金属波纹管在燃气输配领域的应用现状

武汉市燃气热力规划设计院 李沅 向东栋

金属波纹管是一类常见的弹性元件，它是利用材料的弹性来实现所要求的功能，在外界载荷作用下，元件改变自身形状和尺寸，当载荷卸除后又回复到原来的状态。它可以实现测量、连接、转换、补偿、隔离、密封、减震等功能。金属波纹管于1848年由法国人波登发明，主要应用于仪表行业。经过近2个世纪的发展，金属波纹管的种类越来越多，制造工艺水平也越来越高，现已广泛应用于航空航天、石油石化、仪器仪表、汽车、电力、冶金等各种领域。由于具有柔软、抗疲劳、耐高压、耐高低温、耐腐蚀等诸多特性，金属波纹管在燃气输配领域，正得到越来越多的应用。随着全国大规模天然气建设，金属波纹管在民用、商用、工业用、输气管道等方面，正得到越来越广泛的应用。

1 金属波纹管的结构

金属波纹管是现代工业管路中一种高品质的柔性管道，主要由波纹管部分和两端配合连接部分所组成(为一次性加工成型)，见图 1。它的内管是具有螺旋形或环形波形的薄壁金属波纹管。部分波纹管外层带有网套，由不锈钢丝或钢带按一定的参数编织而成。网套是软管安装在压力管路中的主要承压件，同时对波纹管起护套作用，根据管道中的压力大小及应用场所，可选择一层或多层的不锈钢丝或钢带进行编织。波纹金属软管的两端配合连接部分(即接头)，按照结构形式大体上分为螺旋式、法兰盘式和卡套式三大类。

图1 金属波纹管典型结构

金属波纹管的材质及结构，决定了金属波纹管在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下均能产生相应的位移，并具有耐压性、真空密封性、耐腐蚀性、温度稳定性和长期使用寿命。使其具备良好的柔软性、抗疲劳性、耐高压、耐高低温、耐蚀性等诸多特性。相对橡胶、塑料软管等其他软管的寿命，金属波纹管就要高出许多，且又具有较高的综合经济效益。

2 燃气设备用金属波纹管

2.1 民用灶具用金属波纹管

在 90年代前，基本上都是采用镀锌钢管、铜管、复合管、铝塑管、橡胶管等作为硬管与灶具的连接管道。由于以上连接管道具有现场加工装配较困难、密封性差、易老化、易被燃气中的一些化学物质腐蚀(液化气中的二甲醚可溶解丁腈橡胶)，不耐高温等特性，存在安全隐患，正逐步被摒弃。而金属波纹管具有抗腐蚀强、连接方便可靠、美观，同时又具有一定的柔软性和强度越来越受到各燃气公司和用户的青睐。

目前欧洲、北美地区室内管道采用金属波纹管达 50%左右，而日本普遍采用金属波纹管有近百年的历史，从产品加工到实施应用各个方面已经很成熟。国内许多地方法规如福州、武汉等城市由于燃气事故频发已明文规定必须采用金属波纹管连接作为灶具连接管替代橡胶管，建设部也对燃气用不锈钢波纹管及接头制订了行业标准，在这种大氛围环境下，未来几年内，采用金属波纹管替代以上材料管道的连接将逐步成为国内燃气行业的共识。

2.2 工业用金属波纹管

金属波纹膨胀节广泛应用于各种管路系统中，用来补偿因温度和压力波动造成的轴向、横向和角位移。金属波纹管温度补偿器示意图见图 2。金属波纹膨胀节的核心零件是波纹管，通过波纹管的可变形性和耐压密封性来进行抽向、横向和角位移，并承受系统的流体压力，其它零件均为结构件，起导向、支撑、连接、导流等作用。根据设计和使用要求，波纹管和有关结构零件按需要的结构焊接成轴向、横向和角向不同类型的波纹膨胀节。

图2 金属波纹管温度补偿器

金属波纹管还可用作挠性联接件，利用其挠性来补偿管路系统中因安装造成的位置偏差和满足工作端各向位移的要求，并承受系统的流体压力，见图 3。金属软管的核心零件为波纹管，此种波纹管的长度和内径之比一般大于 3，波型分为环形和螺旋形，环形的弯曲刚度比螺旋形的小。为了增加金属软管的承压能力，在许多情况下，在波纹管外面铠装金属丝或带编织的金属网套。

图3 挠性波纹管补偿器

3 金属波纹管在仪表、阀门中的应用

3.1 金属波纹管在仪表中的应用

对于作为弹性敏感元件的波纹管的弹性特性有很高的要求。用作弹性敏感元件的波纹管基本上是把压力变为位移输出或把压力变为集中力输出。把压力变为集中力输出的波纹管变形很小或几乎没有位移，所以在波纹上产生的应力比输出位移的波纹管波纹上的应力要小，向弹性后效、滞后的影响可以说没有，因此，用力平衡式波纹管作弹性敏感元件的仪表的可靠性和精度可以很高。这就是在测量仪表中，多用力平衡式波纹管作弹性敏感元件的原因，把压力变为位移输出的波纹管在波纹上会产生较大的压力，设计时应该注意，同时弹性后效、滞后对波纹管的弹性有一定的影响。在仪表中作为弹性敏感元件用的波纹管，设计时波纹管的刚度尽量取小值。利用波纹管在位移过程中内腔(或外部)容积的变化，可以用于温度控制和温度测量。

3.2 金属波纹管在阀门中的应用

波纹管阀门，无论是截止阀(见图4)、节流阀、调节阀，还是减压阀等阀门，波纹管都是作为阀杆的无填料密封隔离元件。在阀门工作过程中，波纹管与阀杆一起进行轴向位移和复位，同时它还要承受流体的压力并绝对密封。波纹管的轴向位移量与阀门的通径有关，对于平面密封的截止阀，其波纹管的工作行程一般为通径的 1/4。波纹管的轴向位移行程应通过阀杆移动的机械限位来限程。不允许波纹管波纹压靠而产生塑性变形，同时还要防止波纹管受到扭曲变形。在阀门中，波纹管的主要使用性能是耐压力、工作位移和疲劳寿命。波纹管的失效形式主要是疲劳破裂，应力腐蚀破坏和波纹管失稳。影响波纹管使用寿命的因素主要是工作压力、工作位移、工作温度、流体介质、波形结构、原材料质量、压力冲击、振动、连接零件结构和装配质量等。在波纹管阀门中，波纹管是最易损坏的零件，所以，波纹管的设计和选型非常重要，如果设计不合理，往往引起阀门过早失效。与填料密封阀门相比，波纹管阀门具有更高的可靠性和使用寿命。它在核工业、石油、化工、医药、航空航天等工业领域得到了广泛应用。

图4 金属波纹管应用于截止阀

4 不锈钢波纹管

将成卷的波纹不锈钢波纹管配上附属管件用来把中央供气站的燃气输送到一幢建筑物或房屋的各处使用。该技术模仿为房屋铺设电路的方式为房屋铺设燃气管路，从而达到安全美观、大幅度降低安装时间和劳动成本的目的。日本开发的该项技术，经美国燃气研究所引进美国，旨在提高燃气管道安装的竞争力，从而提高燃气管道的使用率，进而增加全美国对天然气的使用量。长时间的监控追踪结果证明，天然气不锈钢波纹软管具有优良的性能——安全、永久、防地震、防腐蚀、防老化、柔韧性好、安装简便。

在全球很大部分国家与地区的燃气领域已经广泛应用不锈钢波纹管道系统近 30年。随着中国国内燃气技术的不断发展，近年来住宅厨房越来越多的采用燃气管道暗埋方式，也越来越多采用定尺和非定尺波纹不锈钢管。

5 小结

金属波纹管以其材质和结构特性，在轴向力、纵向力、扭矩的作用下，显现出良好的力学性能和弹性恢复性能，同时对燃气中的腐蚀性介质(如醚类、硫类物质)有良好的化学惰性，能够长期稳定使用。因此，具有良好外观的金属波纹管在民用燃气输配领域正得到越来越多的应用。在易燃易爆气体输送系统中，具有良好密封性能和弹性性能的金属波纹管在高压仪表、阀门、输气管道中也得到广泛应用。相信随着燃气行业的阔步发展和广大民众对燃气使用安全意识的提高，金属波纹管将在燃气输配领域得到越来越广泛的应用。