泊头市立林波纹管制造有限公司

国内外非金属波纹膨胀节研究现状
非金属波纹膨胀节由于其自身特点而具有广泛的发展前景。对金属补偿器，国内外已做了大量的理论研究和实验研究，选型和设计都有标准可查。但非金属补偿器因材料组成和结构关系与金属补偿器完全不同，难以直接套用金属补偿器的研究成果。目前国内外对非金属材料波纹补偿器的研究工作还不多，对它的设计和选型还停留于经验，缺乏适用的工程设计方法，在实际制作和使用过程中出现了许多函待解决的问题。
在石化、冶金、电力等行业中存在许多介质温度高达600℃的高温管道，如石化行业的锅炉余热管道，冶金行业的电炉炼钢除尘管道，电炉行业的循环硫化床管道等。因而，对耐高温非金属补偿器的需求口益增多。耐温达600℃的高温型非金属补偿器目前主要是在工作低于400℃的各类非金属补偿器的研制和生产基础上研制开发的，对于结构与其隔热保温材料的研究还不够深入。国内生产的平波补偿器工作温度为一40-900℃，国外产品则可达10_50℃。可见，如何提高我国非金属补偿器的工作温度同时不降低乃至提高其使用寿命，如何选取更好的隔热保温材料，并应用于波纹补偿器的设计制造当中是我们研究人员目前的工作重点之一。
由于非金属补偿器中介质温度非常高，而由橡胶、聚四氟乙烯等材料制成的波纹管耐热性能有限，耐热性最好的氟橡胶长期工作温度也低于250℃。因而，当介质温度较高时，在波纹管与内衬筒之间添加隔热材料，如玻璃纤维棉、硅酸铝纤维棉等，使波纹管与介质的高温隔离，这样可以大大提高补偿器的使用温度，最高可达1300℃；同时还可以使补偿器不积灰，减少流体运行阻力，延长金属膨胀节的使用寿命。
199_5年，在美国召开的国际涡轮及航空发动机大会上，ThomasR等人提出将非金属补偿器应用于地面燃气轮机的管路系统中不仅可以降低系统重量，而且可以获得很长的使用寿命。美国也在多次会议中讨论非金属补偿器应用于航空航天应用领域的设计制造标准。英国的Meggitt公司等也在着手研究应用于航空航天工业及其它应用更广泛更安全的非金属补偿器产品。澳大利亚的航空研究实验室，新西兰的Manash大学等也都对非金属补偿器在这些领域中的应用问题进行研究。而我国非金属补偿器在这些尖端工业上的应用尚需进一步开发。
对于非金属补偿器的研究主要是对其温度场的热分析。目前国内外普遍采用的热分析方法主要包括热网格理论和计算方法、热网格试验修正计算法、热网格综合辐射系数修正法、有限元计算法、蒙特卡罗一节点法、精细计算法及集成热分析法。随着电子计算机的应用，热分析逐渐走向成熟，并且开始用专业的热分析软件进行分析。国内目前较流行的软件有NEVADA和SINDA，也有用MSC/PATRAN，MSC/NASTRAN，MSC/MARC和ANSYS作为热分析软件的。
集成分析法代表者工程热分析的最高水平，它将成为今后低温光学系统热分析的主要手段。
在热分析的过程中，要将热分析和热试验结果进行比较，其目的就是找出主要问题所在，进而找出设计的不足。热分析先于热试验进行，因此它可以提供许多有价值的数据，便于确定热试验温度测点的布置、加热功率的大小、试验结果的预测等。热试验获取的结果是工作情况的反映，是验证热分析时所作的种种假设恰当与否的有效手段。通过对比，能够找出热分析时数学模型的建立、材料属性、热工作载荷及其它初始条件和边界条件的确定等方面的不足，在初样设计中对热分析加以完善，并为今后的热分析积累丰富的经验。
在美国和其它一些技术非常发达的国家，工程分析已在航空航天领域的工程设计方面起主导作用。他们的一些用专用软件等进行过分析并获得通过的设计方案已不需专家审批就可以直接加工，而试验变成了专门的鉴定手段。这是因为他们的工程分析水平已经非常高，能够比较准确地模拟实际情况。他们已度过了试验与分析的紧密合作期，掌握了足够多经验并将之融合进工程分析中。在我国，分析工作准确性还不高，未来应当加强热试验与热分析的合作，提高热设计水平，逐步提高热分析的准确性，减少热试验次数，节约大量的试验费用，同时提高产品的可靠性。
对于非金属补偿器，尤其是高温非金属补偿器，由于介质温度高，保温结构常采用多层复合形式，在内层采用耐温较高的保温材料，在外层采用保温性能好、具有防水功能但不能承受高温的材料。补偿器内部各材料之间存在间隙，形成接触热阻，使得补偿器温度场的理论分析太过复杂，需根据实际情况采用众多的理想化条件。因此非金属补偿器的温度场，应针对其结构形式及工况进行更加系统深入的探讨。
本文采用有限元数值分析方法，利用大型商用有限元计算软件ANSYS，通过计算模型，研究了一组关键形状参数对非金属补偿器温度场的影响；同时将计算方法应用于三种实际补偿器结构进行温度场计算，并进行了实验验证，为我国非金属补偿器设计提供了借鉴和参考。本文的主要研究内容如下：
(1)在温度场分析理论的基础上，简化辐射换热算法，建立了一个非金属补偿器温度场的计算模型，并提取了一组模型的主要结构参数或外界原始参数，通过改变参数的值，利用ANSYS程序分析了这组原始参数对非金属补偿器计算参数及内部温度场的影响。
(2)利用计算模型，确定实际模型的ANSYS程序中计算参数的选取。同时采用辐射换热简化算法和接触热阻理论，建立了三种不同型号实际非金属补偿器的有限元模型，分析了它们的温度场，并与实验结果进行对比，验证了本文采用的非金属补偿器温度场分析方法的合理性及有效性。
本文针对非金属补偿器的结构特点，建立了参数化的有限元模型，将传热学的基本理论，应用于非金属补偿器温度场分析，并对三种典型结构的产品采用实验方法对计算方法进行了验证。本文较系统地进行了金属波纹膨胀节温度场分析的研究，对今后采用有限元方法分析非金属补偿器中复合及其他性能参数，优化材料选择及产品设计方案奠定了基础，意义和重要的工程应用价值。
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