刘 波 于振毅
国家仪器仪表元器件质量监督检验中心 沈阳市 110043
【摘要】主要介绍了波纹膨胀节疲劳寿命的基本试验方法，因波纹膨胀节的作用不同，对其使用寿命的要求也不一样，实际疲劳寿命的确定，是检验波纹膨胀节设计、制造是否合理的可靠途径，因而具有特殊重要的意义。
关键词：波纹管 膨胀节 疲劳寿命
The T est T echniques for F atiquel Life of the Bellows Expansion Joint
Liu Bo Yu Zhenyi
China National Center for Quality Supervision and Test of Instrument Element and Sonsor
Abstract:The general test methods for the fatigue life of the bellows expansion joint are introduced.The requisitions to the fatigue life of the bellows expansion joint are different,because the fu
nctions of the bellows expansion are different. The best reliable method to examine the rationality of the design and manufacture for bellows expansion joint is to deter2 mine the real fatigue life of bellows expansion joint,S o they are very important.
K ey Words:Bellows,Expansion joint,Fatigue life.
1 前 言
在现代管道技术中，管道的热变形、机械变形、各种振动、大型贵重设备与管道间的柔性连接等都离不开波纹膨胀节。随着市场经济的出现和发展，对波纹膨胀节的需求量也不断地增长。而波纹膨胀节的设计制造，又具有投资小、利润高、见效快等特点。伴随着波纹膨胀节应用领域的不断拓展和生产的逐步普及，使用过程中问题也很多，有些直接危及人的生命和财产的安全。对此国家有关行政主管部门设立了压力管道安全监督部门，即对压力管道受压元件进行安全注册，使其规范化，这对作为受压元件之一的波纹膨胀节的型式试验提出了严格的要求。 波纹膨胀节的型式试验项目，主要包括外观、结构尺寸、刚度、补偿量、气密性、耐压力、稳定性、焊缝、疲劳寿命等等。疲劳寿命是最为重要的检验项目之一，是波纹膨胀节在管系中实际使用情况的一种较为理想的模拟试验，通常在常温下进行。实测波纹膨胀节疲劳寿命次数与设计的许用疲劳寿命次数比值大小，反映了设计是否符合要求，运行是否安全可靠，且成本是否最低。
2 波纹膨胀节疲劳寿命试验前的准备工作
波纹膨胀节的疲劳寿命试验有两项基本载荷，一项是工作压力载荷，一项是循环位移载荷。工作压力载荷是指将波纹膨胀节在额定工作压力条件下进行试验，循环位移载荷则要求达到波纹膨胀节的额定公称位移量(即补偿量)。
波纹膨胀节的疲劳寿命试验方法有多种，试验前，要根据试件的技术参数、技术条件和试验设备情况进行适当的计算，以确定试验所要采用的试验方案和最小试件数量。首先根据波纹膨胀节的实测结构尺寸或图纸尺寸，计算出波纹膨胀节的有效面积；波纹膨胀节在给定的额定工作压力下，对试验装置所产生的盲板推力；根据实测刚度或计算刚度和给定的补偿量，计算出波纹膨胀节在位移载荷下所产生的弹性推力；计算出压力所产生的盲板推力和位移载荷引起的弹性推力的合力；计算出试件在试验条件下的容积变化量。
例：一公称通径为600mm，公称压力为1.0MPa,
51
第3期・管件与设备・
波纹管波高H为54mm，波纹管内径为600mm，波纹管壁厚h为2mm，公称轴向位移W X为±40mm，
整体刚度K为650N/mm的膨胀节，按要求进行疲劳试验时，波纹膨胀节的有效面积:
A e=πD2m/4=π×D2m/4=π×65.62/4=3380cm2
炭材料工程技术D m=D O+H+h=600+54+2=656mm=65.6cm
式中 D m———波纹膨胀节的波纹管平均直径。
由公称压力作用波纹膨胀节引起的压力盲板推力为:
Fp=A e・P N=3380×1.0×102N/m2=
338000N=338kN
由公称位移作用波纹膨胀节引起的弹性推力为:
F K=K・W X=650N/mm×40mm×2=
52000N=52kN
弹性推力和压力盲板推力的合力为:
F=F K+F P=52+338=390kN
波纹膨胀节容积变化量:
ΔV=A e・W
X
=3380×4.0×2=27040cm3试验装置既要克服由于波纹膨胀节刚度所产生的弹性推力，还要克服波纹膨胀节在公称压力作用下所产生的压力盲板推力，同时还要解决试件容积变化带来的附加影响。
3 波纹膨胀节疲劳寿命试验方法
根据波纹膨胀节疲劳寿命试验中两项基本载荷及使用中的实际情况，通常把试验分为以下三种方式。311 波纹膨胀节只承受压力载荷
要求试验装置所承受的推力F>F P，以例题中的波纹膨胀节为例，试验装置只承受由压力作用波纹膨胀节所引起的压力盲板推力，试验装置所能承受的推力必须大于338kN才能满足试验要求。
试验时，首先把波纹膨胀节两端用法兰盖密封连接，如果波纹膨胀节为接管式，可直接把法兰盖与波
纹膨胀节接管处焊接好，要保证焊接强度和密封性，其中一个法兰盖上带有相应螺纹的接嘴或标准形式的接嘴，以便与控制压力管路相连。调整好波纹膨胀节的试验长度，然后放置于试验设备的固定工作平台和一可调位置平台之间，或特殊设计具有足够强度两平板之间都可，固定可调平台位置或两平板间的距离，保证试验过程中波纹膨胀节的长度和试验位置不发生变化。然后由电器控制部分完成波纹膨胀节的往复充、放压力循环过程，记录疲劳寿命实测次数。试验原理见图1
。
图1 只承受压力载荷的试验装置基本工作原理图
麦克力电气
312 波纹膨胀节只承受位移载荷
要求试验装置所承受的力F>n F K，其中n为波纹膨胀节的数量，以例题中的波纹膨胀节为例，试验装置只承受由公称位移作用于波纹膨胀节引起的弹性推力，对单只试件进行试验时，试验装置所承受的推力大于52kN就能满足试验要求。
试验时，首先将波纹膨胀节一端与试验设备的固定工作台连接固定，另一端与试验设备的施力运动机构固定连接。如果试验设备空间允许，可扩展到两件或多件，应注意，摆放时尽量使施力运动机构所承受的力在各个方向保持均衡。试验原理见图2
。
图2 只承受位移载荷的试验装置基本工作原理图
313 波纹膨胀节同时承受压力和位移载荷
试验时装卡有两种方式，一种为并联放置，另一种为串联放置。
(1)并联放置 试验装置及施力运动机构承受的推力F>n(F p+F K),n为波纹膨胀节的数量。以例题中的波纹膨胀节为例，试验装置及施力运动机构既承受由公称位移作用于波纹膨胀节所引起的弹性推力52kN，又承受在公称压力作用下波纹膨胀节的压力盲板推力338kN，试验装置及施力运动机构所承受的总推力必须大于390kN，才能够满足单只试件的试验要求。
试验时，将波纹膨胀节两端与密封法兰盖连接好，并应保证密封性，其中一个法兰盖上应固定一个带有相应螺纹的接嘴或标准形式的接嘴，将接嘴与试验压力管路连接好，将试件上端与施力运动横梁连接固定，试件的下端与试验台相固定，并保证固定可靠，固定时应注意不能影响压力管路的正常工作。如果设备空间和动力水平允许，可并联放置两件或多件。向试件内充试验压力(通常为被测件的额定工作压力)，要求介质为气体，当压力达到并恒定在试验压力时，即可开始
高粱红素
61 管道技术与设备2000年
进行试验。试验时要注意试验压力的波动情况，通常要求试验压力的波动在试验压力的±10%以内，若试验压力波动太大，可适当调节施力运行机构的速度，以减缓压力波动程度，以此方式，也可对有压力波动要求的试验，适当地调大压力波动幅度，试验原理见图3
。图3 同时承受压力和位移载荷试验装置基本工作原理图
此种方式不宜采用液体介质作为加压介质，以例题中的波纹膨胀节为例，试验时其容积变化量为27040cm 3，随着波纹管被拉压，其容积在不断变化，要
不断地向波纹管内充放液体，以保证波纹管内的压力在试验过程中保持平衡稳定，保证试验压力的波动不超过规定值。若被测件与外接试验压力源的连接管道为DN 10的管道，管道介质排放流速v 为10m/s ，则理想状态下压缩时排出腔内介质需要的时间为:
T 放=ΔV vA G =270401000×π×015=34s
式中 v ———介质排放流速,m/s ;
A G ———DN 10管路的横截面积,cm 2
。
若压力源为一流量4L /min 的电动加压泵，则理想状态下拉伸元件时需要充灌介质的时间:
T 充=ΔV 4L =270404×1000
=6176min =406s
一个位移循环在理想状态下需要的时间:
T 放+T 充=34+406=440s =7′18″
壁炉门7分多钟一个循环，进行1000次的疲劳寿命试
验，理想状态至少需要约7333min ，约合122h ，效率非常低。并且在实际操作中，压力波动幅度是很难控制的。
对于用气体介质作为加压介质，还可采用人为调整整个试件容腔的手段来调整试件的容积变化比，即增大或缩小试件的容腔来调整试验过程中的压力波动量。
(2)串联放置(亦称压力推挽方式) 试验装置的
固定结构部分承受推力F >F p +F K ，试验装置的施力运动机构承受推力F >2F K ，以例题中的波纹膨胀节为例，试验装置的固定结构部分承受推力为390kN ，试验装置的施力运动机构承受由公称位移作用于波纹膨胀节所引起的弹性推力的两倍104kN ，即可满足试验
要求。
对于试验时有试验压力要求，且要求试验压力波动幅度较小的试验，建议采用该方式进行疲劳试验。对于由试验压力形成的盲板推力与试件刚度推力之和高于试验装置的施力运动机构所能承受的推力，则要求必须使用该方法进行疲劳试验。
将两只相同的波纹管或膨胀节串联相接，组成复式对管。将复式对管两端密封固定，根据试验要求确定对管试件的总长度L ，并在全部试验过程中保持L 值不变。试验时，波纹管对管试件内腔充以工作压力
P N ，对管中部的往复运动端与试验装置上的运动机构
相联，运动机构应能保证试件的运动端沿着试件的轴向进行往复运动，如带有导向机构等。运动机构的试
验位移量应能保证试件的位移量达到试验规定的位移量。当复式对管中的一个波纹管受压缩时，另一个波纹管受拉伸，此时试验装置的运动机构只克服两个波纹管由于刚度而产生的弹性推力，工作压力P N 产生的压力盲板推力作用不到装置的运动机构上。同时，由于两个试件相同，即具有相同的有效面积，试验中总是一个受压，一个受拉，位移量也完全一致，容积变化量大小相等，符号相反，具有互补作用，使对管实际内部的总容积能够始终保持一致，因而没有压力介质的排放和充灌过程，既简便了压力恒定问题，又可以提高试验效率，达到试验要求且提高效率。试验原理见图4a
。
(a ) 一般型 (b )大通径高压型
图4 压力推挽式疲劳试验装置基本工作原理图
对于通径大或压力等级过高的波纹膨胀节试验,
可采用图4b 的结构在对管试件的内腔加内套筒，套筒的外径略小于试件的最小内径。这样压力P N 产生的盲板推力的有效作用面积只是一个环状面积，从而可以大大地降低压力盲板推力，使得以往无法实现的某些波纹膨胀节的疲劳寿命试验变为可行。
总之压力推挽式疲劳寿命试验技术，可以较容易地保证试验时对试件的压力、试验频率和试验位移要求，使得试验的损耗降为最低，效率提高，这种试验技术原理不受波纹管规格尺寸、压力等级的限制。适用
性强、效果好。
(下转第21页)
板上，按照其隔板和加强筋安装基准线分别划出边缘
板、环板、隔板、加强筋、浮顶支柱、集水坑、呼吸阀、浮顶人孔等位置线。划线后做出明显的标记，先把罐中心第一圈环形隔板安装并焊接完，然后从中心向外依次进行组装，安装顺序为：周向隔板→径向隔板→径向筋板，安装时只进行点焊固定。
(3)顶板组装方法同浮顶底板。
(4)浮顶附件的组装。按施工图标定的位置进行测量、放线。确定支柱套管、支柱、集水坑、浮顶人孔、浮梯轨道位置。确定后进行上述各项的开孔、组装和焊接。焊接后的焊缝按要求进行检查，之后，进行刮腊器、中央排水管、密封装置等组装和焊接。
(5)密封装置的组装。安装前，应对浮顶的外缘板的外表面、罐壁的内表面进行仔细检查，不允许有损伤橡胶的毛刺、焊瘤等障碍。安装时按产品说明书执行，并在生产厂家指导下组装调试。
(6)中央排水管、刮腊器的组装。组装时应在生产厂家指导下进行并调试。
(7)盘梯及平台的组装。按施工图所给的几何尺寸随着壁板的组装同时进行，焊接工作也同时完成
。
图8 活口处理示意图
21414 总体试验。当密封、导向装置、量油管及浮顶
上的全部附件均组装完毕后，进行升降试验，试验前应
进行一次全面检查。
(1)在撤除浮顶组装临时设施时，罐底板有无损伤
;
图9 吊架立柱设置示意图
(2)探伤工作是否全部结束;
(3)浮顶背面的搭接焊缝为断续焊，检查有无漏焊
和焊缝长度不够之处;
(4)支柱的套管和其它附件背面角缝是否焊好;(5)中央排水管等组装是否妥当;
(6)罐内清扫干净，各项目部位的防腐均施工完成，罐全部影响顶浮升的临时设施必须拆除;
(7)经建设单位、监理、监检、施工单位共同检查，验收合格后，封闭清扫孔，开始注水，注水时设专人观察上水及对罐进行基础沉降观测;
电动
(8)检查密封和导向、量油装置有无卡住现象，中央排水管是否漏水，转动浮梯活动是否灵活。
3 结束语
由于首次在塔河工程采取对大型外浮顶油罐进行立柱且不设中心平衡支柱倒链倒装法的施工，不仅使塔河工程顺利按业主要求工期施工完成，同时又对大型外浮顶油罐的施工开拓了新的施工方法，既有经济效益，又总结了一套完整的倒装大型外浮顶罐的施工工艺，经过实际操作表明，此方法更加确保了储罐的
施工质量，值得推广。
(收稿日期:2000年3月24日)(上接第17页)
4 结束语
以上的几种试验方法，可根据实际情况和需要进行选择，试验对波纹膨胀节产品质量的提高及改进产品设计有很大帮助。
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考
文
献
1 徐开先主编.波纹管类组件的制造及其应用.北京：机械工
业出版社,1998:260～304.
2 美国E J MA 标准.1993版.
3 G B/T12777-91金属波纹管膨胀节通用技术条件.4 JB/T6169-92金属波纹管.
(收稿日期:2000年1月5日)
