金屬波紋管閥門的設計

摘 要：介紹了波紋管閥門的設計要求，波紋管選用時的考慮因素，并介紹了波紋管閥門的幾種結構和設計時應注意的問題。
關鍵字：波紋管 設計 閥門

1 概述

金屬波紋管閥門的波紋管下端焊接在閥桿上，以防止工藝流體浸蝕閥桿，另一端置于閥體和閥蓋之間構成靜密封。采用合適的材料，波紋管閥可用于高溫500℃和高壓2500Ib（42MPa）工況中。通常閥門行程為波紋管自由長度的15%，因而波紋管占據很大的壓力空間，制造工藝相對復雜，價格較貴。但與傳統填料密封閥門相比，閥桿的密封更加可靠，在外泄漏要求比較嚴格的場合，如有毒介質、強腐蝕介質和放射性介質以及熱油等場合中應用廣泛。
2 設計要求

波紋管閥門最常用的結構形式為波紋管截止閥和閘閥。波紋管截止閥因為其啟閉行程短，易于制造與之匹配的波紋管而使用廣泛。閘閥由于需要的行程較長，制造波紋管的難度增大，使大口徑波紋管閘閥的使用受到限制。
2.1 閥門壽命
波紋管閥門的全開-全關-全開過程為一個循環（一次），美國閥門和管件制造者標準協會MSS 
SP-117規定波紋管閥門壽命如表1。
在不同的工況條件下，波紋管閥門的壽命要求也不一樣，設計時應滿足客戶的具體要求。
表1 波紋管閥門壽命

2.2 閥門試驗
波紋管閥門的試驗分為型式試驗和產品試驗。
2.2.1 型式試驗

波紋管閥門的關鍵部件是波紋管。波紋管的型式試驗可以是波紋管閥門，也可以是用連波紋管的工裝，但工裝的載荷、行程、壓力和間隙等應與實際的波紋管閥門相同。型式試驗前先完成1.5倍設計壓力的強度試驗。型式試驗應從每一基本設計和材料中隨機抽取至少3臺試驗，最短壽命不低于表1規定。試驗溫度為常溫，試驗壓力為常溫時材料規定的工作壓力。壽命試驗結束后用0.6MPa的空氣試壓，波紋管及其連接接頭進入水中，觀察是否有氣泡產生?；蛴煤鈾z漏儀器測試，其泄漏率不大于10-6cm3/s。
2.2.2 產品試驗

每臺波紋管閥門除正常的閥門試驗外，還必須使用氦氣檢漏儀器測試，其泄漏率不大于10-6cm3/s。
3 波紋管的選擇

波紋管閥門設計時，合理選用波紋管是決定閥門質量的關鍵。選用時應考慮波紋管材料、閥門使用壽命、工作壓力和工作溫度等的影響。表2~5是國外某波紋管廠家有關波紋管選用的數據。
表2 不同材料和溫度的壓力系數kt

表3 與位移有關的溫度系數kω

表4 壽命系數kf

表5 波紋管數據（基于1Cr18Ni9MoTi）

a）波紋管壓力的選取

假設一閥門工作溫度<300℃。工作壓力為1.4mpa，波紋管材料要求1cr18ni9ti，壽命次數10000次，閥門行程為20mm。閥桿直徑為20mm。
閥門在此溫度下的工作壓力p=1.4MPa，小于
kt×PN=0.65×2.5=1.62MPa
可選用表5中的波紋管。
b）波數的計算
n=l/（s0×kω×kf）=20/（2×0.46×0.70×1.0）=31（波）

由此可見，波紋管的選擇與波紋管材料、壽命、工作壓力和工作溫度有關，設計時只有根據不同的工況設計，才能保證波紋管可靠的工作和預期的使用壽命。
4 結構

波紋管的下部連接采用過渡接頭與閥桿焊接，上部連接采用法蘭或過渡接頭與閥蓋連接，最容易泄漏的地方是波紋管和接頭的連接處和法蘭連接處或上部接頭與閥蓋的焊接處。波紋管與接頭的焊接一般由波紋管廠家來完成。由于波紋管廠家的焊接設備和焊接技術比較強，可以保證質量。法蘭連接處采用上下石墨墊或纏繞墊來保證密封。下部接頭與閥桿的焊接和上部接頭與閥蓋的焊接較波紋管與接頭的焊接容易保證焊接質量，但應保證焊透， 
以保證密封。
圖1是波紋管閥門的波紋管組件常見的4種結構。

圖1（a）結構用于截止閥，波紋管通過下部接頭與閥桿連接，上部通過法蘭與閥蓋連接。圖1（b）結構用于截止閥，波紋管通過下部接頭與閥桿連接。上部通過碗形罩與閥蓋連接，此結構閥門的總高度比圖1（a）結構要低。圖1（c）結構用于閘閥。閘閥的行程較截止閥長，波紋管長度比截止閥長很多，單只波紋管長度不要超過400mm，如果太長易引起波紋管失穩，導致波紋管損壞。解決此問題一般采用波紋管分段，中間加連接接頭，保證波紋管的可靠使用。圖1（d）結構可用于波紋管閘閥或截止閥，波紋管通過下部接頭與閥桿連接，上部通過接頭與閥蓋焊接，此種結構可解決上部法蘭連接墊片密封潛在泄漏的問題，但不易拆卸。4種結構各有特點，設計時應根據實際情況選用。
在閥蓋上應設置填料密封，以防止波紋管損壞時介質外漏。
5 設計注意問題
a）波紋管與閥桿的間隙，一般取1~2mm。
b）波紋管不能承受扭矩，設計時應保證波紋管只拉伸和壓縮。
c）波紋管閥門在開啟或關閉狀態時，波紋管分別處于壓縮和拉伸狀態。
d）波紋管應有承受壓力所必須的最小迭層厚度，并要求進行試驗。
e）注意材料的相容性，實踐證明inconel合金是波紋管耐高溫高壓的較好材料。
f）波紋管的焊接質量應有工藝評定和焊接記錄。
g）作為節流用的波紋管閥應考慮流速對波紋管的影響。
h）波紋管具有一定的剛度，應考慮波紋管拉伸或壓縮時引起的操作力矩的增加。
6 結語

波紋管閥門工藝復雜，尺寸較大，價格較高，但在外泄漏要求嚴格的場合有著常規閥門不可替代的功能。為保證波紋管閥門的預期壽命，波紋管閥門設計和制造時應嚴格按有關規定和工藝參數的要求，同時也必須與波紋管制造商很好的溝通，并且每一臺閥門須經嚴格檢驗，才能生產出優質的波紋管閥門。