作 者： 高开科
1 概述
金属波纹管阀门的波纹管下端焊接在阀杆上，以防止工艺流体浸蚀阀杆，另一端置于阀体和阀盖之间构成静密封。采用合适的材料，波纹管阀可用于高温500℃和高压2500Ib（42MPa）工况中。通常阀门行程为波纹管自由长度的15%，因而波纹管占据很大的压力空间，制造工艺相对复杂，价格较贵。但与传统填料密封阀门相比，阀杆的密封更加可靠，在外泄漏要求比较严格的场合，如有毒介质、强腐蚀介质和放射性介质以及热油等场合中应用广泛。
2 设计要求
波纹管阀门最常用的结构形式为波纹管截止阀和闸阀。波纹管截止阀因为其启闭行程短，易于制造与之匹配的波纹管而使用广泛。闸阀由于需要的行程较长，制造波纹管的难度增大，使大口径波纹管闸阀的使用受到限制。
2.1 阀门寿命
波纹管阀门的全开-全关-全开过程为一个循环（一次），美国阀门和管件制造者标准协会MSS SP-117规定波纹管阀门寿命如表1。
在不同的工况条件下，波纹管阀门的寿命要求也不一样，设计时应满足客户的具体要求。
表1 波纹管阀门寿命
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|
闸阀 |
截止阀 |
|
800Ib及一下 |
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|
|
≤2in.（50mm） |
2000 |
5000 |
|
21/2~4in.（62.5~100mm） |
2000 |
5000 |
|
>4in.（100mm） |
1000 |
2000 |
|
大于800Ib |
2000 |
|
|
≤2in.（50mm） |
2000 |
2000 |
|
21/2~4in.（62.5~100mm） |
1000 |
2000 |
|
>4in.（100mm） |
|
1000 |
2.2 阀门试验
波纹管阀门的试验分为型式试验和产品试验。
2.2.1 型式试验
波纹管阀门的关键部件是波纹管。波纹管的型式试验可以是波纹管阀门，也可以是用连波纹管的工装，但工装的载荷、行程、压力和间隙等应与实际的波纹管阀门相同。型式试验前先完成1.5倍设计压力的强度试验。型式试验应从每一基本设计和材料中随机抽取至少3台试验，最短寿命不低于表1规定。试验温度为常温，试验压力为常温时材料规定的工作压力。寿命试验结束后用0.6MPa的空气试压，波纹管及其连接接头进入水中，观察是否有气泡产生。或用氦气检漏仪器测试，其泄漏率不大于10-6cm3/s。
2.2.2 产品试验
每台波纹管阀门除正常的阀门试验外，还必须使用氦气检漏仪器测试，其泄漏率不大于10-6cm3/s。
3 波纹管的选择
波纹管阀门设计时，合理选用波纹管是决定阀门质量的关键。选用时应考虑波纹管材料、阀门使用寿命、工作压力和工作温度等的影响。表2~5是国外某波纹管厂家有关波纹管选用的数据。
表2 不同材料和温度的压力系数kt
|
材料 |
20℃ |
100℃ |
200℃ |
300℃ |
400℃ |
500℃ |
|
0Cr18Ni10MoTi |
1.00 |
0.85 |
0.77 |
0.69 |
0.64 |
0.52 |
|
1Cr18Ni9Ti |
0.92 |
0.82 |
0.73 |
0.65 |
0.61 |
0.58 |
表3 与位移有关的温度系数kω
|
材料 |
20℃ |
100℃ |
200℃ |
300℃ |
400℃ |
500℃ |
|
0Cr18Ni10MoTi |
1.00 |
0.90 |
0.78 |
0.68 |
0.62 |
0.54 |
|
1Cr18Ni9Ti |
1.00 |
0.90 |
0.80 |
0.70 |
0.65 |
0.55 |
表4 寿命系数kf
|
寿命次数 |
1000 |
2000 |
4000 |
10000 |
25000 |
|
系数 |
1.6 |
1.4 |
1.2 |
1.0 |
0.8 |
表5 波纹管数据（基于1Cr18Ni9MoTi）
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内径/mm |
外径/mm |
层数 |
压力/MPa |
单波位移/mm |
波距/mm |
|
22 |
34 |
2 |
2.5 |
±0.46 |
2.9 |
a）波纹管压力的选取
假设一阀门工作温度<300℃。工作压力为1.4MPa，波纹管材料要求1Cr18Ni9Ti，寿命次数10000次，阀门行程为20mm。阀杆直径为20mm。
阀门在此温度下的工作压力p=1.4MPa，小于
kt×PN=0.65×2.5=1.62MPa
可选用表5中的波纹管。
b）波数的计算
n=l/（s0×kω×kf）=20/（2×0.46×0.70×1.0）=31（波）
由此可见，波纹管的选择与波纹管材料、寿命、工作压力和工作温度有关，设计时只有根据不同的工况设计，才能保证波纹管可靠的工作和预期的使用寿命。
4 结构
波纹管的下部连接采用过渡接头与阀杆焊接，上部连接采用法兰或过渡接头与阀盖连接，最容易泄漏的地方是波纹管和接头的连接处和法兰连接处或上部接头与阀盖的焊接处。波纹管与接头的焊接一般由波纹管厂家来完成。由于波纹管厂家的焊接设备和焊接技术比较强，可以保证质量。法兰连接处采用上下石墨垫或缠绕垫来保证密封。下部接头与阀杆的焊接和上部接头与阀盖的焊接较波纹管与接头的焊接容易保证焊接质量，但应保证焊透， 以保证密封。
图1是波纹管阀门的波纹管组件常见的4种结构。
图1（a）结构用于截止阀，波纹管通过下部接头与阀杆连接，上部通过法兰与阀盖连接。图1（b）结构用于截止阀，波纹管通过下部接头与阀杆连接。上部通过碗形罩与阀盖连接，此结构阀门的总高度比图1（a）结构要低。图1（c）结构用于闸阀。闸阀的行程较截止阀长，波纹管长度比截止阀长很多，单只波纹管长度不要超过400mm，如果太长易引起波纹管失稳，导致波纹管损坏。解决此问题一般采用波纹管分段，中间加连接接头，保证波纹管的可靠使用。图1（d）结构可用于波纹管闸阀或截止阀，波纹管通过下部接头与阀杆连接，上部通过接头与阀盖焊接，此种结构可解决上部法兰连接垫片密封潜在泄漏的问题，但不易拆卸。4种结构各有特点，设计时应根据实际情况选用。
在阀盖上应设置填料密封，以防止波纹管损坏时介质外漏。
5 设计注意问题
a）波纹管与阀杆的间隙，一般取1~2mm。
b）波纹管不能承受扭矩，设计时应保证波纹管只拉伸和压缩。
c）波纹管阀门在开启或关闭状态时，波纹管分别处于压缩和拉伸状态。
d）波纹管应有承受压力所必须的最小迭层厚度，并要求进行试验。
e）注意材料的相容性，实践证明inconel合金是波纹管耐高温高压的较好材料。
f）波纹管的焊接质量应有工艺评定和焊接记录。
g）作为节流用的波纹管阀应考虑流速对波纹管的影响。
h）波纹管具有一定的刚度，应考虑波纹管拉伸或压缩时引起的操作力矩的增加。
6 结语
波纹管阀门工艺复杂，尺寸较大，价格较高，但在外泄漏要求严格的场合有着常规阀门不可替代的功能。为保证波纹管阀门的预期寿命，波纹管阀门设计和制造时应严格按有关规定和工艺参数的要求，同时也必须与波纹管制造商很好的沟通，并且每一台阀门须经严格检验，才能生产出优质的波纹管阀门。
参考文献
[1] MSS SP-117，波纹管阀门[S].
[2] J.L莱昂斯 阀门技术手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
