波纹管调节阀的设计与应用

母文豪,付 豪

(艾坦姆流体控制技术(山东)有限公司，山东济宁 272000)

波纹管调节阀的阀杆部位采用了金属波纹管和填料双重密封，应用于严格控制外漏的场合。金属波纹管作为波纹管调节阀的重要核心，按生产型式主要分为液压成型波纹管、机械成型波纹管和焊接波纹管。金属波纹管具有金属特有的力学性能，密封性好、耐压、耐腐蚀、耐高/低温性好、弹性好、能承受一定扭矩等优点。金属波纹管在压力、径向力、弯矩作用下均能产生相应位移，能够始终贴合阀杆蠕动，利用金属隔离介质的方式，提高阀门阀杆部位的密封性能，保护阀杆不受介质的腐蚀。金属波纹管主要应用于多晶硅、聚氯乙烯、苯加氢、硫化氢、氯气等化工产业[1]。

1 工作原理

作为金属波纹管的重要应用，波纹管调节阀主要由阀体、支座、上阀盖、阀座、阀芯、金属波纹管部件等组成，金属波纹管部件则由支撑环、阀杆、防转销、连接环、波纹管焊接而成。通过金属波纹管可以提高阀杆部位的密封性能，由动密封转换成静密封。波纹管受压形式多为外压，波纹管行程建议开启时压缩总位移的70%，关闭时拉伸总位移的30%，现市面上知名波纹管品牌有：威兹曼、江苏均隆、沈阳汇博、南京埃迪。艾坦姆流体控制技术(山东)有限公司(简称艾坦姆公司)采用威兹曼波纹管，该波纹管疲劳寿命可达10万次[1-2]。

波纹管调节阀是基于普通调节阀的一种阀杆密封特化型。针对填料部位易泄漏的工况，添加金属波纹管结构，能将填料与阀杆之间的密封和填料与介质之间的隔离分开，这就使得填料的密封职能与隔离职能区分开来，填料部分专注于填料与阀杆之间的密封，隔离部分则由金属波纹管替代，专注于介质与阀杆之间的隔离，两者互不干涉但又缺一不可。由于填料部分的失效特点与波纹管部分的失效特点不同，且填料部分可以视作波纹管的二次保护，因此在波纹管调节阀的实际设计中，填料结构和波纹管结构应同时存在。

2 设计思路

波纹管调节阀是基于普通调节阀的一种变种，因此首先需要一种成熟的普通调节阀，能够满足多种工况需求，在不考虑密封的条件下能够满足调节和密封有毒有害介质、强腐蚀介质的任务。在此基础上进行波纹管调节阀的设计,波纹管调节阀需要具备的基础结构见图1。

图1 波纹管调节阀基础结构

波纹管作为波纹管调节阀的核心，其尺寸非常重要，不过大多数波纹管调节阀的设计任务是不包含波纹管的设计的。目前市场上知名的波纹管供应商有很多，其在波纹管使用寿命、使用强度上有着较丰富的经验，提供的波纹管物美价廉,因此波纹管部分建议外购。

决定波纹管尺寸的参数有：使用寿命(拉压次数)、使用压力、阀杆直径、操作行程(拉压行程)、介质参数等，这些参数决定了波纹管的波数、层数、内外径、长度、厚度、行程，有了这些参数后才能开展支座的设计工作。波纹管的内外径决定了波纹管支座的直径，波纹管长度和行程决定了波纹管支座的长度。为了保证波纹管与阀杆之间不会泄漏，通常采用更可靠的焊接形式，使得波纹管与阀杆成为一体，因此在波纹管调节阀设计过程中，应当兼顾波纹管密封、波纹管行程、阀门调节行程等工作参数。

由于波纹管支座相当于普通调节阀中上阀盖与阀体的延伸，因此支座的法兰部分可以参照阀体与上阀盖的连接尺寸，支座的结构可以近似为2个法兰和1段钢管的结合体。波纹管支座可以采用焊接的形式，也可以采用铸造的形式。波纹管支座作为上阀盖跟阀体的连接部分，在强度方面上，除了需要满足承压需求以外，还需要考虑上阀盖和安装在上面的执行器及组件的质量，以及执行器开关时产生的拉力和推力，在成本、强度、寿命三者之间寻找一个平衡点。

3 波纹管的失效形式

波纹管作为波纹管调节阀的核心，其失效形式也是需要额外注意的。波纹管的失效形式可以分为4类，即扭转失效、侵蚀失效、破坏失效和疲劳失效。

3.1 扭转失效

在符合正常使用的条件下，波纹管扭转造成的破损是波纹管失效的主要形式。随着波纹管调节阀的开关，阀杆无法避免地在动作过程中产生转动，由于执行器、阀杆之间为固定连接，因此波纹管无法自动转回；当转动角度超过波纹管承受极限时，则会造成波纹管扭死、粘连，此时波纹管再跟随阀杆上下动作时，会造成波纹管撕裂，导致泄漏。

扭转失效有多种应对方法，即可以增加波纹管厚度、层数以提升波纹管抗扭转能力，但是成本较高。最经济有效的方法还是增加防转部件，即在阀杆顶部、阀杆下部、波纹管焊接处之一添加防转节或平键、销孔，在对应的连接部件、支座内部设置配合防转的肋板、键槽、通孔，以达到防止波纹管或者阀杆转动的目的。该方案仅需要修改部分设计内容，容易实现，方案效果也较为明显。

3.2 侵蚀失效

侵蚀失效是在波纹管工作过程中由于工艺介质卡入或腐蚀波纹管造成的裂纹、撕裂、破损。侵蚀失效大多由介质引起。由于波纹管工况需要应用于严格控制外漏的场合，难免包含腐蚀性、氧化性高的介质，为了保障波纹管动作中的力学性能、弹性等，不会将波纹管做得很厚，这就导致波纹管在长久使用过程中波纹管薄壁被侵蚀穿透造成泄漏，导致安全事故发生。

图2为波纹管维修件，图3为侵蚀失效引起的泄漏照片[3]。

图2 波纹管维修件

图3 侵蚀失效引起的泄漏

侵蚀失效的起因为介质，但是金属在厚度很薄的尺寸下的力学性能是固定的，因此只能通过更换更高强度、更耐腐蚀的材质，提升波纹管层数，增加保护数量，被动地提升波纹管的抗侵蚀能力，延长波纹管在恶劣工况下的使用寿命。

3.3 破坏失效

由于介质中可能含有细小、坚硬的颗粒，杂质依附于波纹管表面，随着阀门的动作与波纹管的伸缩，波纹管的波与波之间的颗粒会被挤压，而颗粒本身硬度很高，波纹管又较薄，很容易挤压出凹坑、穿孔等物理破坏，造成泄漏。颗粒挤压引起的泄漏照片见图4，破坏失效导致的局部裂纹见图5[3]。

图4 颗粒挤压引起的泄漏

图5 破坏失效导致的局部裂纹

破坏失效的基础是阀门开关动作，介质中的颗粒无法避免，阻止阀门开关又不切实际，因此只能提升波纹管本身的强度，提升材料的抗冲击性和硬度，但这又会影响波纹管本身的力学性能，这是比较复杂的问题。根据近年来实际使用波纹管的情况，为这个问题带来新的解决方法：由于波纹管的破坏失效是因为收缩时波与波之间产生挤压，所以可从波纹管本身结构入手。一种方法是改变波纹结构，在波纹管收缩时使波与波之间形成一定角度和弧度，适当增大波与波之间的节距；另一种方法是更改波纹管的拉压行程，由原来的拉压各占50%或拉70%压30%改为拉100%压0%的全拉伸波纹管结构。这2种方法可以从根本上解决波与波之间的挤压问题，使得这类结构能够使用在固体颗粒含量比较高的工况下。随着波纹管厂家的研发和产品的迭代，这类波纹管也可以轻松订购，为波纹管调节阀设计带来便利。

3.4 疲劳失效

疲劳失效是金属材料的经典失效形式，由于波纹管的薄壁特性，为波纹结构带来良好的力学性能，但也大幅度降低了波纹管的使用寿命，特别是波纹管拉伸比例过长的波纹管，使用寿命非常短。拉伸比例为波纹管的固有参数，波纹管的可拉伸长度会随着波纹管的总长度而变化，目的是控制波纹管的拉伸比例，保证其在金属强度以内长期、可靠的动作。全拉伸波纹管也是总长度延长的，因此不会因为拉伸比例过大造成波纹管寿命减短。图6为波纹管横截面，图7为波峰处疲劳断裂截面，图8为波纹管侧面疲劳断裂截面[3-4]。

图6 波纹管横截面

图7 波峰处疲劳断裂截面

图8 波纹管侧面疲劳断裂截面

疲劳失效大多集中于拉压行程超出预定尺寸、往复拉伸次数较高的工况下。此时可以通过修改调节阀行程，为阀门设置行程限位，以减少波纹管变形量；采用多层、变形量小的波纹管，以减少波纹管在拉压时的变形量等。由于疲劳强度为金属的固有属性，加上波纹管的寿命普遍偏短，因此也应当设计相应的易拆易修结构，为后期波纹管维修提供便利。

4 结语

波纹管调节阀作为通用调节阀的密封进阶版，在成熟产品上设计仅需要考虑金属波纹管的使用即可。笔者利用波纹管的不同失效形式，为设计者在开发后续产品时提供参考意见，建议将设计重心放在波纹管的使用上，既需要考虑整体结构的强度，又需要考虑各种介质的复杂工况，以力求波纹管的最大使用效果。

波纹管的加工工艺在进步，作为设计者也需要进步，波纹管的设计在满足各种苛刻设计需求的同时，还需要兼顾波纹管强度与结构、外形与美观、经济与效益，在成本、强度、寿命三者之间寻找一个平衡点。