非金屬膨脹節產品設計概述 

技術部:王文浩

一. 非金屬膨脹節的基本原理與發展過程

1. 非金屬膨脹節基本知識

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

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

常用材料的線脹系數見下表：

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

1.4膨脹節有金屬與非金屬之分。

金屬膨脹節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來調整膨脹量的,金屬波紋管所調節的膨脹量是極其有限的.金屬膨脹節主要用于圓形管道,液體介質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）。

非金屬膨脹節一般為小于0.3MPA，30千帕，一般應用在（5-20　KPA左右)。

1.5非金屬膨脹節的特點。

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

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

l     耐熱性能好  通過合理的結構設計和選材，非金屬膨脹節可以在≤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：非金屬膨脹節又可分復合型膨脹節和橡膠膨脹節。橡膠膨脹節也是波紋狀的且兩頭有金屬法蘭與其他設備或管道相聯，一般用于通徑不超過500MM的小型管道，其應用范圍也很廣泛，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，這種膨脹節我公司也有生產，我公司是手工制作并出口香港，因手工生產成本較高，效率低，價格高，在國內銷量不大。

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二．  非金屬膨脹節的主要性能參數。

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

需方會在其煙氣參數里面詳細列明下列參數：

a)     介質的性質  按氣體介質特性可分為中性、酸性、堿性或酸堿復合。

b)    介質的溫度  本公司將其分為7個級別。

c)     介質的壓力  一般地說非金屬膨脹節介質的壓力都不超過100kpa（1MPa）；非金屬膨脹節一般應用在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)     介質的流量

f)       接口尺寸 圓形膨脹節是指管道通徑（內徑）Dn ,矩形膨脹節是指管道的內壁尺寸L*W(長*寬) ,管道壁厚δ， 管線為膨脹節預留的安裝長度L 及膨脹節周圍空間***。

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

l     長度小于300的膨脹節一般不推薦使用，但如果需要（200，250）也可以考慮設計生產。

l     使用壽命：非金屬膨脹節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，公司產品質保期為1年，保用期為4年。

三.非金屬膨脹節的設計制造所執行的標準。

　　非金屬膨脹節的設計、材料和制造，應符合現行使用的有關國家標準和部頒標準或相關國際標準。這些標準和規范包括：

(1) 美國膨脹節制造商協會標準：EJMA。

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

(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

非金屬膨脹節的設計與制造，除美國有一個膨脹節制造商學會標準《EJMA》標準外，迄今為止國內并無統一的標準。本公司參照了其他國際標準并結合不同煙道系統介質的需要，制定了企業內部標準-QB/440300Q7-12-1998。非金屬膨脹節的設計應按此標準進行

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四．  非金屬膨脹節的結構與材料

      非金屬膨脹節一般由框架，蒙皮，壓板，導流板，保溫棉組成。其選材及結構應滿足耐溫、耐腐蝕、阻燃、密封的要求。下圖為實物截圖。

我們知道，熱傳導主要有3種形式：固體傳導；對流；輻射。對煙道膨脹節而言，熱輻射影響不大，我們采用導流板，保溫棉，就是為了有效阻止熱傳導、對流。不銹鋼的導熱性比碳鋼差，保溫棉硅酸鋁纖維導熱系數更小。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（設計溫度）為環境溫度另加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。

非金屬膨脹節的補償量

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

非金屬膨脹節的常見結構見下示意圖：

A 框架

1、框架是膨脹節與管道相連的載體，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，框架的內框尺寸須與管道的外框尺寸預留3mm間隙（單邊）.膨脹節與煙道搭接長度為25-40ｍｍ。現場密封焊一般由需方負責。

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：是碳素結構鋼，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，是低合金結構鋼，屈服點≥345MPA；抗拉強度510-660MPA，伸長率 ≥22。綜合力學性能，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構件。

12Cr1MoV材料：是合金結構鋼，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，現舞陽鋼鐵廠也生產為板材。

3、框架深度：

膨脹節框架深度設計主要考慮以下幾個方面：

a、膨脹節的剛度、強度要求；

b、膨脹節的耐溫要求以及膨脹節對煙氣的阻力。

c、膨脹節的耐腐飾要求；特別是在濕法煙氣脫硫中；

 框架深度與介質的溫度的關系如下：

我公司膨脹節框架深度的設計，不僅有其理論依據，且經過實踐證明是合理的

框架深度設計應注意以下幾點：

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側50ｍｍ

3. 折彎鋼板下料時下料尺寸按內壁（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，建議框架、壓板做鍍鋅處理。

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

              翻邊結構，壓板須倒圓角

C導流板

導流板用來避免高溫煙氣直接吹向保溫棉或蒙皮，根據煙氣性質選擇合適的材料與厚度，可延長膨脹節的使用壽命.

導流板材料根據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率很小的材料，其特點是：質輕、蔬松、保溫、保冷、隔熱、吸聲。隔熱材料按狀態可分為：纖維狀、微孔狀、氣泡狀、層狀。硅酸鋁纖維具有質量小、耐高溫、熱穩定性好、熱導率低、熱容小、及耐機械振動等優點.

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目不銹鋼絲網包裹。保溫棉分層疊放，其層數由框架深度/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。使用時經高溫應用后，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.

E 蒙皮

蒙皮結構是我公司非金屬膨脹節的***特色之一：根據膨脹節所處部位的不同采用不同的蒙皮結構，不僅用材合理，而且能夠滿足膨脹節的使用工況要求。主要結構為：表層是耐酸性能良好的氟膠布；加強層是不銹鋼絲網和無堿玻纖布，密封層是耐酸堿性能極好、化學穩定性極高的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,廠內稱3010。三元乙丙橡膠使用溫度為-50～150℃，具有優良的耐天候老化性能，耐熱、耐寒，對水、高壓蒸汽及化學藥品有優良的抗耐性能、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，它有較好的力學強度，優良的耐化學腐飾性，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***的化學穩定性，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、抗老化性優良，但耐輻射性差。