的形式吸收平面"L" 和平面"Z" 型管道的位移，与复式拉杆型补偿器功能相似。但若配一台单式平面铰链型补偿器也可共同用来吸收平面"L" 型和平面"Z" 型管道的位移，其功能又与单式三铰链补偿器功能相同。如图4.6所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意图
(c)复式铰链型补偿器照片
图4.6 复式铰链型波纹补偿器
(7) 复式万向铰链型波纹补偿器
由两组工作波纹管、中间接管、两端管、两个平衡环、四对铰链板或两组万向球接组成的补偿器。特点：可单台使用。通过横向偏转的形式吸收空间"Z" 型管道的位移，与复式拉杆型补偿器功能相似，但较复式拉杆型补偿器稳定。若配一台单式万向铰链型补偿器共同用来吸收空间"Z" 型管道的位移，其功能又与三台单式万向铰链型补偿功能相同。如图4.7所示：
(a)结构简图
(b)横向变形示意
图4.7 复式万向铰链型波纹补偿器
(8) 弯管（三通）压力平衡型波纹补偿器
弯管压力平衡型补偿器由两组工作波、一组平衡波、弯头、封头、连接管、拉杆装置组成的补偿器。特点：可吸收轴向和横向组合位移，补偿能力强。一般用于压力较高的"L" 型或"Z" 型管道的位移补偿。轴向刚度值为工作波和平衡波值之和，轴向刚度较大，因此轴向弹反力较大。
三通压力平衡型补偿器由两组工作波、一组平衡波、三通、中间接管及端管、封头、拉杆装置组成。特点：能吸收轴向和横向组合位移，补偿能力强。一般用于压力较高的"T" 型、门型管道的位移补偿。轴向刚度值等同弯管压力平衡型补偿器。如图4.8所示：
(a)结构简图
(b)组合变形示意图
(c)弯管/三通压力平衡型补偿器照片
图4.8 弯管（三通）压力平衡型波纹补偿器
(9) 直管压力平衡型波纹补偿器
由位于两端的两个波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆和端板等结构件组成，主要用于吸收轴向位移并能平衡波纹管压力推力的波纹补偿器。如果让一组工作波组成复式型波纹管，并在相应处拉杆端部设置球面、锥面垫圈，则这种波纹补偿器既能吸收轴向位移，也能吸收横向位移，不能吸收角向位移。该补偿器一般用于压力较高的管道。刚度值较大，其总刚度为三组波纹管的总刚度值和。因此，弹性反力较大，补偿能力较小。主要用于直管道的热补偿。如图4.9、图4.10
(a)结构简图
(b)轴向变形示意图
(c)直管压力平衡型补偿器（内拉式）照片 (d)直管压力平衡型补偿器（外拉式）照片
图4.9 直管压力平衡型波纹补偿器
(a)结构简图 (b)组合变形示意图
(c)复式型直管压力平衡型补偿器照片
图4.10 复式型直管压力平衡型波纹补偿器
(10) 旁通压力平衡型波纹补偿器
由多组工作波、盲板、拉板及外承压筒组成的补偿器。该形式的补偿器特点是：主要吸收轴向位移，不能吸收角位移和横向位移。一组波纹管承受内压，一组波纹管承受外压。介质通过一组波纹管外部流向另一端管内，介质流向走曲线。因此，该补偿器流阻较大，只适用于压力高、介质密度低、流速不太高的气体管道。在同一条管道上不要过多装此补偿器。否则，压降很大。该补偿器刚度值较大，为两组工作波刚度之和。因此，弹性反力较大，补偿能力较小。用于直管道的热补偿。如图4.11所示：
(a)结构简图 (b)轴向变形
图4.11 旁通压力平衡型波纹补偿器
(11) 外压轴向型波纹补偿器
由承受外压的一组或多组波纹管及外管、内管和端环等结构件组成，只能用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力的波纹补偿器。这种波纹补偿器由于承受外压的作用，工作时波纹管处于拉伸状态，可以由多个波纹管串联使用而不会产生柱失稳，所以吸收轴向位移能力较大。主要用于直管道的热补偿，在蒸汽管网上常用此型式的补偿器。如图4.12所示：
(a)结构简图
(b)轴向变形
图4.12 外压轴向型波纹补偿器
(12) 轴向串式波纹补偿器
轴向串式补偿器是由两组波纹管和一个中间管及可与相邻管道、设备相接的端管、以及稳定用外套管（或稳定杆）等结构件组成的挠性部件。这种补偿器只能吸收轴向位移而不能承受压力推力。其轴向补偿能力比外压轴向型小，但比普通轴向型更大。稳定用套管（或稳定拉杆）主要用于防止波纹管工作时产生柱失稳，也可以作为补偿器直埋时的外保护管。如图4.13所示：
(a)结构简图 (b)拉伸及压缩变形
图4.13轴向串式波纹补偿器
(14)特殊结构的波纹膨胀节 — 带隔热层：
在导流筒和波纹管之间加绝热材料层。在绝热材料和波纹之间的气体是死区，与在导流简内流动的高温介质几乎隔绝。高温介质的热量只能通过绝热层传给波纹管，热传导缓慢。波纹管外面是大气温度，大气被加热自然形成对流，起散热作用，也可用人工强化对流。通过设计不同厚度的绝热层，可以控制波纹管的温度，使其不超过波纹管材料的允许使用温度。根据介质温度的高低选用不同类型的绝热材料。绝热材料起隔热作用，也可用由外部通入高于管道的介质压力的蒸汽或空气代替，导流筒端部与端管之间配合间隙相对要小些。由于连续通人气体，在导流筒端部与端管之间的间隙不断喷出气体到管道内，使高温介质不能进入导流筒和波纹之间，波纹管的实际温度不会高于汽或气的温度。
— 带加强环：
在U 型波纹的波谷加刚性圆截面的圆环，能提高抗柱失稳和平面失稳的能力，从而提高耐压能力。工作压力在2.5MPa 以上时应用加强环比较合适，加强环截面可以是实心圆．也可以是空心圆环。如果采用加稳定环措施，其抗失稳能力更强。
— 焊接结构：
波纹管由焊接而成。特点是刚度小、补偿量大、轴向尺寸小。缺点是耐压强度低。为提高耐压也可以焊成多层。此外，其上艺技术要求高，成本高，它只适合在特殊场合使用。 — 矩形：
它用于低压、通风矩形管道。它的工作跟圆形波纹膨胀节相同，有轴向、角向、横向及它们的组合。波形一般为U 型和V 型。它的拐角结构型式常见的有三种，其中以圆弧转角受力状态较好。
五．波纹管补偿器在管系中的配管设计与应用
波纹管补偿器结构形式很多，其功能是不一样的。如何在管道补偿设计中配管选用，是一个非常复杂的问题，其难度远远超过补偿器本身的设计。配管设计涉及到很多学科的问题，如力学、管网结构、工艺条件、工程造价等。管网设计需要遵循以下几条原则： （1）保证管网安全可靠性
要做到这一点，首先力学计算要准确，补偿器选型要正确，力和变形要协调。否则会造成设计失误。
（2）保证管系安全可靠性的前提下要尽可能降低工程造价
不同补偿器价格相差很大，若不考虑土建工程的投资区选择便宜的补偿器比如选择轴向型补偿。该补偿器属自由型补偿器，其管道压力推力要作用到固定管架上，这就造成土建投资的增加可能得不偿失。因此，设计时应仔细对比分析，综合比较选择投资最省的补偿方式。 （3）保证管网安全可靠性的前提下尽可能使官网设计简单、敷设协调美观
任何一个管网系统，通过固定管架的合理设置可将其分断为直管段、”L ”型管段、平面”Z ”型管段、空间”Z ”型管段、空间”门”型管段、平面”门”型管段，对于不同的管段可选择不同结构形式的补偿器进行补偿。 5.1 轴向位移的补偿
图5.1是采用单式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.2是采用复式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.3是采用膨胀节吸收带支管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.4是采用膨胀节吸收具有异径管的管线的轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.5表示一个包含"z" 形管段的管线上使用膨胀节的方法
图5.6是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收管线轴向膨胀的一个良好的典型实例
图5.7表示如何采用直管压力平衡式膨胀节吸收长的直管段上的轴向位移
图5.8是采用弯管压力平衡式膨胀节吸收汽轮机、泵、压缩机等设备的热膨胀的一个良好
的典型实例 5.2 对横向位移、角位移及其组合位移的补偿
在具有横向位移、角位移及其组合位移的场合，正确选择和使用膨胀节需要考虑到管道的构形、运行条件、预期的循环寿命、管道和设备的承载能力、可用于支承的结构物等多种因素。在某些情况下，可能有几种膨胀节都适合同一项应用，这时可以单纯根据经济性来考虑选择哪一种。然而，更为常见的是在各种可行的设计之中，应考虑到这一种或那一种具有独到之处，特别适合在某些特定的场合下使用。 (1) 单式膨胀节
图
20
图20、图21是采用单式膨胀节吸收轴向与横向组合位移的典型实例
图
22
图22，图23将图21中膨胀节两端的主固定支架改换为连杆。
(2) 万能式膨胀节
万能式膨胀节特别适合吸收横向位移。此外，这种设计形式也可用于吸收轴向位移、角位移以及任意由这三种形式合成的位移。万能式膨胀节一般用法是将这种带连杆的膨胀节设置在呈90°的"z" 型管道的中间管臂内，图24和图25是两个应用实例。
图24
图
25
图26是在存在轴向与横向组合位移的场合使用弯管压力平衡式膨胀节的典型实例
图27表示在管道转角不等丁90°时也可以使用弯管压力平衡式膨胀节
图28给出一种常见的非常适于使用弯管压力平衡式膨胀节的场合
图29给出了在横向位移较大的场合使用万能压力平衡式膨胀节的实例。
(3) 铰链式膨胀节
铰链式膨胀节一般以两、三个作为一组使用，用于吸收单平面管系中一个或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨胀节被它的铰链所制约，产生纯角位移; 然而，被管段分开的每对铰链式膨胀节互相配合，能够吸收横向位移。给定单个膨胀节的角位移。每对铰链式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间的距离成正比，因此为了使膨胀节充分发挥效用，应尽量加大这一距离。
膨胀节的铰链通常用于承受作用于膨胀节上的全部压力推力; 另外，也可以用于承受管道和设备的重量、风载或类似的外力。
图30说明如何用双铰链系统吸收单平面"z" 形弯管的主要热膨胀。
图30
图31
如果单平面管系的柔性不足以吸收双铰系统的弯曲挠度，或者由弯曲而产生的载荷超过了连接设备的许用极限，则可采用具有三个铰链式膨胀节的系统。图31即表示在单平面"Z" 形弯管中的三铰系统。竖直管段的热膨胀将由B 和C 两个膨胀节的动作来吸收。于是，很明显，膨胀节B 必须能吸收由A 和C 两个膨胀节一起形成的转动。
图32说明在弯管角度不等于90°时，使用铰链式膨胀节的工作原理。在这里只需要使用中间固定支架平面导向支架。
图33说明连接设备亦产生平面位移时应用铰链式膨胀节的实例。
图34给出了设备与管道连接系统中应用铰链膨胀节的实例。 (4) 万向铰链式膨胀节
正如铰链式膨胀节在平面管系中具有很大的优越性一样，万向铰链式膨胀节在空间管系中具有类似的优越性。万向铰链式膨胀节具有吸收任意平面内的角位移的能力，常常利用这一点将它们组成一对，用来吸收横向位移。图35给出了一个应用实例。
如果不可能或不打算利用管道的弯曲来吸收竖直管臂的伸长，则可采用如图36所示由两个万向铰链式膨胀节和一个铰链式膨胀节组成的系统。