武漢市燃氣熱力規(guī)劃設(shè)計院 李沅 向東棟

金屬波紋管是一類常見的彈性元件，它是利用材料的彈性來實現(xiàn)所要求的功能，在外界載荷作用下，元件改變自身形狀和尺寸，當(dāng)載荷卸除后又回復(fù)到原來的狀態(tài)。它可以實現(xiàn)測量、連接、轉(zhuǎn)換、補償、隔離、密封、減震等功能。金屬波紋管于1848年由法國人波登發(fā)明，主要應(yīng)用于儀表行業(yè)。經(jīng)過近2個世紀的發(fā)展，金屬波紋管的種類越來越多，制造工藝水平也越來越高，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油石化、儀器儀表、汽車、電力、冶金等各種領(lǐng)域。由于具有柔軟、抗疲勞、耐高壓、耐高低溫、耐腐蝕等諸多特性，金屬波紋管在燃氣輸配領(lǐng)域，正得到越來越多的應(yīng)用。隨著全國大規(guī)模天然氣建設(shè)，金屬波紋管在民用、商用、工業(yè)用、輸氣管道等方面，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 金屬波紋管的結(jié)構(gòu)

金屬波紋管是現(xiàn)代工業(yè)管路中一種高品質(zhì)的柔性管道，主要由波紋管部分和兩端配合連接部分所組成(為一次性加工成型)，見圖 1。它的內(nèi)管是具有螺旋形或環(huán)形波形的薄壁金屬波紋管。部分波紋管外層帶有網(wǎng)套，由不銹鋼絲或鋼帶按一定的參數(shù)編織而成。網(wǎng)套是軟管安裝在壓力管路中的主要承壓件，同時對波紋管起護套作用，根據(jù)管道中的壓力大小及應(yīng)用場所，可選擇一層或多層的不銹鋼絲或鋼帶進行編織。波紋金屬軟管的兩端配合連接部分(即接頭)，按照結(jié)構(gòu)形式大體上分為螺旋式、法蘭盤式和卡套式三大類。

圖1 金屬波紋管典型結(jié)構(gòu)

金屬波紋管的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)，決定了金屬波紋管在壓力、軸向力、橫向力或彎矩作用下均能產(chǎn)生相應(yīng)的位移，并具有耐壓性、真空密封性、耐腐蝕性、溫度穩(wěn)定性和長期使用壽命。使其具備良好的柔軟性、抗疲勞性、耐高壓、耐高低溫、耐蝕性等諸多特性。相對橡膠、塑料軟管等其他軟管的壽命，金屬波紋管就要高出許多，且又具有較高的綜合經(jīng)濟效益。

2 燃氣設(shè)備用金屬波紋管

2.1 民用灶具用金屬波紋管

在 90年代前，基本上都是采用鍍鋅鋼管、銅管、復(fù)合管、鋁塑管、橡膠管等作為硬管與灶具的連接管道。由于以上連接管道具有現(xiàn)場加工裝配較困難、密封性差、易老化、易被燃氣中的一些化學(xué)物質(zhì)腐蝕(液化氣中的二甲醚可溶解丁腈橡膠)，不耐高溫等特性，存在安全隱患，正逐步被摒棄。而金屬波紋管具有抗腐蝕強、連接方便可靠、美觀，同時又具有一定的柔軟性和強度越來越受到各燃氣公司和用戶的青睞。

目前歐洲、北美地區(qū)室內(nèi)管道采用金屬波紋管達 50%左右，而日本普遍采用金屬波紋管有近百年的歷史，從產(chǎn)品加工到實施應(yīng)用各個方面已經(jīng)很成熟。國內(nèi)許多地方法規(guī)如福州、武漢等城市由于燃氣事故頻發(fā)已明文規(guī)定必須采用金屬波紋管連接作為灶具連接管替代橡膠管，建設(shè)部也對燃氣用不銹鋼波紋管及接頭制訂了行業(yè)標準，在這種大氛圍環(huán)境下，未來幾年內(nèi)，采用金屬波紋管替代以上材料管道的連接將逐步成為國內(nèi)燃氣行業(yè)的共識。

2.2 工業(yè)用金屬波紋管

金屬波紋膨脹節(jié)廣泛應(yīng)用于各種管路系統(tǒng)中，用來補償因溫度和壓力波動造成的軸向、橫向和角位移。金屬波紋管溫度補償器示意圖見圖 2。金屬波紋膨脹節(jié)的核心零件是波紋管，通過波紋管的可變形性和耐壓密封性來進行抽向、橫向和角位移，并承受系統(tǒng)的流體壓力，其它零件均為結(jié)構(gòu)件，起導(dǎo)向、支撐、連接、導(dǎo)流等作用。根據(jù)設(shè)計和使用要求，波紋管和有關(guān)結(jié)構(gòu)零件按需要的結(jié)構(gòu)焊接成軸向、橫向和角向不同類型的波紋膨脹節(jié)。

圖2 金屬波紋管溫度補償器

金屬波紋管還可用作撓性聯(lián)接件，利用其撓性來補償管路系統(tǒng)中因安裝造成的位置偏差和滿足工作端各向位移的要求，并承受系統(tǒng)的流體壓力，見圖 3。金屬軟管的核心零件為波紋管，此種波紋管的長度和內(nèi)徑之比一般大于 3，波型分為環(huán)形和螺旋形，環(huán)形的彎曲剛度比螺旋形的小。為了增加金屬軟管的承壓能力，在許多情況下，在波紋管外面鎧裝金屬絲或帶編織的金屬網(wǎng)套。

圖3 撓性波紋管補償器

3 金屬波紋管在儀表、閥門中的應(yīng)用

3.1 金屬波紋管在儀表中的應(yīng)用

對于作為彈性敏感元件的波紋管的彈性特性有很高的要求。用作彈性敏感元件的波紋管基本上是把壓力變?yōu)槲灰戚敵龌虬褖毫ψ優(yōu)榧辛敵?。把壓力變?yōu)榧辛敵龅牟y管變形很小或幾乎沒有位移，所以在波紋上產(chǎn)生的應(yīng)力比輸出位移的波紋管波紋上的應(yīng)力要小，向彈性后效、滯后的影響可以說沒有，因此，用力平衡式波紋管作彈性敏感元件的儀表的可靠性和精度可以很高。這就是在測量儀表中，多用力平衡式波紋管作彈性敏感元件的原因，把壓力變?yōu)槲灰戚敵龅牟y管在波紋上會產(chǎn)生較大的壓力，設(shè)計時應(yīng)該注意，同時彈性后效、滯后對波紋管的彈性有一定的影響。在儀表中作為彈性敏感元件用的波紋管，設(shè)計時波紋管的剛度盡量取小值。利用波紋管在位移過程中內(nèi)腔(或外部)容積的變化，可以用于溫度控制和溫度測量。

3.2 金屬波紋管在閥門中的應(yīng)用

波紋管閥門，無論是截止閥(見圖4)、節(jié)流閥、調(diào)節(jié)閥，還是減壓閥等閥門，波紋管都是作為閥桿的無填料密封隔離元件。在閥門工作過程中，波紋管與閥桿一起進行軸向位移和復(fù)位，同時它還要承受流體的壓力并絕對密封。波紋管的軸向位移量與閥門的通徑有關(guān)，對于平面密封的截止閥，其波紋管的工作行程一般為通徑的 1/4。波紋管的軸向位移行程應(yīng)通過閥桿移動的機械限位來限程。不允許波紋管波紋壓靠而產(chǎn)生塑性變形，同時還要防止波紋管受到扭曲變形。在閥門中，波紋管的主要使用性能是耐壓力、工作位移和疲勞壽命。波紋管的失效形式主要是疲勞破裂，應(yīng)力腐蝕破壞和波紋管失穩(wěn)。影響波紋管使用壽命的因素主要是工作壓力、工作位移、工作溫度、流體介質(zhì)、波形結(jié)構(gòu)、原材料質(zhì)量、壓力沖擊、振動、連接零件結(jié)構(gòu)和裝配質(zhì)量等。在波紋管閥門中，波紋管是最易損壞的零件，所以，波紋管的設(shè)計和選型非常重要，如果設(shè)計不合理，往往引起閥門過早失效。與填料密封閥門相比，波紋管閥門具有更高的可靠性和使用壽命。它在核工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 金屬波紋管應(yīng)用于截止閥

4 不銹鋼波紋管

將成卷的波紋不銹鋼波紋管配上附屬管件用來把中央供氣站的燃氣輸送到一幢建筑物或房屋的各處使用。該技術(shù)模仿為房屋鋪設(shè)電路的方式為房屋鋪設(shè)燃氣管路，從而達到安全美觀、大幅度降低安裝時間和勞動成本的目的。日本開發(fā)的該項技術(shù)，經(jīng)美國燃氣研究所引進美國，旨在提高燃氣管道安裝的競爭力，從而提高燃氣管道的使用率，進而增加全美國對天然氣的使用量。長時間的監(jiān)控追蹤結(jié)果證明，天然氣不銹鋼波紋軟管具有優(yōu)良的性能——安全、永久、防地震、防腐蝕、防老化、柔韌性好、安裝簡便。

在全球很大部分國家與地區(qū)的燃氣領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用不銹鋼波紋管道系統(tǒng)近 30年。隨著中國國內(nèi)燃氣技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來住宅廚房越來越多的采用燃氣管道暗埋方式，也越來越多采用定尺和非定尺波紋不銹鋼管。

5 小結(jié)

金屬波紋管以其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性，在軸向力、縱向力、扭矩的作用下，顯現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和彈性恢復(fù)性能，同時對燃氣中的腐蝕性介質(zhì)(如醚類、硫類物質(zhì))有良好的化學(xué)惰性，能夠長期穩(wěn)定使用。因此，具有良好外觀的金屬波紋管在民用燃氣輸配領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。在易燃易爆氣體輸送系統(tǒng)中，具有良好密封性能和彈性性能的金屬波紋管在高壓儀表、閥門、輸氣管道中也得到廣泛應(yīng)用。相信隨著燃氣行業(yè)的闊步發(fā)展和廣大民眾對燃氣使用安全意識的提高，金屬波紋管將在燃氣輸配領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。