有关高压组合电器用金属膨胀节设计与应用的探究

有关高压组合电器用金属膨胀节设计与应用的探究

周桐祝彬

（沈阳晨光弗泰波纹管有限公司辽宁沈阳110141）

摘要:随着我国制造业的蓬勃发展,通过不断的创新，科技水平得到不断提高,尤其是智能管网领域的进步得到充分体现。作为现代压力管道元件设备重要的组成部件,金属波纹管膨胀节系列产品的设计、制造以及检测等方面不可忽视,波纹伸缩节又称为波纹管补偿器,它在输变电、仪器仪表、冶金、石化、交通、造船、柴油机、集中供热、真空、制冷、核能及航空航天等行业有着非常显著的作用,其关系到城市用户用电稳定和行业效能使用等问题。为了能够达到管线布置的最优化程度,现从设计依据原则、成型方法等方面来阐述金属膨胀节的设计与应用。

关键词：金属膨胀节；膨胀设计；应用；分析

1导言

本文主要是针对了高压组合电气用金属波纹管膨胀节（以下简称：GIS膨胀节）设计与应用进行了全面的分析研究，并且在这个基础上提出了下文中的一些内容，希望能够给与同行业工作的人员提供出一定价值的参考。

2GIS膨胀节分类

作为补偿管道热伸缩位移、安装偏差以及极端天气环境引起的管道位移变化的补偿装置，金属膨胀节在承受位移的同时还需承载一定的压力，为满足管线运行过程中稳定可靠问题起到决定性因素，针对补偿能力、位移形式进行如下分类：一是单一吸收管道轴向位移的膨胀节，简称单式轴向型膨胀节。二是既能吸收管道轴向补偿位移也可以吸收横向补偿位移的膨胀节，解决安装偏差以及地震位移等复合位移变化，简称复式横向型膨胀节。三是在考虑到管线系统的稳定性，不仅可以抵消由压力推力产生的盲板力也可补偿轴向位移的直管压力平衡型膨胀节，解决因膨胀节产品过长而导致的稳定性差，管线设计长度变长等问题，简称直管压力平衡型膨胀节。上述几种膨胀节被广泛应用在输变电行业管线布置中。

3GIS膨胀节设计原理和选型依据

根据膨胀节的所承受载荷种类、管线布置的要求、工作环境、工作温度及使用寿命等已知条件并考虑材料的成型和焊接工艺性选择一种合适的材料，材料的选择还要考虑复合位移的承载能力。

确定结构型式：1)选择膨胀节形式根据波纹管的用途、性能、使用要求以及承载位移的能力和制造特点等因素来选择比较合理的波纹管类型。2)确定波纹管层数根据波纹管的工作压力、使用环境、稳定性以及刚度等因素确定波纹管的层数。在工作压力较高的情况下，一般选用多层结构的波纹管，对于多层波纹管需要合理选择其单层壁厚和层数；3)初步估定是否要与其它弹性元件联用，有些情况下波纹管与位移标尺并联使用这些情况分别是为了提高测量由压力和环境影响的位移变化情况；4)在设计波纹管的焊接端部的结构样式前要考虑其两端位置的焊接形式、成型方法和整个元器件在结构方面的限制；5)在波纹管长度比较长的情况下，考虑是否需要导向装置，避免在工作过程中产生柱向失稳情况；6)在压力比较高的情况下，考虑是否需用增加加强环来适应较高工作压力的使用要求。波纹管可以用提高壁厚、采用多层结构或加强环的形式提高耐压能力；

4GIS波纹管的加工工艺

方法之一：为液压成型法，该方法是将成型管坯放入密封的压力机内,在管坯内充油或水并进行加压，而在管坯外部放置特定工装进行固定，开始成型时需同时增大压力和减小棋具间的距离，使管坯沿周向膨胀并靠紧模具而成型；方法之二：为滚压成型法:将管坯套在一个装有橡胶环的芯轴上，作用在芯轴上的轴向力使橡胶环向外挤压，在卸除轴向力后再对已膨胀的管坯进行压缩，并用装在圆筒外的波形轮廓模具来完成其最终的波形。波纹是一次一个成型出来的。成型波推出时管坯部分即自由地拉入以减少材料的减薄；方法之三：为机械成型将管坯置于专用成型机内，在管坯内装有特定成型模片,用成型模片所施加的压力使各波逐个成型，最终达到满足使用的波形参数。

GIS膨胀节在进行安装及使用时都应将规范性放在首位，只有正确的安装及使用，才能使其功能效用得到最大化发挥，并延长使用寿命，因此，在进行安装过程中，应严格按照说明书上的指示进行操作，并且以下几点问题应引起高度重视：金属波纹管由于自身形状特点，导致其不能够进行灵活拧转，所以在进行安装及使用过程中，因为产生扭转位移后，极大的减少了波纹管的使用寿命，所以应当尽量减少波纹管的拧动幅度以及频率。但是如果金属波纹管的前期设计不够周全，也不能使金属波纹管变形达到对管道的误差调整目的，一旦波纹管受到不可抗力挤压变形，其膨胀节功能将很难恢复。在对金属波纹管的膨胀节进行选择时，为了达到较好的施工效果，最好不要选择在施工现场进行提前定位，如果施工要求是必须在现场定位的情况下，务必要将出厂说明书放置在施工现场，并根据说明书的规格要求进行有规划的定位，减少实际误差。

在操作过程中，应当将金属波纹管就行合理存放，不能随意堆放在施工现场周围，以免由于施工现场环境混乱，对波纹管的管壁造成不必要的损伤及撞击。作为金属波纹管施工的重要支架，也就是固定支架，其安装环节也应依照施工设计图纸进行实地考察，根据施工现场的实际环境进行综合考量，确定支架安装位置及步骤，在没有特殊要求及突发情况时，支架安装是不允许自行变动的，因为一旦改动会使其支架功能及质量发生变化。因此，在需要对支架进行安装改动时，一定要咨询相关人员，只有设计人员进行分析同意更改后，方可进行支架安装变动。在进行设有导流筒的金属波纹管膨胀节的安装过程中，应注意其方向的正确性及有效性；而在铰链型波纹管膨胀节的安装环节中，角位移补偿方向是绝对不能倒置的，一旦倒置其功能就难以发挥，还会影响整体使用效果及管道运行。

5金属波纹管膨胀节的其他相关应用

5.1气体绝缘金属封闭输电线路（简称GIL）用膨胀节

我国输电线路常经过地理和气象条件复杂的地区,随着社会经济的发展也使得线路走廊的选择成为一个日益严峻的问题。GIL输送容量大，不受灰尘、湿度及覆冰等外界环境因素影响，可靠性高，可以成为替代架空输电线路的一种有效方案，与环境相互影响小。GIL用膨胀节凭借其刚度和产品最大外径较小、稳定性强，便于安装和检修，对管线稳定运行提供有力保障。

5.2用于轨道交通联轴器波纹管元件

联轴器波纹管元件是高铁、城轨等轨道车辆驱动系统中动力转向架的关键部件，安装于牵引电机和齿轮箱之间。它能将牵引电机的扭矩有效地传递到齿轮箱中，并能够补偿牵引电机输出轴和齿轮箱输入轴之间的径向、轴向、角度及其综合位移，具有承载能力较高、结构紧凑、效率高、使用寿命长、成本低等优点。该行业波纹管对设计疲劳寿命要求高，密封性要求严格，两端采用翻边结构，其中一端为翻边胀紧外密封，是产品设计和制造的关键因素。

5.3用于其他行业金属波纹膨胀节

金属波纹膨胀节广泛应用于各种管路系统中用来补偿因温度和压力波动造成的轴向、横向和角位移。金属波纹膨胀节的核心零件是波纹管，通过波纹管的可变形性和耐压密封性来进行轴向、横向和角位移并承受系统的流体压力其它零件均为结构件起导向、支撑、连接、导流等作用。根据设计和使用要求波纹管和有关结构零件按需要的结构焊接成轴向、横向和角向不同类型的波纹膨胀节。

5.4用于真空开关的真空密封

真空开关是在真空中进行电流通断的开关设备，它的主触头位于真空灭弧室中。波纹管是真空灭弧室中的关键元件，只有采用金属波纹管后才有可能从真空灭弧室外部用机械力使动触头运动，又能保持真空灭弧室外壳完全密封。

6结论

总而言之，在波纹管GIS线路中主要解决安装偏差、热伸缩位移的疲劳、耐压、耐温、耐腐蚀性和抗振动等问题，其中波纹管选型、加工工艺以及安装等方面为其关键因素。

参考文献

[1]GB/T12777-2008.《金属波纹股膨胀节通用技术条件》[S]

[2]GB/T30092-2013.《高压组合电器用金属波纹补偿器》[S]

[3]于咏梅.压力管道柔性设计及金属波纹管膨胀节的选用[J].河南化工,2009,01:36-37.

[4]于振毅,刘波,白宇,李延夫,赵恩成,丰艳春.金属波纹管膨胀节某些构件设计问题讨论[J].压力容器,2004,05:18-21.