波紋管調節閥的設計與應用

母文豪,付 豪

(艾坦姆流體控制技術(山東)有限公司，山東濟寧 272000)

波紋管調節閥的閥桿部位采用了金屬波紋管和填料雙重密封，應用于嚴格控制外漏的場合。金屬波紋管作為波紋管調節閥的重要核心，按生產型式主要分為液壓成型波紋管、機械成型波紋管和焊接波紋管。金屬波紋管具有金屬特有的力學性能，密封性好、耐壓、耐腐蝕、耐高/低溫性好、彈性好、能承受一定扭矩等優點。金屬波紋管在壓力、徑向力、彎矩作用下均能產生相應位移，能夠始終貼合閥桿蠕動，利用金屬隔離介質的方式，提高閥門閥桿部位的密封性能，保護閥桿不受介質的腐蝕。金屬波紋管主要應用于多晶硅、聚氯乙烯、苯加氫、硫化氫、氯氣等化工產業[1]。

1 工作原理

作為金屬波紋管的重要應用，波紋管調節閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、金屬波紋管部件等組成，金屬波紋管部件則由支撐環、閥桿、防轉銷、連接環、波紋管焊接而成。通過金屬波紋管可以提高閥桿部位的密封性能，由動密封轉換成靜密封。波紋管受壓形式多為外壓，波紋管行程建議開啟時壓縮總位移的70%，關閉時拉伸總位移的30%，現市面上知名波紋管品牌有：威茲曼、江蘇均隆、沈陽匯博、南京埃迪。艾坦姆流體控制技術(山東)有限公司(簡稱艾坦姆公司)采用威茲曼波紋管，該波紋管疲勞壽命可達10萬次[1-2]。

波紋管調節閥是基于普通調節閥的一種閥桿密封特化型。針對填料部位易泄漏的工況，添加金屬波紋管結構，能將填料與閥桿之間的密封和填料與介質之間的隔離分開，這就使得填料的密封職能與隔離職能區分開來，填料部分專注于填料與閥桿之間的密封，隔離部分則由金屬波紋管替代，專注于介質與閥桿之間的隔離，兩者互不干涉但又缺一不可。由于填料部分的失效特點與波紋管部分的失效特點不同，且填料部分可以視作波紋管的二次保護，因此在波紋管調節閥的實際設計中，填料結構和波紋管結構應同時存在。

2 設計思路

波紋管調節閥是基于普通調節閥的一種變種，因此首先需要一種成熟的普通調節閥，能夠滿足多種工況需求，在不考慮密封的條件下能夠滿足調節和密封有毒有害介質、強腐蝕介質的任務。在此基礎上進行波紋管調節閥的設計,波紋管調節閥需要具備的基礎結構見圖1。

圖1 波紋管調節閥基礎結構

波紋管作為波紋管調節閥的核心，其尺寸非常重要，不過大多數波紋管調節閥的設計任務是不包含波紋管的設計的。目前市場上知名的波紋管供應商有很多，其在波紋管使用壽命、使用強度上有著較豐富的經驗，提供的波紋管物美價廉,因此波紋管部分建議外購。

決定波紋管尺寸的參數有：使用壽命(拉壓次數)、使用壓力、閥桿直徑、操作行程(拉壓行程)、介質參數等，這些參數決定了波紋管的波數、層數、內外徑、長度、厚度、行程，有了這些參數后才能開展支座的設計工作。波紋管的內外徑決定了波紋管支座的直徑，波紋管長度和行程決定了波紋管支座的長度。為了保證波紋管與閥桿之間不會泄漏，通常采用更可靠的焊接形式，使得波紋管與閥桿成為一體，因此在波紋管調節閥設計過程中，應當兼顧波紋管密封、波紋管行程、閥門調節行程等工作參數。

由于波紋管支座相當于普通調節閥中上閥蓋與閥體的延伸，因此支座的法蘭部分可以參照閥體與上閥蓋的連接尺寸，支座的結構可以近似為2個法蘭和1段鋼管的結合體。波紋管支座可以采用焊接的形式，也可以采用鑄造的形式。波紋管支座作為上閥蓋跟閥體的連接部分，在強度方面上，除了需要滿足承壓需求以外，還需要考慮上閥蓋和安裝在上面的執行器及組件的質量，以及執行器開關時產生的拉力和推力，在成本、強度、壽命三者之間尋找一個平衡點。

3 波紋管的失效形式

波紋管作為波紋管調節閥的核心，其失效形式也是需要額外注意的。波紋管的失效形式可以分為4類，即扭轉失效、侵蝕失效、破壞失效和疲勞失效。

3.1 扭轉失效

在符合正常使用的條件下，波紋管扭轉造成的破損是波紋管失效的主要形式。隨著波紋管調節閥的開關，閥桿無法避免地在動作過程中產生轉動，由于執行器、閥桿之間為固定連接，因此波紋管無法自動轉回；當轉動角度超過波紋管承受極限時，則會造成波紋管扭死、粘連，此時波紋管再跟隨閥桿上下動作時，會造成波紋管撕裂，導致泄漏。

扭轉失效有多種應對方法，即可以增加波紋管厚度、層數以提升波紋管抗扭轉能力，但是成本較高。最經濟有效的方法還是增加防轉部件，即在閥桿頂部、閥桿下部、波紋管焊接處之一添加防轉節或平鍵、銷孔，在對應的連接部件、支座內部設置配合防轉的肋板、鍵槽、通孔，以達到防止波紋管或者閥桿轉動的目的。該方案僅需要修改部分設計內容，容易實現，方案效果也較為明顯。

3.2 侵蝕失效

侵蝕失效是在波紋管工作過程中由于工藝介質卡入或腐蝕波紋管造成的裂紋、撕裂、破損。侵蝕失效大多由介質引起。由于波紋管工況需要應用于嚴格控制外漏的場合，難免包含腐蝕性、氧化性高的介質，為了保障波紋管動作中的力學性能、彈性等，不會將波紋管做得很厚，這就導致波紋管在長久使用過程中波紋管薄壁被侵蝕穿透造成泄漏，導致安全事故發生。

圖2為波紋管維修件，圖3為侵蝕失效引起的泄漏照片[3]。

圖2 波紋管維修件

圖3 侵蝕失效引起的泄漏

侵蝕失效的起因為介質，但是金屬在厚度很薄的尺寸下的力學性能是固定的，因此只能通過更換更高強度、更耐腐蝕的材質，提升波紋管層數，增加保護數量，被動地提升波紋管的抗侵蝕能力，延長波紋管在惡劣工況下的使用壽命。

3.3 破壞失效

由于介質中可能含有細小、堅硬的顆粒，雜質依附于波紋管表面，隨著閥門的動作與波紋管的伸縮，波紋管的波與波之間的顆粒會被擠壓，而顆粒本身硬度很高，波紋管又較薄，很容易擠壓出凹坑、穿孔等物理破壞，造成泄漏。顆粒擠壓引起的泄漏照片見圖4，破壞失效導致的局部裂紋見圖5[3]。

圖4 顆粒擠壓引起的泄漏

圖5 破壞失效導致的局部裂紋

破壞失效的基礎是閥門開關動作，介質中的顆粒無法避免，阻止閥門開關又不切實際，因此只能提升波紋管本身的強度，提升材料的抗沖擊性和硬度，但這又會影響波紋管本身的力學性能，這是比較復雜的問題。根據近年來實際使用波紋管的情況，為這個問題帶來新的解決方法：由于波紋管的破壞失效是因為收縮時波與波之間產生擠壓，所以可從波紋管本身結構入手。一種方法是改變波紋結構，在波紋管收縮時使波與波之間形成一定角度和弧度，適當增大波與波之間的節距；另一種方法是更改波紋管的拉壓行程，由原來的拉壓各占50%或拉70%壓30%改為拉100%壓0%的全拉伸波紋管結構。這2種方法可以從根本上解決波與波之間的擠壓問題，使得這類結構能夠使用在固體顆粒含量比較高的工況下。隨著波紋管廠家的研發和產品的迭代，這類波紋管也可以輕松訂購，為波紋管調節閥設計帶來便利。

3.4 疲勞失效

疲勞失效是金屬材料的經典失效形式，由于波紋管的薄壁特性，為波紋結構帶來良好的力學性能，但也大幅度降低了波紋管的使用壽命，特別是波紋管拉伸比例過長的波紋管，使用壽命非常短。拉伸比例為波紋管的固有參數，波紋管的可拉伸長度會隨著波紋管的總長度而變化，目的是控制波紋管的拉伸比例，保證其在金屬強度以內長期、可靠的動作。全拉伸波紋管也是總長度延長的，因此不會因為拉伸比例過大造成波紋管壽命減短。圖6為波紋管橫截面，圖7為波峰處疲勞斷裂截面，圖8為波紋管側面疲勞斷裂截面[3-4]。

圖6 波紋管橫截面

圖7 波峰處疲勞斷裂截面

圖8 波紋管側面疲勞斷裂截面

疲勞失效大多集中于拉壓行程超出預定尺寸、往復拉伸次數較高的工況下。此時可以通過修改調節閥行程，為閥門設置行程限位，以減少波紋管變形量；采用多層、變形量小的波紋管，以減少波紋管在拉壓時的變形量等。由于疲勞強度為金屬的固有屬性，加上波紋管的壽命普遍偏短，因此也應當設計相應的易拆易修結構，為后期波紋管維修提供便利。

4 結語

波紋管調節閥作為通用調節閥的密封進階版，在成熟產品上設計僅需要考慮金屬波紋管的使用即可。筆者利用波紋管的不同失效形式，為設計者在開發后續產品時提供參考意見，建議將設計重心放在波紋管的使用上，既需要考慮整體結構的強度，又需要考慮各種介質的復雜工況，以力求波紋管的最大使用效果。

波紋管的加工工藝在進步，作為設計者也需要進步，波紋管的設計在滿足各種苛刻設計需求的同時，還需要兼顧波紋管強度與結構、外形與美觀、經濟與效益，在成本、強度、壽命三者之間尋找一個平衡點。