2021年第1期 阀 门 —21 —文章编号：1002-5855 (2021)01 -0021 >03
硅酸盐学报张全厚，宋林红，张文良，于翔麟，王雪
(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳110000)
51gan
摘要目前国内超高压阀门波纹管的设计还无统一的设计方法，采用有限元法为基础对公称 压力42MPa(2500LB)阀门波纹管进行初始设计能够降低研发成本和周期。通过工程试验检测证 明采用有限元法对波纹管的设计研发具有实际指导意义。该波纹管的设计方法涉及材料选型到波 纹管参数确定及定型的全过程，对超高压阀门波纹管的设计具有通用性。关键词阀门；金属波纹管；材料；仿真;CAD
中图分类号:TH134 文献标志码：A
Development of 2500LB Valve Bellows
ZHANG Quan-hou,SONG Lin-hong,ZHANG Wen-liang,YU Xiang-lin,WANG Xue (Shenyang Academy of Instrumentation Sciences Co. ,L td,Shenyang 110000,China)
Abstract：At present,there is no unified design method for the design of ultra - high pressure valve bellows in China.Using the finite element method as the basis for the initial design of2500LB valve bellows can reduce the development cost and cycle time.Through engineering test,it is proved that the finite element method has practical guiding significance for the design and development of bellows.The design method of the bellows involves the whole process from material selection to parameter determination and shaping of the bellows,and it is universal to the design of the bellows of the ultra- high pressure valve.
Key words：metal bellows；finite element；simulation
i概述
金属波纹管是一种外轮廓为规则波浪型的弹性 元件，作为金属弹性元件使其不仅有着金属材料的 耐高温及耐高压的性能，同时兼具某些非金属材料 的拉伸和压缩属性。基于此优良的物理特性使其广 泛应用于换热、核电、航天等[1_3]领域。
波纹管作为阀门的关键零部件，其性能直接影 响着阀门的质量和安全性能。目前，对于公称压力 26 MPa(1500 LB)以下的阀门波纹管已经有着成熟 的设计和生产经验，根据不同系列的阀门型号相对 应的有着匹配的波纹管型号。但大多数公称压力 26 MPa(1500 LB)以上的阀门波纹管一般需要根据 产品
的工况条件对波纹管专业的设计和生产。以某 阀门企业给出的公称压力42 MPa(2500 LB)阀门 波纹管的生产需求为基础，提出了一种耐高压波纹管的设计方案。
2波纹管材料选择
根据阀门波纹管的应用环境，提出了波纹管设 计参数考核目标。具体设计参数要求见表1所示。波纹管管坯成型时一般要求材料延伸率不低于30%，当管坯材料延伸率较小时会给成型工序带来 困难，往往需要对管坯进行热处理和二次成型加工。
表1波纹管设计参数
参数数值
设计压力/MPa42 (外压)
设计温度/丈38
波纹管长度/mm彡105
公称位移/mm-10/3.4
内径/mm29
外径/mm44
波纹管管坯材料力学性能参数及抗点蚀当量
基金项目：国家重点研发计划项目资助(2018YFB2004004)
作者简介：张全厚（1989-)，男，工程师，主要从事精密金属波纹管设计研发、仿真计算、工艺优化等领域。 —22 —N门2021年第1期
PRE值见表2[4]所示，其中所列材料为生产制造波
纹管的常用材料。由于波纹管成型材料较多，还有
一些特殊工况使用的管坯材料如321、InC〇loy825、
TA2等。其中MoneWOO和C276主要应用在耐氯
气、氯化盐等腐蚀性较强环境。300系列不锈钢的
屈服强度和抗拉强度较低，其中波纹管使用环
压强度高，所以选用InC〇nel625材料为波纹管制造
材料。InC〇nd625材料加工管坯常用的公称厚度为
0•2 mm、0_25 mm、0.3 mm等。夕卜压42 MPa环境使
用0.3 mm壁厚的Inc〇ne1625管坯为加工管坯能够
减少波纹管的层数，降低波纹管的制造难度和加工
成本。
表2波纹管生产常用材料力学性能及P R E值
材料屈服强度
crs/MPa
抗拉强度
crb/MPa
延伸率
8/(%)
PRE值
3042055154018.3
316L1754804024.6 Inconel6254108303052.0 Inconel71855096530--
C-2762856904069.0
Monel40019548535--
3仿真计算
网格划分的质量直接影响计算值的精度和速 度。采用六面体网格对模型进行划分可以减少计算 收敛时间，单层管坯厚度方向网格层数不小于3层 时计算精度较高。由于波纹管强度和疲劳仿真计算 时几何体会产生较大的变形，当使用aggressive mechanical 方法进行形状检查时应注意检查和修补失 效
的网格。网格划分时采用dropped方式对中间节 点进行处理可以降低单元的线性度，增加仿真计算 求解的稳定性。图1为强度计算时波纹管网格图。
图1网格划分图
考虑波纹管的内径较小、成型压力大、波高大等 原因，材料屈服强度考虑加工硬化将更为合理。材 料非线性采用双线性等向强化模型进行处理，In-conel625材料参数见表3所示。InC〇ne1625材料的 应变疲劳参数见表个5]。
表3 Inconel625材料参数
参数数值
屈服强度/MPa600
泊松比0.31
弹性模量/GPa205
塑性模量/MPa1 500
表4 Inconel625应变疲劳参数
参数数值
疲劳强度系数2264
疲劳强度指数-0. 14
疲劳延性系数0.97
疲劳延性指数-0.59
循环强化指数601. 1
高速公路服务区设计
应变硬化指数0. 11
本文所述的波纹管成型压力高，管坯套管间隙 小，波纹管工作环境压力为42 MPa，可以认为波纹 管工作时层间法向不发生位移。波纹管层间接触设 置为不分离接触（No separation)，实体接触面的协 调采用罚函数接触算法进行约束，法向接触刚度采 用默认值10。由于高斯积分点探测法和节点探测 法对比探测点较多，因此接触探测方法采用高斯积 分点探测。
通常，国内波纹管企业设计波纹管主要参考美国 标准EJMA，而阀用波纹管使用环境为外压工况，超出 了该标准的使用范围。目前，高压波纹管主要通过工 程试验方法设计。而该方法虽然能够解决工程问题，但会导致试验次数较多，加大了研发成本和研发周 期。鉴于有限元法在波纹管设计中的成功运用W，本 文运用有限元法对波纹管进行设计。波纹管在外压 工况下失稳形式为平面失稳，为了减小计算量，选取 1/4单波建模进行仿真计算。为了降低研制成本，以已有模片设计波纹管的波距，此次选取模片厚度为6 mm。由于波纹管工作时所受外压较大，根据以往设 计经验，首先以单波5层管坯进行强度计算。图2 ~ 图4分别为压力14 MPa、丨7MPa、30 MPa时波纹管所 受应力大于600 MPa时的应力云图。
根据图2 ~图4的应力云图可以看出波纹管在 外压14 MPa时局部单元已经产生塑性变形，随着压 力的持续加大波纹管产生塑性变形的单元依次变 多。工程中波纹管平面失稳判定标准[7]多采用压 力实验前后波距变化率不大于15%为强度试验合 格。仿真计算时波纹管波距产生较大变化的主要原 因是大部分单元进入塑性变形导致。图5为单元最 大位移量与压力的曲线图，其中当压力大于32 MPa 时波纹管单元位移量显著增大。这与42 M Pa
的强
20
30
压力/MPaebscohost
图5单元最大位移量与压力曲线(5层管）
为了加强波纹管的强度，采用6层波纹管进行
仿真计算得到的单元最大位移量与压力的曲线如图 6所示，其中的曲线斜率突变点接近40 MPa ，因此可 以参考6层波纹管进行产品设计。
^ C 3. 00E-01
■K 麗2. 00E-01
1.00E-01 掛 _ 0. 00E+00
20
40
压力/MPa
图6单元最大位移量与压力曲线(6层管）
根据波纹管长度的限制最终定型波纹管型号为 3DQD 44X 29X 0. 3X 6X 17。Workbench 自带的疲劳设
i 十模块fatigue tool 能很好的进行单轴疲劳分析，本
图2波纹管应力云图（14 M Pa)
*n ：r .丨I
n b U M u
1 f
_，U M M n
图3波纹管应力云图（17 M Pa)
%，
图4
波纹管应力云图（30 M Pa)
图7波纹管疲劳寿命云图经过仿真计算得到该波纹管的疲劳寿命大于 1.2万次。
4试验验证
新产品的试验验证是其研制工作中的重要环
节，公称压力42 MPa (2 500 LB )阀门波纹管主要试 验考核指标为强度和寿命。按波纹管的设计参数进 行强度试验和疲劳试验，强度试验波纹管外压42
M Pa 时波距变化率为13. 2%，其疲劳试验的破坏次 数为5 783次，波纹管强度符合产品的设计要求。S
结语
对于超高压阀门波纹管的设计可以采用有限元 法进行设计指导工作，运用该方法可以节约设计周 期和研发成本。根据工程应用中阀用波纹管平面失 稳的定义，有限元计算时可以采用单元最大位移量 与压力的曲线图的曲率变化进行预估平面失稳压力
值，该方法简单实用。波纹管寿命仿真计算误差较 大，但和实际寿命值在同一数量级还是具有寿命设 计的指导意义。
参考文献
乳化柴油
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(收稿日期:2020-08-12)
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度要求相差太多，所以5层波纹管强度不能满足使 文采用此模块对波纹管进行疲劳计算，得出疲劳寿用要求。
命云图（图7)
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