管线中膨胀节补偿量的确定性和不确定性
美国EJMA标准中推荐的管系和管段，其膨胀节的补偿量均为确定值，即每个膨胀节的补偿量与膨胀节的刚度、中间摩揍刀无关，我们称之为膨胀节补偿量确定的管系。国内近几年新发展起来的管系，有一些因膨胀节的结构和膨胀节的放置方法引起了膨胀节补偿量随膨胀节刚度的不同和膨胀节间设置摩擦支架、中间法兰或套筒导向摩擦刀不同而不同的随机变化，使一个管段中的不同膨胀节补偿量具有不确定性，我们称这种管系为膨胀节补偿量不确定的管系。本文重点分析其间差异、变形特性及问题，同时提出一种方法以便把膨胀节补偿量不确定管系转变为膨胀节补偿量确定的管系。合理的应用膨胀节以及使膨胀节具有可确定性的结构，以期使国内新发展起来的管系及其膨胀节的结构既有发展叉更趋可靠与合理。
1 前言
美国EJMA标准不单对各种类型波纹膨胀节从材料、设计、工艺、检验、安装、调试、运行与介质影响等诸多方面做了详尽的叙述，而且对管道系统的构成原则、设计方法等提供了诸如受力、热胀冷缩、应力分析等具体资料和典型应用实例。遵循这一标准，国内已编出二十几种膨胀节的设计软件，同时有的单位也编出一些管系分段设计资料。一方面指导着膨胀节制造厂的设计与制造，另一方面在电力、石油、化工、冶金、建筑等行业中得到具体的应用。在十年的时间内，国内己从单纯的自然补偿和胀力弯、Ω型弯等补偿方法中走出来，在管系中适当地使用各种类型膨胀节及金属软管，至今已取得或正在取得一些经验与成果，当然其中也有不少教训。
我们百新集团，为适应这一形势，专门成立了技术开发中心和波纹管及管道技术研究所，近些年来又与质量检测机构和大专院校合作对波纹管的性能和设计与制造进行了深入实验研究。在此基础上，对各种系的设计与膨胀节在具体管系中的合理应用，与设计院所相结合做了一些膨胀节到管系间的关联工作。在这一工作中发现，国内针对寿命这种综合性指标所做的工作多，而针对诸如受力分析、应力分析及补偿能指标在管系中的合理分配所做工作较少。为此下面着重分析管系中膨胀节的补偿能力与管系的关系。
2 直线管段膨胀节补偿量的确定性与不确定性
2.1 EJMA标淮中的轴向膨胀节与轴向复合式澎胀节及其补偿量在管系中的确定性
美国EJMA标准中明确规定:"在两个主固定架(MA)之间设置一个膨胀节--"((1)23页)，在(1)24页上又写明"在任何直管段的两个固定支架之间不要装设多个单式膨胀节。"在EJMA标准附录B中，列出了典型膨胀节示例，指出轴向复式膨胀节实质是由制造厂制造一个中间支架，两边各装一只单式轴向膨胀节，它在管系应用中，依然是符合上述原则。在其它文献中又明确指出"复式膨胀节不应该与万能(复式)膨胀节混淆"。
为什么EJMA标准会有这一条规定呢?我们认为应从几个弹性体串联会带来的后果来考虑。
一般来说，同一结构同批生产的波纹管，其轴向刚度分散在士30%一士50%之间，精密波纹管经过分选也要在+20%一+25%之间，把几个实际刚度不相同的弹性元件串联起来，其变形的分配会造成不均衡。即使刚度一致性好，但当补偿运动完成一个循环后，由于经历了大变形，其原来一致性好刚度小的状态会被打破，会因大变形塑性流动的结果使波纹管结构形状和材料状态均在非线性下造成新的刚度差异。它们串联在两个固定支架的管段中，其位移分配、弹性力、应力对每个单个膨胀节都不相同。刚度大的补偿量小，刚度小的补偿量就大，极端地来看，整个管段的补偿量几乎全由刚度小的元件负担，因此其工作应力也大，易引起早期失效。就是说本来由两个膨胀节共同负担的变形，全由一个负担，当然是很不合理的。如果两主固定支架之间，只设置一个单式轴向膨胀节，那么设计的补偿量是多大，工作时它的补偿量就是多大，我们称之为膨胀节补偿量确定管系。EJMA标准的这条规定，就是确保了膨胀节在管系中补偿量的确定性，那么它就和制造、出厂验收相一致了。
2.2 国内新发展起来的复合式轴向型膨胀节及其补偿量在管系中的不确定性
近来年，国内出现了"轴向复式"或"复合式"膨胀节，有的称为"复式拉杆型"、"复式套筒型"、"复式无约束型"轴向膨胀节。它的特征是补偿量大，具有抗柱失稳结构。总之，无论是设于套筒内或是串于拉杆间，它们的实质，都是由两只、三只、四只甚至还有多达六只单式轴向型膨胀节充分接近而串联应用。这样可以增加补偿量，使得直线管段加长，减少主固定支架和中间固定支架的数量，很受欢迎。
这种波纹管应用在某些场合可能未出问题，但这种对EJMA标准的突破，应该做出应有的分析。
下面用一个实例来分析其间存在的问题:
一个须补偿的直线管总长115m，外径630mm，壁厚10mm，材料为碳钢，工作温度300℃，工作压力为0.6MPa，经初步计算，其补偿量为 414mm，显然一只单式轴向型膨胀节不能满足要求，于是选择两个单式膨胀节，每个8个波，额定补偿量为215mm，轴向刚度为417N/mm，复合在一起称为"复合拉杆型膨胀节"，两个单式膨胀节中间有一中间法兰，与抗失稳杆套装，相
当于一个中间导向支架，有摩擦副，如图1所示。
图1复合拉杆型膨胀节的应用
第一种情况:两单式膨胀节的刚度相同，均为417N/mm，中间无摩擦副，经计算得:
△X1=201.92,△X2=201.92
第二种情况:刚度差50%,K2=209N/mm,K1=417N/mm，中间亦无摩擦副，经计算得:
△X1=135.11，△X2=269.58
第三种情况:刚度相同，K1=417,K2=417，中间法兰与抗失稳杆间有摩擦副时，经计算得:
△X1=199.13,△X2=204.67
由上述分析计算可见，使用这种复合式膨胀节的管系，每个单式膨胀节的补偿量由具体刚度和中间连接法兰与抗失稳杆的摩擦力大小所决定。而这些又是随机的，可能大可能小，因此造成膨胀节补偿量的不确定性，我们称它为膨胀节补偿量不确定管系。这种管系除膨胀节补偿量不确定外，因串联长度增加，复合后有时会成为细长杆。尽管用了"抗柱失稳杆"来防止柱失稳发生后的过大局部变形，但它不能消除失稳力引起的波纹管波纹偏斜，从而增加类似平面失稳现象发生的几率，造成个别膨胀节的早期破坏。
由上述分析，是否可以把国内创造的"轴向复式膨胀节"及这种膨胀节补偿量不确定管系否定呢?显然不能，只要对膨胀带结构做出一些改变，应该是可用的。
实际上，任何一个波纹管，它的波与波的连结也是弹性体的串联，所不同的只是各个波的制造条件、材料、操作是符合独立重复条件的，因此性能差别较小。但是在补偿变形中，波与波间变形的均匀性以及平面失稳发生位置的偶然性，特别是将波纹管压合成无间隙状态的过程中，各个波在变形后期差别特别大，这都说明是串联的结果。对高压场合EJMA标准推荐采用皑装环式膨胀节，其中原因之一就是考虑到波与波的这种弹性体串联，加皑装后不但提高耐压强度，同时又控制各个波补偿变形总量的一致性，并增加抗失稳能力，所以该皑装环也叫稳定环。鉴于此，膨胀节补偿量不确定管系中，只要在弹性体间(膨胀节间)结构上采取如下措施，它就变成了膨胀节补偿量确定管系。
(1)设置变形分配装置，如在抗失稳杆上加限制变形块，套筒内加限位环，串联膨胀节间采用四联杆机构等，用来限制串联的每个单式轴向膨胀节的最大可能位移不超过其允许值。
(2)设置抗失稳杆或导套，两个膨胀节中间导向部分长度一般应不小于1·5倍通径，这样既可以抗因柱失稳产生大的变形，又可以减少偏转力矩值以确保波纹管平面不发生倾斜，减少类似平面失稳现象的发生。
(3)串联的单式膨胀节中波纹管要经过如整形处理等工艺措施，并选配波纹管使其刚度相互匹配。经过上述处理后，除强度因素外，其思考方法和皑装形波纹管类似，不过这里是针对串联膨胀节采取的措施，而不是对各个波采取的措施。其作用是把管系变为每个膨胀节的最大补偿值均匀为确定值的管系。
3 EJMA标准中推荐的膨胀节补偿量确定管系
3.1 EJMA标准中推荐的膨胀节补偿量确定管系
EJMA标准中推荐的膨胀节补偿量确定管系示意图如图2所示。
图2补偿量确定的管系
以L型三铰链式管系为例，三个铰链型膨胀节分别为A、B、C，L管段长边热膨胀量为
△1，短边热膨胀量为△2，按EJMA可求得三个膨胀节的角位移:
QA=sin-1(△2/Aa)
QC=sin-1[(△1+b△2/a)/C]
QB=QA+QC
可见，角位移只与膨胀量和几何长度有关，与刚度、中间支架的摩擦力无关。其转角是确定值，因此管系为膨胀节补偿量确定的管系。它的膨胀节也是一般结构的膨胀节。
3·2 两长臂膨胀节补偿量不确定管系及其膨胀节结构特性
该类不确定管系结构示意图如图3所示。
图3 补偿量不确定的管系
多于三个铰链的管段，每个膨胀节的补偿值与每个膨胀节刚度比例以及中间支架摩擦力大小有关，下面以一个例子来说明。
第一种情况:L1=1l6m,a=5m,b=3m,c=3m,d=5m,L2=116m
钢管尺寸: D=630, δ=10
工作参数: t=300℃,P=0.25MPa ;
角刚度: KA=KB=Kc=KD=268N·m/DEG ;
因完全对称且刚度相等，所以四个角变形亦相接近
QA=4.848°，QB=4.881°，Qc=4.881°，QD=4·848°
第二种情况:如果有一个膨胀节刚度小于50%，例如:KA=134，则:QA=5.053°，
QB=5.321°，Qc=4.5°，QD=4.714 °
第三种情况:数据同第一种，只是膨胀节之间有摩擦环节，于是:
QA=3.837°，QB=0.793°，Qc=9.414°，QD=6.4°
可以看出，每个膨胀节的角位移随刚度的改变而改变，又因膨胀节间的支架摩擦力大小而变化。因此和直线管系中的分析一样，这种管系称为膨胀节补偿量不确定管系。
它如何才能转变为膨胀节补偿量确定管系呢?还是应在膨胀节上做文章，即让四个或更多个铰链膨胀节均设置有角位移限制装置。就是说任何一个膨胀节的角位移达到额定值后，它不再变形成为特大刚度体，而其他变形小的膨胀节继续变形，如此一来，整个管系也如直线管系一样，变成了膨胀节的最大补偿值不超过其额定值的补偿量确定管系。
4 Ⅱ型管段膨胀节补偿量的确定性与不确定性
4.1 EJMA标准中推荐的膨胀节补偿量确定管系
EJMA标准中推荐的Ⅱ型管段膨胀节补偿量确定管系如图4所示
图4 Ⅱ型管段膨胀节补偿量确定的管系
以第一、二种为例，三个铰链膨胀节分别为A、B、C，左端膨胀量为△1，右端膨胀量为△2，可按下式求得三个铰链膨胀节的角位移:
QA=QB=sin-1(△1+△2/2L)
QC= QA+ QB
它们的角位移与刚度和中间摩擦支架无关，因此该管线为膨胀节补偿量确定管系。
4.2 纵横向尺寸均很大的膨胀节补偿量不确定管系及其膨胀节结构特性。
该类不确定管系如图5所示
图5 Ⅱ型管段膨胀节补偿不确定的管系
以上多于三铰的四、五、六铰链式均有应用，双横向大拉杆型也叫葫芦串型，其应用亦很多。无须证明，每个膨胀节的补偿量均与刚度、中间支架摩擦力大小有关，具有不确定性，因此都属于膨胀节补偿量不确定管系。化解方法如前所述，即大拉杆的补偿量限位按
EJMA标准推荐，采用拉杆中间法兰与拉杆两档块间隙限位式，使管系变为膨胀节的最大位移(线位移或角位移)不超过其额定值的补偿量确定管系。
5 结束语
综上所述，一个管段设置多个或多种膨胀节后，看它是否是膨胀节补偿量确定管系，只要给某一膨胀节刚度一个最小值(-般是-50%),计算其补偿变形是否发生明显改变，或在任两膨胀节间加一摩擦支架，计算其补偿变形是否发生明显改变，于是可以判断其管系在补偿元件上发生的补偿位移是否为确定值。对不确管系一定要在膨胀节上加上限制最大变形的结构，使管系转变为额定补偿量可确定的管系。尽管管系经过上述处理，但仍不如膨胀节补偿量确定管系好，因为设计的补偿量确定管系，膨胀节实际工作变形总是小于额定补偿量。而不确定管系转化后，总会有某一个膨胀节肯定会工作在额定补偿量外;所以这种设计应
对膨胀节补偿量给出足够的裕度，以防止发生早期破坏。
以上分析供同行参考，希望对各种不确定管系的发展起到一些作用。