非金屬膨脹節(jié)產(chǎn)品設(shè)計概述 

技術(shù)部:王文浩

一. 非金屬膨脹節(jié)的基本原理與發(fā)展過程

1. 非金屬膨脹節(jié)基本知識

1.1 非金屬膨脹節(jié)英文名稱為Nonmetal Expansion Joint,或Nonmetal Compensator.前者稱非金屬膨脹節(jié),后者稱非金屬補償器,另一名稱為非金屬伸縮節(jié).

1.2 非金屬膨脹節(jié)主要功能是用來補償管道系統(tǒng)因溫度變化而產(chǎn)生的熱脹或冷縮.所有材料都有熱脹冷縮的特性,該特性用線脹系數(shù)來表示.鋼材的線脹系數(shù)約為0.000012,依此計算,鋼鐵管道溫度每升高100℃每1米長的管道所產(chǎn)生的膨脹量是1.2mm。如果該膨脹量沒有補償，其所產(chǎn)生的推力約為1800噸（按1m外徑，壁厚6mm計算）。

常用材料的線脹系數(shù)見下表：

1.3非金屬膨脹節(jié)的基本原理就是利用非金屬材料的柔性來補償管道系統(tǒng)因溫度變化而產(chǎn)生的熱脹或冷縮變形.

1.4膨脹節(jié)有金屬與非金屬之分。

金屬膨脹節(jié)一般用不銹鋼等材料（料厚0.3，0.5，1.0，1.2mm）做成波紋管狀,它是靠金屬波紋長度和波段數(shù)來調(diào)整膨脹量的,金屬波紋管所調(diào)節(jié)的膨脹量是極其有限的.金屬膨脹節(jié)主要用于圓形管道,液體介質(zhì)和管道強度要求特別高的地方(壓力大于0.5MPA,50KPA,5個大氣壓,) 金屬膨脹節(jié)更換不方便，橫向補償有限，對含硫煙氣存晶間腐飾（易脆）。

非金屬膨脹節(jié)一般為小于0.3MPA，30千帕，一般應(yīng)用在（5-20　KPA左右)。

1.5非金屬膨脹節(jié)的特點。

l     補償能力大  可以在較小的尺寸空間內(nèi)提供比金屬膨脹節(jié)大得多的***補償能力。

l     補償抗力小  非金屬膨脹節(jié)的補償元件用橡膠、纖維材料,塑料等制成。其變形抗力可以忽略不計，管線設(shè)計時不用考慮抵抗應(yīng)力。

l     耐熱性能好  通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材，非金屬膨脹節(jié)可以在≤1000℃的條件下長期工作。

l     耐酸堿性能強  非金屬膨脹節(jié)的非金屬材料有極好的防酸堿腐蝕的性能。

l     安裝尺寸小，更換方便  可以分體安裝；可以只更換非金屬蒙皮.

l     減震效果顯著 非金屬膨脹節(jié)用柔性材料制造,能吸收、消除大部分振動。

其他：非金屬膨脹節(jié)又可分復(fù)合型膨脹節(jié)和橡膠膨脹節(jié)。橡膠膨脹節(jié)也是波紋狀的且兩頭有金屬法蘭與其他設(shè)備或管道相聯(lián)，一般用于通徑不超過500MM的小型管道，其應(yīng)用范圍也很廣泛，如石化、電廠的排氣、排液管道等.它是由機械壓制成型或用手工繞制成形，這種膨脹節(jié)我公司也有生產(chǎn)，我公司是手工制作并出口香港，因手工生產(chǎn)成本較高，效率低，價格高，在國內(nèi)銷量不大。

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二．  非金屬膨脹節(jié)的主要性能參數(shù)。

 非金屬膨脹節(jié)應(yīng)設(shè)計成能無損害、無泄漏的承受管道位移，并且能承受可能發(fā)生的***大設(shè)計正壓和負壓的產(chǎn)品。非金屬膨脹節(jié)接口尺寸、外形尺寸、流通截面和補償量應(yīng)符合需方的要求；要與管道或其它設(shè)備有很好的連接，且密封性好；應(yīng)采取良好的防磨、防腐和密封措施，防止灰渣在補償器內(nèi)沉積。

需方會在其煙氣參數(shù)里面詳細列明下列參數(shù)：

a)     介質(zhì)的性質(zhì)  按氣體介質(zhì)特性可分為中性、酸性、堿性或酸堿復(fù)合。

b)    介質(zhì)的溫度  本公司將其分為7個級別。

c)     介質(zhì)的壓力  一般地說非金屬膨脹節(jié)介質(zhì)的壓力都不超過100kpa（1MPa）；非金屬膨脹節(jié)一般應(yīng)用在3-10KPA左右，在特殊情況下可做的更高。

d)    補償量  補償量可按管線三維坐標X Y Z提出要求，一般圓形管道按軸向、徑向補償量要求，矩形按軸向、橫向補償量要求。另也有按角位移補償量要求。軸向補償量是指按管道中心線方向的伸縮量（即氣流方向），橫向、徑向補償量是指與管道中心線方向垂直的伸縮量.

e)     介質(zhì)的流量

f)       接口尺寸 圓形膨脹節(jié)是指管道通徑（內(nèi)徑）Dn ,矩形膨脹節(jié)是指管道的內(nèi)壁尺寸L*W(長*寬) ,管道壁厚δ， 管線為膨脹節(jié)預(yù)留的安裝長度L 及膨脹節(jié)周圍空間***。

l     安裝長度 安裝長度主要受補償量的影響，下表提供的數(shù)值僅供系統(tǒng)設(shè)計人員參考，不能作為設(shè)計時的***依據(jù)。補償量超出上表數(shù)值時仍可設(shè)計制造。

l     長度小于300的膨脹節(jié)一般不推薦使用，但如果需要（200，250）也可以考慮設(shè)計生產(chǎn)。

l     使用壽命：非金屬膨脹節(jié)的常溫許用壽命一般廠家要求不小于1000次/5年，公司標準為1500次/5年，公司產(chǎn)品質(zhì)保期為1年，保用期為4年。

三.非金屬膨脹節(jié)的設(shè)計制造所執(zhí)行的標準。

　　非金屬膨脹節(jié)的設(shè)計、材料和制造，應(yīng)符合現(xiàn)行使用的有關(guān)國家標準和部頒標準或相關(guān)國際標準。這些標準和規(guī)范包括：

(1) 美國膨脹節(jié)制造商協(xié)會標準：EJMA。

(2) 國家標準：GB/T12777-1999。（金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件）

(3) 國家標準：GB/T3323-2005。（金屬熔化焊接接頭射線照相標準）

   （4）ASTM F 1123-87(1998)非金屬膨脹節(jié)

非金屬膨脹節(jié)的設(shè)計與制造，除美國有一個膨脹節(jié)制造商學(xué)會標準《EJMA》標準外，迄今為止國內(nèi)并無統(tǒng)一的標準。本公司參照了其他國際標準并結(jié)合不同煙道系統(tǒng)介質(zhì)的需要，制定了企業(yè)內(nèi)部標準-QB/440300Q7-12-1998。非金屬膨脹節(jié)的設(shè)計應(yīng)按此標準進行

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四．  非金屬膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)與材料

      非金屬膨脹節(jié)一般由框架，蒙皮，壓板，導(dǎo)流板，保溫棉組成。其選材及結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足耐溫、耐腐蝕、阻燃、密封的要求。下圖為實物截圖。

我們知道，熱傳導(dǎo)主要有3種形式：固體傳導(dǎo)；對流；輻射。對煙道膨脹節(jié)而言，熱輻射影響不大，我們采用導(dǎo)流板，保溫棉，就是為了有效阻止熱傳導(dǎo)、對流。不銹鋼的導(dǎo)熱性比碳鋼差，保溫棉硅酸鋁纖維導(dǎo)熱系數(shù)更小。一般而言，溫度越高，框架深度越大，保溫棉愈厚。廠家一般要求耐溫條件（設(shè)計溫度）為環(huán)境溫度另加50oC超溫。故蒙皮外表層溫度低于100℃，為防止燙傷，以不高于80℃左右為宜。

非金屬膨脹節(jié)的補償量

對于裝有保溫棉的膨脹節(jié)，其可壓縮量應(yīng)不超過有效寬度的30％，對于不裝保溫棉的膨脹節(jié)，其可壓縮量應(yīng)不超過有效寬度的50％.設(shè)計時，補償量值應(yīng)按廠方所需補償量預(yù)多有20%的膨脹裕量。

非金屬膨脹節(jié)的常見結(jié)構(gòu)見下示意圖：

A 框架

1、框架是膨脹節(jié)與管道相連的載體，有一定的強度與剛度要求.

框架與管道的連接方式有焊接連接和法蘭連接兩種。

采用直插焊接，框架的內(nèi)框尺寸須與管道的外框尺寸預(yù)留3mm間隙（單邊）.膨脹節(jié)與煙道搭接長度為25-40ｍｍ?，F(xiàn)場密封焊一般由需方負責(zé)。

法蘭連接一般是通過螺栓連接，理論上螺栓連接易于拆卸，實際上因螺栓過多，拆卸時費時費力。實際拆卸時也是采用氣割螺栓，廢掉原有螺栓。為保證氣密性，我們會要求正反法蘭現(xiàn)場密封焊.拆卸時采用氣割焊縫即可.反法蘭一般由需方提供。

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、沖冋、折彎，一般不用。如要耐高溫，400℃用Ｑ345，厚5、6mm ；500℃用12Cr1MoV，厚5、6mm。

框架材料也有采用型鋼的?如槽鋼（武漢凱迪）?但其較板材折彎用量重，不能沖孔，只能鉆孔.

Q235材料：是碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服點≥235MPA；抗拉強度375-460MPA伸長率 ≥26。有一定的伸長率和強度，韌性良好，易于沖壓和焊接。廣泛用于一般機械零件的制造，如連桿、氣缸，機架等。

Q345材料：即16Mn鋼，是低合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服點≥345MPA；抗拉強度510-660MPA，伸長率 ≥22。綜合力學(xué)性能，焊接性，冷沖壓及切削性均好，低溫（-40℃）韌性尤好。與Q235相比，強度提高50％，耐大氣腐飾能力提高20-38％，廣泛用于管道、鍋爐、壓力容器零件的制造及其它較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件。

12Cr1MoV材料：是合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服點≥245MPA；抗拉強度490MPA，伸長率 ≥22。用于570-585℃左右蒸汽管道零件的制造，多為鋼管供應(yīng)，現(xiàn)舞陽鋼鐵廠也生產(chǎn)為板材。

3、框架深度：

膨脹節(jié)框架深度設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

a、膨脹節(jié)的剛度、強度要求；

b、膨脹節(jié)的耐溫要求以及膨脹節(jié)對煙氣的阻力。

c、膨脹節(jié)的耐腐飾要求；特別是在濕法煙氣脫硫中；

 框架深度與介質(zhì)的溫度的關(guān)系如下：

我公司膨脹節(jié)框架深度的設(shè)計，不僅有其理論依據(jù)，且經(jīng)過實踐證明是合理的

框架深度設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：

1. 帶正法蘭的框架深度***小為130，小于130時，須預(yù)留拆卸螺栓的空間(上下折彎寬度差加大)。

2. 法蘭高度為80ｍｍ（折彎機***），法蘭孔中心線距接口內(nèi)側(cè)50ｍｍ

3. 折彎鋼板下料時下料尺寸按內(nèi)壁（被包容尺寸）計算.

4. 圓形框架采用焊接拼裝.

B　壓板

壓板是用來保證蒙皮與框架之間的氣密性，根據(jù)公司實踐，5 mm厚，50ｍｍ寬，配Ｍ12螺栓已足夠。此連接螺栓由本公司提供.其它螺栓有M16(螺孔間距可到150ｍｍ)，M14或M18.(少用)

壓板材料我公司一般采用Q235，厚5、6mm，寬度按需方要求除50ｍｍ也有做60mm、80mm的，螺孔做腰形孔，螺孔間距100。做腰形孔的目的是為了彌補制造和安裝誤差。

有的壓板有鍍鋅要求。如遇需海運的膨脹節(jié)，建議框架、壓板做鍍鋅處理。

對于框架翻邊結(jié)構(gòu)，壓板與蒙皮接觸處須倒圓角（R≧2）或折圓角，以免損傷蒙皮。

              翻邊結(jié)構(gòu)，壓板須倒圓角

C導(dǎo)流板

導(dǎo)流板用來避免高溫?zé)煔庵苯哟迪虮孛藁蛎善?，根?jù)煙氣性質(zhì)選擇合適的材料與厚度，可延長膨脹節(jié)的使用壽命.

導(dǎo)流板材料根據(jù)不同的溫度及防腐性能采用不同的材料：

1.    采用Q235，價格(4千/T)，厚5mm，溫度≤200℃。脫硫系統(tǒng)須由需方涂防腐樹脂鱗片.

2.    采用Q345，即16Mn鋼，價格(5千/T)，厚5、6mm，溫度≤450℃。耐磨、耐粉塵性較好.

3.    采用12Cr1MoV，厚5、6、8mm，溫度≤600℃。價格適中(1.4萬/T)，

4.    采用1Cr13（即410），俗稱不銹鐵，厚3、5、6、8mm，溫度≤800℃。抗拉強度≧540MPA，價格適中(1.3萬/T)

5.    采用304(0Cr18Ni9)不銹鋼，厚3，4、5、6mm，溫度≤870℃。抗拉強度≧520MPA它是不銹耐熱鋼中應(yīng)用***廣泛的一種材料.價格適中(3.0萬/T)

6.    采用310S(0Cr25Ni20)不銹鋼，厚3、4、5、6mm，溫度≤1035℃。抗拉強度≧520MPA，價格適中(5.0萬/T)

7.    采用316L(00Cr17Ni14Mo2)不銹鋼，厚3、4、5、6mm，溫度≤900℃。抗拉強度≧480MPA，耐腐飾性好(用作高溫耐飾螺栓)，價格適中(6.0萬/T)

8.    采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，厚5、8mm，溫度≤900℃。抗拉強度≧520MPA，有良好的耐熱性及抗腐飾性好，公司迄今為止未用過。

D 保溫棉

　　保溫棉為隔熱層填充物，主要是硅酸鋁棉氈（即硅酸鋁纖維）。隔熱材料一般是熱導(dǎo)率很小的材料，其特點是：質(zhì)輕、蔬松、保溫、保冷、隔熱、吸聲。隔熱材料按狀態(tài)可分為：纖維狀、微孔狀、氣泡狀、層狀。硅酸鋁纖維具有質(zhì)量小、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、熱容小、及耐機械振動等優(yōu)點.

硅酸鋁纖維按其制造方式也稱甩絲毯棉氈。

 硅酸鋁纖維的分類與使用溫度見下表：

硅酸鋁纖維其厚度規(guī)格我公司常用的為20，50mm兩種，一般人皮膚接觸后會過敏。硅酸鋁棉氈一般用玻纖布包裹，直接接觸煙氣的用20目不銹鋼絲網(wǎng)包裹。保溫棉分層疊放，其層數(shù)由框架深度/棉氈厚度而定。

保溫棉我公司定為低值品. 密度100Kg/M3,價格約1000元/M3或10元/Kg。

耐火纖維繩：由較長的耐火纖維原棉加適量的有機纖維紡紗編織而成.可用于高溫隔熱材料和密封材料。使用時經(jīng)高溫應(yīng)用后，有機組分被燒去，纖維繩強度急劇下降并使之不能重復(fù)使用。公司的耐火纖維繩用玻璃纖維布包硅酸鋁棉，再包不銹鋼絲網(wǎng).

E 蒙皮

蒙皮結(jié)構(gòu)是我公司非金屬膨脹節(jié)的***特色之一：根據(jù)膨脹節(jié)所處部位的不同采用不同的蒙皮結(jié)構(gòu)，不僅用材合理，而且能夠滿足膨脹節(jié)的使用工況要求。主要結(jié)構(gòu)為：表層是耐酸性能良好的氟膠布；加強層是不銹鋼絲網(wǎng)和無堿玻纖布，密封層是耐酸堿性能極好、化學(xué)穩(wěn)定性極高的PTFE膜片；里層是防水膠布或無堿玻纖布。

氟橡膠：

氟橡膠具有優(yōu)良的耐高溫性能，可在250℃下長期使用，在300℃下短期使用。氟橡膠具有***的耐強酸，強氧化劑性能，耐多種有機溶劑和各種油類。耐過熱水和蒸汽，耐老化.具有較低的氣透性，阻燃.氟橡膠能在140℃下的67％硫酸，70℃下的濃鹽酸，90℃下的30％硝酸都可長期使用.　氟橡膠價格較貴。氟橡膠VITON B 為杜邦公司產(chǎn)品，為偏氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯. 氟橡膠VITON A 為偏氟乙烯-六氟丙烯.

硅橡膠：

硅橡膠的使用范圍為-100～350℃，具有優(yōu)良的耐老化，高透氣性和對氣體透過的選擇性。硅橡膠具有低吸濕性，可起隔離作用。硅橡膠無毒無味。

三元乙丙橡膠：

三元乙丙橡膠又稱EPDM,廠內(nèi)稱3010。三元乙丙橡膠使用溫度為-50～150℃，具有優(yōu)良的耐天候老化性能，耐熱、耐寒，對水、高壓蒸汽及化學(xué)藥品有優(yōu)良的抗耐性能、阻燃性差，其使用溫度正適用于濕法脫硫。

PTFE膜片：

PTFE膜片也稱F4膜，即聚四氟乙烯膜，它有較好的力學(xué)強度，優(yōu)良的耐化學(xué)腐飾性，使用溫度范圍廣，良好的耐候性和阻燃行。它的基本特性如下：

1.   使用溫度范圍廣，可在-250～260℃下長期使用。

2.   有***的化學(xué)穩(wěn)定性，可耐王水、強酸，強堿、強氧化劑，油脂，有機溶劑。

3.   拉伸強度中等，但抗曲擾能力特別好。

4.   表面不粘附任何東西.

5.   不吸水、不燃燒、低透氣性、無毒、抗老化性優(yōu)良，但耐輻射性差?！?/span>