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4.10.2内衬筒的推荐设计a．为了减少膨胀节的内衬筒在流动介质作用下发生振动的可能性，输送气体和蒸汽时，内衬筒的厚度应采取下列经验值：b.筒长，流速和介质温度可增大上表要求的内衬筒的最小厚度值。厚度增加的因素应按照流动部分计算并相乘，结果与上表中的厚度值相乘，已得到可用的内衬管的最小厚度值。c.如果单个内衬筒的长度超过18英寸，以上厚度值应乘以√Ls/18，为内衬筒长度，单位为英寸。d.如果介质流速（V）超过100英尺/秒，以上厚度值应乘以√V/100。如果在膨胀节上游10倍管径以内存在由阀门、三通、弯管等引起的湍流，用于计算内衬筒厚度的流速V,应取作实际流速的4倍。其他情况下，V的取值可根据实际测定及流体动力学公式计算而得出。e.如果介质温度超过300℉，以上厚度值应该等于Esc/Esh，其中Esc为300℉时内衬筒的弹性系数，Esh为介质温度下内衬筒的弹性系数。f.如果存在横向位移或角位移，必须减小内衬筒的直径，使它的外径与波纹管或接管的内径之间留有足够的间隙。如果不允许减少内衬筒的直径，则必须使用加大尺寸的膨胀节，或者改用其他形式的膨胀节，或者对膨胀节进行冷紧。g.排泄孔应该与管道垂直安装，以便液体流入内衬筒中。h.为减小流动诱导振动的可能性而设计的内衬管不能替代1.2部分中所说的导向内衬筒。i.内衬筒的材料可以与波纹管相同，也可以采用不同的材料。4.11外盖—圆形伸缩缝基于以下标准，外盖对所有的伸缩缝是特定的。4.11.1流致振动当波纹管的由外流所致的漩涡脱落频率接近振动引起的自然频率时，可能会引起共振干扰从而产生破坏。诱导波纹管产生共振干扰的最小的轴向和横向流速可通过下式计算：a）波纹管自由流的最小轴向流速其中，w为卷积高度（英寸）Ksr为波纹管轴向总流速（英镑/英尺）W为包括介质流体在内的波纹管的重量（英镑）b）波纹管自由流的最小横向流速其中，Dm为波纹管的平均直径（英寸）Lb为波纹管的长度（英寸）Ksr为波纹管轴向总流速（英镑/英尺）W为包括介质流体在内的波纹管的重量（英镑）当波纹管的实际这样流速超过以上各式相应值得75%时才可用。4.11.2阻力由于波纹管外的横向流引起的阻力而造成的单个波纹管非周期的运转，在设计过程中应考虑。包含其他设计的运转应确保在总运转的每卷积的ec和ee不能超过ec和ee的最大值。膨胀节的公称直径（英寸）2~34~1012~2426~4850~7272内衬筒的最小厚度（英寸）0.0240.0360.0480.0600.0750.090此外，基于设计压力下的横向运动所计算出的总压力范围（St）必须小于1.5CmSab。横向运动可按下式计算：其中，ρ为波纹管内流过的流体的重量密度（英镑/英尺³）V为流体的流速（英尺/秒）4.12波纹管的设计波纹管的设计非常复杂，它需要对以下各项进行计算和校核：耐压能力，位移引起的应力，疲劳寿命，刚度和稳定性（屈曲）。稳定性问题与其他问题的不同之处，在于用户尚未普遍认识到，波纹管在内压作用下可能发生类似压杆失稳的现象。导致问题更加复杂的是，为了作出一项适当的设计，要涉及到许多设计要素：例如直径，壁厚、波距和波高，层数，增强方式，制造工艺，材料的种类和热处理。在许多情况下，为了完成一项具体的设计，需要在若干相互矛盾的设计要求在选择一个折中方案。例如：为了耐高压需要加大波纹管的壁厚，而要求良好的弹性又必须把壁厚做得较薄。对于波纹管的应力分析已经有了几种值得注意的理论，然而，每一种都存在固有的局限性。这些分析一般基于一些近似描述波纹管的真是性能的假设。这些假设通常假定波纹管的性状是厚度均匀的理想几何体，材料时各向同性的均匀的弹性体。在多数情况下，这些假设是不严格的。波纹管通常工作在塑性范围内，而且成形过程的冷作硬化会改变材料的机械性能，一些研究人员采用计算机进行分析，考虑壁厚、性状的变化以及塑性变形的影响。这种处理方法显然比简单的弹性分析更为复杂，然而，由于缺乏试验验证，依然没有完全解决设计问题。波纹管中的应力主要是因为内压和位移而引起的。位移引起的应力通常大于内压引起的应力，它沿着波纹管的子午线方向（经向），一般高于波纹管材料的屈服应力。内压在波纹管的直边段和波壳中引起沿圆周方向（环向）作用的薄膜应力。还在波壳内形成沿子午线方向作用的薄膜应力和弯曲应力。“Ω”形波纹能够承受高压，但只能经受较小的轴向位移；“U”形波纹则相反，在壁厚相同的条件下，它能经受较大的位移，但只能承受较低的压力。使膨胀节既能承受高压又能经受大位移的一个方法，是在“U”形波纹管的外部安设增强部件。这种补强方式可以制约波纹管的环向变形，并能在波谷提供经向支承，防止其在内压作用下发生屈服皱折破坏。采用多层结构或增强波纹管的厚度也可以提高波纹管承受内压的能力，但是增加厚度会显著降低波纹管的疲劳寿命。由内压和位移而产生的组合应力的变化范围对波纹管的疲劳寿命有影响。因此，对于给定了几何形状和壁厚的波纹管，疲劳寿命则是内压和位移的函数。发生位移的波纹管的弹力是十分关键的。使波深壁薄的波纹管产生位移比使波前壁厚的波纹管所需要的力小。设计波纹管时必须根据所预计的金属材料在运行期间的实际温度进行计算，该温度可能低于传输的介质温度。应该知道，波纹管的几何形状和工业中所采用的成型方法是多种多样的，不会有哪一种形状或成型方法对所有设计条件必定是最好的。4.12.1影响波纹管设计的参数和准则这部分内容包括一系列公式，目的在于为膨胀节的用户和设计人员提供一种合理地方法，贵影响波纹管设计的各种参数进行评估。在规定压力和循环位移的条件下，采用4.13中的公式对波纹管进行设计，必须配合以按照4.12.1.8的方法所获得的实测数据，制造厂只能依据这些数据来选用修正系数。当所获得的测试数据不足以在一个具体问题中修正这些公式时，对于在规定的压力、温度和位移条件下提出的一项设计，只能确知与其规格、形状类似的波纹管在相同的或更不利的条件下有着令人满意的使用记录，才可以认为它是可行的。而以设定的参数为基础，使用4.13中的公式进行计算，可以作为审定该项设计是否试用的一项内容。4.12.1.1无增强波纹管无增强波纹管的计算公式是依据国际核工业报告第NAA-SR-4527，“波纹管的应力分析”中的第一部分“设计准则和实验结果”所给出的公式，并经过膨胀节制造商协会修改、补充，反映了会员们所积累的经验。公式根据弹性壳体理论导出，所考虑的各种参数适用于U形波纹管。4.13.2中的公式是对国际核工业报告所提出的公式加以修正的结果，即公式（4-27）（4-28）（4-29）（4-30）和（4-31）所给出的，经过修正的计算应力可以直接与ASME管道规范和ASME锅炉与压力容器规范所公布的，在设计温度下波纹管材料的许用应力进行比较，如采用其他规范进行设计，须与膨胀节制造厂家联系。图4.13给出一个无增强波纹管。4.12.1.2增强型波纹管增强型波纹管的计算公式是依据无增强波纹管的计算公式是依据国际核工业报告第NAA-SR-4527，“波纹管的应力分析”中的第一部分“设计准则和实验结果”所给出的公式，并经过膨胀节制造商协会修改、补充，反映了会员们所积累的经验。公式根据弹性壳体理论导出，所考虑的各种参数适用于U形波纹管。4.13.2中的公式依据的是国际核工业报告所提供的用于计算无增强波纹管的公式。公式（4-44）（4-45）（4-46）（4-47）和（4-48）反映出安装了增强件使波纹的强度和刚度得到增强。公式（4-38），（4-39），（4-40），（4-41），（4-42），（4-43），（4-44）和（4-45）经过修正，所给出的计算应力可以直接与ASME管道规范和ASME锅炉与压力容器规范所公布的，在设计温度下波纹管材料的许用应力进行比较，如采用其他规范进行设计，须与膨胀节制造厂家联系。图4.14给出一个增强型波纹管。从外部增强而承受外压的波纹管应作为无增强波纹管看待。作用于波纹侧壁的压力将对位于端部的套箍形成一个轴向载荷，有推动套箍离开波纹向外移动的趋势。该载荷等于内压乘以波纹管平均直径和内径之间圆环的面积。为此，必须在外部加强以抵消该载荷，使套箍保持在应有的位置上。a.Ω型波纹管4.13.3中Ω型波纹管的计算公式取自DesignandAnalysisOfPiping，PressureVessels，andComponents，ASMEPVPVol.120,1987，Pgs.99-106。图4.15给出一个Ω型波纹管。有外压的Ω型波纹管不包含在EJMA标准内。作用于波纹侧壁的压力将对位于端部的套箍形成一个轴向载荷，有推动套箍离开波纹向外移动的趋势。该载荷等于内压乘以波纹管平均直径和内径之间圆环的面积。为此，必须在外部加强以抵消该载荷，使套箍保持在应有的位置上。4.12.1.3承受内压的能力波纹管端部直边段过大的环向应力会造成沿周向的屈服。该应力采用修正的Barlow公式进行计算。对于无增强和增强波纹管引入一修正系数“k”，用以考虑连接焊缝和端部波纹对直边段刚度的增强作用。如有必要可用套箍对无增强波纹管的直边段进行加强。公式则依据直边段和套箍各自的截面积及材料性质来确定有它们所分担的应力。波纹管波纹段过大的环向应力会造成沿周向的屈服，并可能导致破裂。任一种柱壳为例，该应力与横截面积成反比。所有这些公式均依据波纹管和增强件各自的截面积及材料性质来确定它们所分担的应力。在U型波纹管的波壳内，沿子午向作用的应力过大会使波壳的侧壁隆起。波壳形状的任何明显改变均会减小波纹之间的空间，从而降低波纹管吸收位移的能力。这种形状变化也会影响到疲劳寿命。Ω型波纹管内过大的子午向压力应力会引起子午向的屈曲，并可能导致破裂。4.12.1.4位移引起的应力公式（4-32），（4-33），（4-46），（4-47），（4-57）和（4-58）用于计算波纹管发生位移时在波纹段内所产生的应力。典型的计算应力值在50000~500000磅/英寸²之内。这些公式所给出的计算值不是真实的应力值，因为它们已经超过了材料的弹性极限；这些数值的意义在于，将它们与实测结果进行相关分析可以估算出疲劳寿命。4.12.1.5预期疲劳寿命影响膨胀节预期疲劳寿命的因素相当多，例如：工作压力，工作温度，波纹管的材料、单薄位移、壁厚、波距、波高和波形以及波纹管的热处理。这些因素的任何变化均对膨胀节的寿命有影响。用奥氏体不锈钢制造波纹管，波纹在成型过程中所受到的加工硬化，通常显著增加膨胀节的疲劳寿命。预期的疲劳寿命可以定义为：根据在室温下模拟工作条件进行试验所获得的数据而推断的，膨胀节所能够经受的完整的循环次数。一次循环定义为：从管系的初始位置到所考虑的工作位置再回到初始位置的一次完整的往复运动。疲劳寿命取决于波纹管内应力变化的最大范围，相比之下，最大应力幅的影响要小得多。通过专门的设计可以使膨胀节具有非常高的循环寿命。如果需要这样做，必修通知膨胀节制造厂家预计需要的循环次数。只有在工作条件下波纹管金属的实际温度低于出现蠕变的温度范围，才可以使用所给的公式对疲劳寿命进行计算。若波纹管金属的实际温度在蠕变温度范围内，其疲劳寿命计算必须借助高温测试数据，或者借助相同或更恶劣工况下尺寸、形状类似波纹管的成功运行史得到证实。a.疲劳寿命波纹管的疲劳寿命是由内压引起的沿子午线方向的应力变化范围与由位移引起的沿子午线方向总的应力变化范围之和的函数。位移引起的应力的变化范围必须根据总当量轴向位移的变化范围来确定，见4.3。造成破坏的循环次数可用公式（4-34），（4-48）和（4-59）进行估算，各常数则由总的应力变化范围与达到破坏的循环次数的关系曲线给出。这一曲线是通过对一系列采用类似材料的波纹管在室温下进行疲劳试验，并对试验数据进行拟合而得出的。设计波纹管是即采用这些公式预测其平均疲劳寿命。某些规范和标准编入了计及尺寸、表面光洁度和数据分散度等常规影响因素的疲劳设计曲线。循环寿命的设计值必须与预计的工作循环次数大体一致。对于循环次数的估计过于保守，会使所设计的波纹管的波数增多，致使膨胀节更易于丧失稳