非金属膨胀节产品设计概述 

技术部:王文浩

一. 非金属膨胀节的基本原理与发展过程

1. 非金属膨胀节基本知识

1.1 非金属膨胀节英文名称为Nonmetal Expansion Joint,或Nonmetal Compensator.前者称非金属膨胀节,后者称非金属补偿器,另一名称为非金属伸缩节.

1.2 非金属膨胀节主要功能是用来补偿管道系统因温度变化而产生的热胀或冷缩.所有材料都有热胀冷缩的特性,该特性用线胀系数来表示.钢材的线胀系数约为0.000012,依此计算,钢铁管道温度每升高100℃每1米长的管道所产生的膨胀量是1.2mm。如果该膨胀量没有补偿，其所产生的推力约为1800吨（按1m外径，壁厚6mm计算）。

常用材料的线胀系数见下表：

1.3非金属膨胀节的基本原理就是利用非金属材料的柔性来补偿管道系统因温度变化而产生的热胀或冷缩变形.

1.4膨胀节有金属与非金属之分。

金属膨胀节一般用不锈钢等材料（料厚0.3，0.5，1.0，1.2mm）做成波纹管状,它是靠金属波纹长度和波段数来调整膨胀量的,金属波纹管所调节的膨胀量是极其有限的.金属膨胀节主要用于圆形管道,液体介质和管道强度要求特别高的地方(压力大于0.5MPA,50KPA,5个大气压,) 金属膨胀节更换不方便，横向补偿有限，对含硫烟气存晶间腐饰（易脆）。

非金属膨胀节一般为小于0.3MPA，30千帕，一般应用在（5-20　KPA左右)。

1.5非金属膨胀节的特点。

l     补偿能力大  可以在较小的尺寸空间内提供比金属膨胀节大得多的***补偿能力。

l     补偿抗力小  非金属膨胀节的补偿元件用橡胶、纤维材料,塑料等制成。其变形抗力可以忽略不计，管线设计时不用考虑抵抗应力。

l     耐热性能好  通过合理的结构设计和选材，非金属膨胀节可以在≤1000℃的条件下长期工作。

l     耐酸碱性能强  非金属膨胀节的非金属材料有极好的防酸碱腐蚀的性能。

l     安装尺寸小，更换方便  可以分体安装；可以只更换非金属蒙皮.

l     减震效果显著 非金属膨胀节用柔性材料制造,能吸收、消除大部分振动。

其他：非金属膨胀节又可分复合型膨胀节和橡胶膨胀节。橡胶膨胀节也是波纹状的且两头有金属法兰与其他设备或管道相联，一般用于通径不超过500MM的小型管道，其应用范围也很广泛，如石化、电厂的排气、排液管道等.它是由机械压制成型或用手工绕制成形，这种膨胀节我公司也有生产，我公司是手工制作并出口香港，因手工生产成本较高，效率低，价格高，在国内销量不大。

。

二．  非金属膨胀节的主要性能参数。

 非金属膨胀节应设计成能无损害、无泄漏的承受管道位移，并且能承受可能发生的***大设计正压和负压的产品。非金属膨胀节接口尺寸、外形尺寸、流通截面和补偿量应符合需方的要求；要与管道或其它设备有很好的连接，且密封性好；应采取良好的防磨、防腐和密封措施，防止灰渣在补偿器内沉积。

需方会在其烟气参数里面详细列明下列参数：

a)     介质的性质  按气体介质特性可分为中性、酸性、碱性或酸碱复合。

b)    介质的温度  本公司将其分为7个级别。

c)     介质的压力  一般地说非金属膨胀节介质的压力都不超过100kpa（1MPa）；非金属膨胀节一般应用在3-10KPA左右，在特殊情况下可做的更高。

d)    补偿量  补偿量可按管线三维坐标X Y Z提出要求，一般圆形管道按轴向、径向补偿量要求，矩形按轴向、横向补偿量要求。另也有按角位移补偿量要求。轴向补偿量是指按管道中心线方向的伸缩量（即气流方向），横向、径向补偿量是指与管道中心线方向垂直的伸缩量.

e)     介质的流量

f)       接口尺寸 圆形膨胀节是指管道通径（内径）Dn ,矩形膨胀节是指管道的内壁尺寸L*W(长*宽) ,管道壁厚δ， 管线为膨胀节预留的安装长度L 及膨胀节周围空间***。

l     安装长度 安装长度主要受补偿量的影响，下表提供的数值仅供系统设计人员参考，不能作为设计时的***依据。补偿量超出上表数值时仍可设计制造。

l     长度小于300的膨胀节一般不推荐使用，但如果需要（200，250）也可以考虑设计生产。

l     使用寿命：非金属膨胀节的常温许用寿命一般厂家要求不小于1000次/5年，公司标准为1500次/5年，公司产品质保期为1年，保用期为4年。

三.非金属膨胀节的设计制造所执行的标准。

　　非金属膨胀节的设计、材料和制造，应符合现行使用的有关国家标准和部颁标准或相关国际标准。这些标准和规范包括：

(1) 美国膨胀节制造商协会标准：EJMA。

(2) 国家标准：GB/T12777-1999。（金属波纹管膨胀节通用技术条件）

(3) 国家标准：GB/T3323-2005。（金属熔化焊接接头射线照相标准）

   （4）ASTM F 1123-87(1998)非金属膨胀节

非金属膨胀节的设计与制造，除美国有一个膨胀节制造商学会标准《EJMA》标准外，迄今为止国内并无统一的标准。本公司参照了其他国际标准并结合不同烟道系统介质的需要，制定了企业内部标准-QB/440300Q7-12-1998。非金属膨胀节的设计应按此标准进行

.

四．  非金属膨胀节的结构与材料

      非金属膨胀节一般由框架，蒙皮，压板，导流板，保温棉组成。其选材及结构应满足耐温、耐腐蚀、阻燃、密封的要求。下图为实物截图。

我们知道，热传导主要有3种形式：固体传导；对流；辐射。对烟道膨胀节而言，热辐射影响不大，我们采用导流板，保温棉，就是为了有效阻止热传导、对流。不锈钢的导热性比碳钢差，保温棉硅酸铝纤维导热系数更小。一般而言，温度越高，框架深度越大，保温棉愈厚。厂家一般要求耐温条件（设计温度）为环境温度另加50ºC超温。故蒙皮外表层温度低于100℃，为防止烫伤，以不高于80℃左右为宜。

非金属膨胀节的补偿量

对于装有保温棉的膨胀节，其可压缩量应不超过有效宽度的30％，对于不装保温棉的膨胀节，其可压缩量应不超过有效宽度的50％.设计时，补偿量值应按厂方所需补偿量预多有20%的膨胀裕量。

非金属膨胀节的常见结构见下示意图：

A 框架

1、框架是膨胀节与管道相连的载体，有一定的强度与刚度要求.

框架与管道的连接方式有焊接连接和法兰连接两种。

采用直插焊接，框架的内框尺寸须与管道的外框尺寸预留3mm间隙（单边）.膨胀节与烟道搭接长度为25-40ｍｍ。现场密封焊一般由需方负责。

法兰连接一般是通过螺栓连接，理论上螺栓连接易于拆卸，实际上因螺栓过多，拆卸时费时费力。实际拆卸时也是采用气割螺栓，废掉原有螺栓。为保证气密性，我们会要求正反法兰现场密封焊.拆卸时采用气割焊缝即可.反法兰一般由需方提供。

2、框架材料

我公司一般采用Q235，厚5、6mm，8mm不娸用，超迃8mm不易剪裁、冲冋、折弯，一般不用。如要耐高温，400℃用Ｑ345，厚5、6mm ；500℃用12Cr1MoV，厚5、6mm。

框架材料也有采用型钢的︌如槽钢（武汉凯迪）＀但其较板材折弯用量重，不能冲孔，只能钻孔.

Q235材料：是碳素结构钢，屈服点≥235MPA；抗拉强度375-460MPA伸长率 ≥26。有一定的伸长率和强度，韧性良好，易于冲压和焊接。广泛用于一般机械零件的制造，如连杆、气缸，机架等。

Q345材料：即16Mn钢，是低合金结构钢，屈服点≥345MPA；抗拉强度510-660MPA，伸长率 ≥22。综合力学性能，焊接性，冷冲压及切削性均好，低温（-40℃）韧性尤好。与Q235相比，强度提高50％，耐大气腐饰能力提高20-38％，广泛用于管道、锅炉、压力容器零件的制造及其它较高载荷的焊接结构件。

12Cr1MoV材料：是合金结构钢，屈服点≥245MPA；抗拉强度490MPA，伸长率 ≥22。用于570-585℃左右蒸汽管道零件的制造，多为钢管供应，现舞阳钢铁厂也生产为板材。

3、框架深度：

膨胀节框架深度设计主要考虑以下几个方面：

a、膨胀节的刚度、强度要求；

b、膨胀节的耐温要求以及膨胀节对烟气的阻力。

c、膨胀节的耐腐饰要求；特别是在湿法烟气脱硫中；

 框架深度与介质的温度的关系如下：

我公司膨胀节框架深度的设计，不仅有其理论依据，且经过实践证明是合理的

框架深度设计应注意以下几点：

1. 帶正法兰的框架深度***小为130，小于130时，须预留拆卸螺栓的空间(上下折弯宽度差加大)。

2. 法兰高度为80ｍｍ（折弯机***），法兰孔中心线距接口内侧50ｍｍ

3. 折弯钢板下料时下料尺寸按内壁（被包容尺寸）计算.

4. 圆形框架采用焊接拼装.

B　压板

压板是用来保证蒙皮与框架之间的气密性，根据公司实践，5 mm厚，50ｍｍ宽，配Ｍ12螺栓已足够。此连接螺栓由本公司提供.其它螺栓有M16(螺孔间距可到150ｍｍ)，M14或M18.(少用)

压板材料我公司一般采用Q235，厚5、6mm，宽度按需方要求除50ｍｍ也有做60mm、80mm的，螺孔做腰形孔，螺孔间距100。做腰形孔的目的是为了弥补制造和安装误差。

有的压板有镀锌要求。如遇需海运的膨胀节，建议框架、压板做镀锌处理。

对于框架翻边结构，压板与蒙皮接触处须倒圆角（R≧2）或折圆角，以免损伤蒙皮。

              翻边结构，压板须倒圆角

C导流板

导流板用来避免高温烟气直接吹向保温棉或蒙皮，根据烟气性质选择合适的材料与厚度，可延长膨胀节的使用寿命.

导流板材料根据不同的温度及防腐性能采用不同的材料：

1.    采用Q235，价格(4千/T)，厚5mm，温度≤200℃。脱硫系统须由需方涂防腐树脂鳞片.

2.    采用Q345，即16Mn钢，价格(5千/T)，厚5、6mm，温度≤450℃。耐磨、耐粉尘性较好.

3.    采用12Cr1MoV，厚5、6、8mm，温度≤600℃。价格适中(1.4万/T)，

4.    采用1Cr13（即410），俗称不锈铁，厚3、5、6、8mm，温度≤800℃。抗拉强度≧540MPA，价格适中(1.3万/T)

5.    采用304(0Cr18Ni9)不锈钢，厚3，4、5、6mm，温度≤870℃。抗拉强度≧520MPA它是不锈耐热钢中应用***广泛的一种材料.价格适中(3.0万/T)

6.    采用310S(0Cr25Ni20)不锈钢，厚3、4、5、6mm，温度≤1035℃。抗拉强度≧520MPA，价格适中(5.0万/T)

7.    采用316L(00Cr17Ni14Mo2)不锈钢，厚3、4、5、6mm，温度≤900℃。抗拉强度≧480MPA，耐腐饰性好(用作高温耐饰螺栓)，价格适中(6.0万/T)

8.    采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，厚5、8mm，温度≤900℃。抗拉强度≧520MPA，有良好的耐热性及抗腐饰性好，公司迄今为止未用过。

D 保温棉

　　保温棉为隔热层填充物，主要是硅酸铝棉毡（即硅酸铝纤维）。隔热材料一般是热导率很小的材料，其特点是：质轻、蔬松、保温、保冷、隔热、吸声。隔热材料按状态可分为：纤维状、微孔状、气泡状、层状。硅酸铝纤维具有质量小、耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小、及耐机械振动等优点.

硅酸铝纤维按其制造方式也称甩丝毯棉毡。

 硅酸铝纤维的分类与使用温度见下表：

硅酸铝纤维其厚度规格我公司常用的为20，50mm两种，一般人皮肤接触后会过敏。硅酸铝棉毡一般用玻纤布包裹，直接接触烟气的用20目不锈钢丝网包裹。保温棉分层叠放，其层数由框架深度/棉毡厚度而定。

保温棉我公司定为低值品. 密度100Kg/M3,价格约1000元/M3或10元/Kg。

耐火纤维绳：由较长的耐火纤维原棉加适量的有机纤维纺纱编织而成.可用于高温隔热材料和密封材料。使用时经高温应用后，有机组分被烧去，纤维绳强度急剧下降并使之不能重复使用。公司的耐火纤维绳用玻璃纤维布包硅酸铝棉，再包不锈钢丝网.

E 蒙皮

蒙皮结构是我公司非金属膨胀节的***特色之一：根据膨胀节所处部位的不同采用不同的蒙皮结构，不仅用材合理，而且能够满足膨胀节的使用工况要求。主要结构为：表层是耐酸性能良好的氟胶布；加强层是不锈钢丝网和无碱玻纤布，密封层是耐酸碱性能极好、化学稳定性极高的PTFE膜片；里层是防水胶布或无碱玻纤布。

氟橡胶：

氟橡胶具有优良的耐高温性能，可在250℃下长期使用，在300℃下短期使用。氟橡胶具有***的耐强酸，强氧化剂性能，耐多种有机溶剂和各种油类。耐过热水和蒸汽，耐老化.具有较低的气透性，阻燃.氟橡胶能在140℃下的67％硫酸，70℃下的浓盐酸，90℃下的30％硝酸都可长期使用.　氟橡胶价格较贵。氟橡胶VITON B 为杜邦公司产品，为偏氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯. 氟橡胶VITON A 为偏氟乙烯-六氟丙烯.

硅橡胶：

硅橡胶的使用范围为-100～350℃，具有优良的耐老化，高透气性和对气体透过的选择性。硅橡胶具有低吸湿性，可起隔离作用。硅橡胶无毒无味。

三元乙丙橡胶：

三元乙丙橡胶又称EPDM,厂内称3010。三元乙丙橡胶使用温度为-50～150℃，具有优良的耐天候老化性能，耐热、耐寒，对水、高压蒸汽及化学药品有优良的抗耐性能、阻燃性差，其使用温度正适用于湿法脱硫。

PTFE膜片：

PTFE膜片也称F4膜，即聚四氟乙烯膜，它有较好的力学强度，优良的耐化学腐饰性，使用温度范围广，良好的耐候性和阻燃行。它的基本特性如下：

1.   使用温度范围广，可在-250～260℃下长期使用。

2.   有***的化学稳定性，可耐王水、强酸，强碱、强氧化剂，油脂，有机溶剂。

3.   拉伸强度中等，但抗曲扰能力特别好。

4.   表面不粘附任何东西.

5.   不吸水、不燃烧、低透气性、无毒、抗老化性优良，但耐辐射性差。