波紋管補償器設計疲勞壽命與穩(wěn)定性及應力腐蝕的關系

眾所周知，波紋管的設計主要考慮三個方面的因素：耐壓強度、穩(wěn)定性和疲勞性能。在國家標準和美國EJMA標準中，對這幾方面的計算和評定都有明確的規(guī)定。

從多年的應用實踐中，尤其是從一些波紋管失效分析中，感到標準中給出的關于穩(wěn)定性的計算和評定方法不夠全面；關于疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍（平均疲勞壽命N_c在10³～10⁵適用）。有時，一個完全符合標準要求的產品，在實際使用時也會出現一些問題。如內壓軸向型補償器預變位狀態(tài)在壓力試驗時波紋管易產生平面失穩(wěn)，大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態(tài)波紋管易產生周向失穩(wěn)，小直徑復式拉桿型補償器、鉸鏈型補償器全位移工作狀態(tài)易產生柱失穩(wěn)。波紋管過大的變形不僅對其穩(wěn)定性造成影響，變形引起的綜合應力的增加，還會為應力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。以下將就波紋管穩(wěn)定性與疲勞壽命（單波補償量）的關系及波紋管綜合應力與應力腐蝕的關系進行簡要分析。

a. 波紋管疲勞壽命與其綜合應力

波紋管的補償量取決與其疲勞壽命，要求的疲勞壽命越高，波紋管單波補償量越小。為了降低成本，提高單波補償量，有些生產廠家將波紋管的許用疲勞壽命降的很低。這樣就導致由位移引起的波紋管子午向彎曲應力很大，綜合應力很高，大大降低了波紋管的穩(wěn)定性。表1給出了無加強U形波紋管許用疲勞壽命與子午向綜合應力及單波補償量之間的關系。

表1    波紋管許用疲勞壽命與綜合應力及單波補償量之間的關系

關于表1的幾點說明：

1） 綜合應力σ_t為由位移和壓力引起的波紋管子午向綜合名義應力；

2） 波紋管平均疲勞壽命N＝［N］×10；

3） 單波位移給出的是以許用壽命1000次為參照的參考值。

由表1可以清楚的看出，降低疲勞壽命可以大幅度的提高波紋管單波位移，但同時波紋管綜合應力也有大幅度的提高，必將對波紋管的強度和穩(wěn)定性造成較大的影響。

b. 波紋管的綜合應力與其耐壓強度

由標準中給出的波紋管平面穩(wěn)定性和周向穩(wěn)定性的計算方法和評定標準可以看出，其實二者反映的均為強度問題。當波紋管設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應力較高，其環(huán)向應力也比較高，使得波紋管局部很快進入塑性，導致波紋管產生失穩(wěn)。

對于內壓波紋管，位移應力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應力，波紋管很快產生平面失穩(wěn)。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩(wěn)壓力遠低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預變位狀態(tài)下，即波紋管位移量為許用值的1/2時，一個許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達到其允許設計壓力時，已經產生平面失穩(wěn)；許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達到設計壓力時，波紋管處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達到1.5倍設計壓力時，波紋管處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)；許用疲勞壽命為2000次的波紋管達到設計壓力1.5倍時，波紋管仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。

外壓波紋管從縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時波紋管處于拉伸狀態(tài)，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩(wěn)的能力自然降低。當波紋管單波位移過大時，波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢，但波峰圓環(huán)直徑是確定的，為了協調變形，就會產生波峰塌陷，波紋管周向失穩(wěn)。在國內外相應的標準中，關于位移對波紋管外壓周向穩(wěn)定性的影響均未涉及，有待于深入探討。

綜上所述，雖然至今為止在供熱管網的應用過程中尚未發(fā)現由疲勞而引起的破壞，但波紋管過低的設計疲勞壽命，可能會導致災難性的后果。

c. 補償器位移與其柱穩(wěn)定性

對于復式拉桿型和鉸鏈型補償器，橫向位移是由波紋管角變位引起中間管段傾斜實現的。當波紋管產生角變位時，波紋管凸出側承壓面積大于凹陷側承壓面積，導致補償器附加了一個橫向力，較之軸向型補償器更易產生柱失穩(wěn)。顯然波紋管單波位移越大，補償器橫向位移越大，越易產生柱失穩(wěn)。

d. 波紋管綜合應力與應力腐蝕