弯管压力平衡型膨胀节的选型应用

张爱琴，张国锋，占丰朝，汪为所

（1. 洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471001；2. 洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳 471023；3. 中国石油天然气股份有限公司大连石化分公司，辽宁 大连 116000；4. 中国石油化工股份有限公司安庆分公司，安徽 安庆 246001）

一般说来，每个独立的膨胀管段可能有多个补偿方案，应从管系整体造价、空间限制、满足受力和疲劳寿命（补偿量）要求统筹考虑，对各种方案进行对比后，确定固定管架的位置和膨胀节的型式。例如长直管段可以选用外压轴向型膨胀节（减少中间固定管架的个数）；也可以通过增设П 形弯，选用三铰链型补偿；还可以通过增设中间固定管架，用多个单式轴向型膨胀节进行补偿。对于L 形管段，GB/T 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》[1]附录E“选型”给出了多种可选择的补偿方案；选用弯管压力平衡型膨胀节来补偿管段的轴向、横向组合位移是其中的可选方案之一，这样利用一个弯管压力平衡型膨胀节实现两个方向组合位移的补偿，可以简化管段的布置，减少现场的膨胀节安装施工工作量和安装难度。为了促进弯管压力平衡型膨胀节的正确选用，本文对该型膨胀节的结构、功能特点以及选型应用场合和注意事项做以介绍，供大家参考。

1 弯管压力平衡型膨胀节的结构与功能特点

1.1 弯管压力平衡型膨胀节的结构

弯管压力平衡型膨胀节由一个工作波纹管或中间管所连接的两个工作波纹管和一个平衡波纹管及弯头或三通、封头、拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，其常规结构见图1a、b，弯管压力平衡型膨胀节的受力结构件也可以采用铰链式，如图1c 所示。

图1 弯管压力平衡型膨胀节常规结构Fig.1 Conventional structure of elbow pressure balanced expansion joint

1.2 弯管压力平衡型膨胀节的功能特点

（1）弯管压力平衡型膨胀节属于能够自身平衡波纹管压力推力的约束型膨胀节，主要用于吸收轴向与横向组合位移。工作时，工作波纹管和平衡波纹管需分别满足膨胀节所要求的轴向位移，工作波纹管还可同时吸收横向位移，平衡波不吸收横向位移。可以根据需要补偿的轴向、横向位移的大小，确定工作波纹管的组数与波数，膨胀节设计执行标准为GB/T 12777—2019。

（2）弯管压力平衡型膨胀节的刚度

① 整体轴向刚度等于工作波纹管与平衡波纹管的轴向刚度之和。

② 整体横向刚度等于一组或两组工作波纹管的横向刚度。

（3）弯管压力平衡型膨胀节用于介质流向改变处，需要根据所在管线内介质流速的不同选用弯头或三通，以减少流阻保证流场平稳。

（4）当需要补偿的轴向位移较大时，在保证有效面积一致的情况下，工作波纹管和平衡波纹管可以采用不同的内外压结构。

2 弯管压力平衡型膨胀节的选型与应用场合

弯管压力平衡型膨胀节用于管线介质流向改变处，常应用于以下四种管线类型，其选型布置如下。

2.1 与设备相连的L形、Z形管段的选型布 置

弯管压力平衡型膨胀节一般用于泵、压缩机、涡轮机和汽轮机等敏感设备的有限空间，靠近与设备相连的L 管段，用于补偿轴向与横向组合位移，隔离设备振动，满足设备管口受力要求。弯管压力平衡型膨胀节在设备管口布置的形式，如图2～5所 示。

图2 设备管口上方L 形管段补偿Fig.2 Compensation of L shaped pipe section above the nozzle of the equipment

2.2 两设备之间管段的选型布置

布置在两设备之间的弯管压力平衡型膨胀节一般水平布置，如图6 ～ 7 所示。

图3 设备管口下方竖直布置的L 形管段补偿Fig.3 Compensation of L shaped pipe section arranged vertically below the nozzle of the equipment

图4 设备管口侧向水平布置的L 形管段Fig.4 The L shaped pipe section which horizontally arranged on the side of the nozzle of equipment

图5 设备管口侧面竖直布置Z 形管段Fig.5 The Z shaped pipe section which vertically arranged on the side of the nozzle of the equipment

图6 布置在平行布置的立式设备之间Fig.6 Arranged between vertical equipment with parallel Settings

图7 布置在上下布置的竖直设备之间Fig.7 Arranged between vertical equipment with upper and lower Settings

2.3 管线中L形管段的选型布置

应用于管线中的弯管压力平衡型膨胀节，其常见布置形式见图8 ～ 10 所示。

图8 上部L 形管段补偿Fig.8 Compensation of upper L shaped section

图9 不规则L 形管段补偿Fig.9 Compensation of irregular L shaped section

图10 下部L 形管段补偿Fig.10 Compensation of lower part L shaped section

2.4 弯管压力平衡型膨胀节补偿长直管段的创新应 用

基于弯管压力平衡型膨胀节的结构特点，可以将两个弯管压力平衡型膨胀节组合起来用于长直管线的轴向位移，可采用如图11 所示的结构，代替三铰链组成的π 弯（如图12 所示），简化管线布置难度，节省空间，减少支架设置，需要说明的的是因需要补偿的轴向位移较大，膨胀节工作波纹管和平衡波纹管采用外压结构。

图11 长管段的补偿Fig.11 Compensation of long section

图12 π 形管段补偿方式Fig.12 Compensation of π shaped section

3 弯管压力平衡型膨胀节补偿的弯曲管段管架的受力计算

弯管压力平衡型膨胀节为约束型膨胀节，用来补偿弯曲管段的组合位移，其所补偿的弯曲管段两端的固定管架为中间固定管架，有关管架的受力计算详见《金属波纹管膨胀节安全应用指南》[2]上册第7 章第四节“弯曲管段的组合位移”，本篇不再赘述。

4 弯管压力平衡型膨胀节选用与产品设计注意事项

（1）关于导向管架的设置，为了保证弯管压力平衡型膨胀节能够有效吸收轴向、横向组合位移，其前端至少设置一个导向管架，在其三通出口端在空间允许的情况下也建议设置导向管架，使膨胀节得到正确的支撑和导向[3-5]。

（2）保证管系和流动介质的重量由适当设置的支架和吊架承受。同时较大直径的弯管压力平衡型膨胀节，当两组工作波纹管之间的中间管较长时，建议在工作端设置比例连杆，协调两组工作波纹管变形，支撑中间管重量[6-7]。

（3）产品设计时需要注意，弯管压力平衡型膨胀节平衡波纹管的约束条件与两组工作波纹管不同，平衡波纹管的约束条件为一端固支，一端横向导向，因此，工作波纹管的最大总波数不得大于柱失稳波数Nmax，平衡波纹管最大总波数不得大于Nmax/2。

（4）用于负压管线时，设计人员提设计条件时需要注明，拉杆端板内外侧均应有垫圈，以便于保证膨胀节两端头之间的距离，保证膨胀节能够有效补偿位移，同时需要注意校核受力构件拉杆或铰链板的压杆稳定性[8-9]。

（5）弯管压力平衡型膨胀节应用于高流速场合时，三通部分采用弯头设计，可以使介质较平稳流动。也可以采用不缩颈设计，如图13 所示。

图13 高流速工况下不缩颈结构Fig.13 No neck shrinkage structure at high flow rate

5 结论

弯管压力平衡型膨胀节是一种可以补偿轴向、横向组合位移的约束型膨胀节，本文给出了该型膨胀节常用于设备、管线及其组合而成的L 形管段选型布置方案，指出了该型膨胀节是泵、压缩机、涡轮机和汽轮机等敏感设备的有限空间L 形管段的补偿首选，同时创新性地提出了该型膨胀节用来补偿长直管段的结构方案，并介绍了该型膨胀节的选用与产品设计注意事项，供大家参考。