非金屬膨脹節(jié)在核電廠管道中的應(yīng)用

李霄璽，尹俊連

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院 工藝系統(tǒng)所，上海 200233；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

非金屬膨脹節(jié)在核電廠管道中的應(yīng)用

李霄璽1，尹俊連2

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院 工藝系統(tǒng)所，上海 200233；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

本文探討了非金屬膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)、分類和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。介紹了其優(yōu)點(diǎn)，以及首次應(yīng)用在核電廠管道中的良好實(shí)踐。

非金屬膨脹節(jié)；核電廠；管道應(yīng)用

模塊化設(shè)計(jì)能有效利用安裝空間，減少占地面積，因此對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高要求，在滿足功能和安全的前提要，選用尺寸要求更小和性能更穩(wěn)定的設(shè)備及部件。在機(jī)械模塊中，非金屬膨脹節(jié)的應(yīng)用使得管道布置優(yōu)化，減小了機(jī)械模塊的占地面積，位移補(bǔ)償量大及減震效果明顯的優(yōu)點(diǎn)也滿足了系統(tǒng)功能上的需求。

1 介紹

非金屬膨脹節(jié)是一個(gè)柔性的管道連接件，可以補(bǔ)償由于熱膨脹或者管道安裝/長(zhǎng)期使用后存在的偏差。適用于中低溫（204℃以下）及中高壓管道（1.7MPa以下）。按用途分為管道系統(tǒng)和風(fēng)管系統(tǒng)。本文討論管道系統(tǒng)的非金屬膨脹節(jié)內(nèi)容。

1.1 結(jié)構(gòu)

非金屬膨脹節(jié)的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1。

圖1 非金屬膨脹節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

非金屬膨脹節(jié)的主要構(gòu)成：可伸縮的管道，由填充層金屬支撐環(huán)構(gòu)成的主體結(jié)構(gòu)以及保護(hù)層。非金屬膨脹節(jié)一般是由液壓成型，成型后的管道和法蘭會(huì)比波紋管厚。波紋管處壁厚較薄的原因：波紋管管壁薄更容易吸收熱脹以及軸向，橫向位移，以滿足功能要求。內(nèi)部管道使用了獨(dú)有的橡膠和增強(qiáng)纖維混合技術(shù)，結(jié)合金屬支撐環(huán)，在熱熔（硫化）的加工 后確保了最佳的整體粘結(jié)和尺寸穩(wěn)定性。在不同的需要下，選擇性的使用金屬支撐環(huán)和加強(qiáng)環(huán)。

控制桿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 非金屬膨脹節(jié)控制桿裝置

非金屬膨脹節(jié)控制裝置上一般至少裝有兩根以上螺桿來保障整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。每片加固板上有兩個(gè)孔用于連接法蘭，一個(gè)用于和另一側(cè)的加固板連接。球面墊圈的設(shè)計(jì)可以確保整個(gè)裝置，在適量的軸向和橫向位移量下，壓緊螺母不會(huì)松動(dòng)，受力也會(huì)更加均勻。每個(gè)螺桿在法蘭兩側(cè)均設(shè)置了兩個(gè)螺母防止非金屬膨脹節(jié)過度的拉伸。

1.2 性能

非金屬膨脹節(jié)的主體部分是用橡膠一層層裹上去的，其性能與其使用的橡膠類別有直接的關(guān)系。表1列出了常用橡膠的一些參數(shù)比較。

表1 列出了一些常用的橡膠性能參數(shù)對(duì)比。從表中可以看出來，核電中比較關(guān)注的性能指標(biāo)：輻射，耐高溫和火焰，氯丁橡膠的性能特別突出。因此在ASTM F-1123非金屬膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)說明中要求必須使用氯丁橡膠或氯磺化聚乙烯作為保護(hù)層材料。氯丁橡膠的最高使用溫度可以達(dá)到120℃，氫化丁腈橡膠可以達(dá)到150℃。氫化丁腈橡膠是一種新研制的品種，性能綜合上優(yōu)于丁腈橡膠，但由于價(jià)格昂貴且各公司間的工藝會(huì)影響性能的差異，還沒廣泛使用。

表1 常用橡膠性能參數(shù)對(duì)比表

1.3 對(duì)比金屬膨脹節(jié)區(qū)別

非金屬膨脹節(jié)在國(guó)際已有50多年歷史，在國(guó)內(nèi)也有30多年使用經(jīng)驗(yàn)。非金屬膨脹節(jié)由于具有金屬膨脹節(jié)一些無可比擬的特點(diǎn)，其應(yīng)用的范圍正日趨擴(kuò)大，成為膨脹節(jié)的主要形式之一。

相比金屬膨脹節(jié)，非金屬膨脹節(jié)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）補(bǔ)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)大得多的多維補(bǔ)償能力。特別是在橫向上的位移量。（2）補(bǔ)償抗力小。非金屬膨脹節(jié)的補(bǔ)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(jì)，管線設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮抵抗應(yīng)力。（3）耐熱性能好。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材，非金屬膨脹節(jié)可以在≤150℃的條件下長(zhǎng)期工作。（4）安裝簡(jiǎn)單，更換容易，無需高要求的對(duì)中，無起重設(shè)備，更換所需時(shí)間短，同時(shí)能適應(yīng)管道改造中或長(zhǎng)期工作后基礎(chǔ)沉降造成的管道永久性不對(duì)中。非金屬膨脹節(jié)的使用壽命一般是5年。（5）隔振效果好，可以有效的降低管道系統(tǒng)中震動(dòng)。（6）可隔音隔熱，具有低噪節(jié)能的特點(diǎn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)要求及應(yīng)用

非金屬膨脹節(jié)在很多方面的性能表現(xiàn)優(yōu)于金屬膨脹節(jié)，由于國(guó)內(nèi)外都可適用的通用規(guī)范較少，導(dǎo)致其發(fā)展的速度緩慢。在國(guó)際上：目前通用的是ASTM F-1123《非金屬膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)說明》2010版，美國(guó)流體密封協(xié)會(huì)Fluid Sealing Association(FSA)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FSA-PSJ-703-11。在國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前大多參考金屬膨脹節(jié)的一些標(biāo)準(zhǔn)，如GBT 12777-2008 金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件，進(jìn)行相關(guān)制造加工。非金屬膨脹節(jié)在火電上已有應(yīng)用，目前主要用于煙道風(fēng)管。西屋首次將非金屬膨脹節(jié)用于核電項(xiàng)目中，目前主要用于機(jī)械模塊中。在機(jī)械模塊設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足功能和安全的前提下，需選用尺寸要求更小和性能更穩(wěn)定的設(shè)備及部件。輔助廠房中的KB模塊中介質(zhì)為低溫放射性廢液，在氣動(dòng)隔膜泵進(jìn)出口，布置空間狹小。通過設(shè)置非金屬膨脹節(jié)，既節(jié)省了空間，又能在功能上足補(bǔ)償位移及熱膨脹的要求，后期運(yùn)行維護(hù)上也比較容易更換。

3 安裝及布置要求

非金屬膨脹節(jié)是一種柔性管道連接件，在安裝和布置時(shí)需要遵循一些特殊要求來保證其正常運(yùn)行。（1）固定支架的設(shè)置。非金屬膨脹節(jié)是柔性管道連續(xù)件，吸收管道軸向位移及熱脹，在其附近需設(shè)置固定支架承受重量，且需要距離越近越好。（2）管道對(duì)中和齊平。雖然非金屬膨脹節(jié)在軸向和橫向可以吸收較多，但是如果在安裝時(shí)，管道中心偏差較大，在后期使用中將影響非金屬膨脹節(jié)壽命。橫向和豎向偏差不能超過1/8″。當(dāng)安裝時(shí)偏差肯定超過1/8”時(shí)，需要使用偏轉(zhuǎn)波紋管。（3）無需墊片。與管道連接時(shí)，非金屬膨脹節(jié)的橡膠法蘭與管道端法蘭直接接觸，通過螺栓的擰緊形成密封。管道端法蘭接觸面可以有突起，但是不能超過1/16″否則會(huì)造成密封性能下降甚至失效。（4）無需保溫。非金屬膨脹節(jié)不需要保溫措施，最外面的保護(hù)層有保溫作用。額外的保溫措施會(huì)加速橡膠的老化，影響使用。

4 結(jié)語

非金屬膨脹節(jié)發(fā)展的時(shí)間不長(zhǎng)，并以其補(bǔ)償量大、安裝簡(jiǎn)單和減震效果明顯的特點(diǎn)在各大行業(yè)得到應(yīng)用。受制于標(biāo)準(zhǔn)的缺失，其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展速度比較緩慢。隨著人們對(duì)非金屬膨脹節(jié)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步提高，以及相應(yīng)的配套法規(guī)的落實(shí)，相信非金屬膨脹節(jié)的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)大。

[1]ASTM F-1123 Standard Specification for Non-Metallic Expansion Joints，2010.

[2]Technical Handbook of non—metallic expansion joint，DUCTING SYSTEM(3rd EDITION) FLUID SEALING ASSOCIATION.

TK228

A

1671-0711（2017）04（下）-0079-02