S型焊接金属波纹管外压失稳临界极限压力研究

陈赵勤，马咏梅，马传鑫，束 振，王 捷，王子涵，王泽平

（1.四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065；2.四川日机密封件股份有限公司，四川成都 610045）

作为管道变形补偿元件［1］，焊接金属波纹管被广泛应用于石油、化工、电力等行业，起着密封、隔离介质及柔性连接等作用。焊接金属波纹管密封性能受其稳定性影响较大。

在GB 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技 术 条 件 》［2］、EJMA—1998 《Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association》（第 7 版）［3］和 JIS B8277—1993《压力容器的膨胀节》［4］等国内外相关设计标准中，对承受外部介质压力的波纹管设计方法，均与承受内压工况的相似。Tsukimori K等［5］提出了 U型波纹管外压状态下失稳临界压力计算公式，张庆等［6］利用有限元法非线性屈曲分析研究了屈曲临界载荷，刘颖［7］对波纹管在弯矩载荷作用下进行了失稳分析，李志平等［8-9］采用极限载荷法研究了位移、波形相关参数以及波纹管各层之间的摩擦接触对波纹管稳定性的影响。

随着密封技术发展以及各行业的需求变化，对于焊接金属波纹管密封端面补偿性能要求越来越高，对其受外部介质压力状态时稳定性要求也进一步提高［10］。本文通过建立 S型焊接金属波纹管有限元模型，分析波纹管受外压状态下结构参数和工况参数对其稳定性的影响，确定结构失稳的临界载荷［11］，并提出了机械密封用焊接金属波纹管外压失稳临界极限压力拟合关系式。

1 焊接金属波纹管稳定性理论计算公式

1.1 周向稳定性

金属波纹管周向失稳表现形式为波纹管波峰塌陷或波谷外鼓［12］。EJMA—1998中提供了相应的U型周向稳定性校核方法，是将波纹管波纹视为1个与其具有相同横截面惯性矩的直圆筒，圆筒直径相当于波纹管平均直径，圆筒厚度则是惯性矩相等的波纹管的厚度［13］。……