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中浩機械文獻——外壓金屬波紋管的三種失穩形式
金屬波紋管膨脹節作為管道熱補償元件，在石化、冶金、供熱、電力等領域被廣泛地應用，經過不斷探索研究，常規的波紋管膨脹節設計計算已趨于成熟。但隨著社會經濟的發展，新的應用領域的開發，對于波紋管膨脹節應用要求不斷提高，相應的帶來了許多新的問題。近年來，外壓金屬波紋管在供熱管道中大量應用，關于承受外壓的金屬波紋管的設計方法，GB12777、EJMA和ASME B31.3等國內外相關標準中均與承受內壓的金屬波紋管相似。但隨著供熱技術進步和節能技術的應用，金屬波紋管膨脹節產品口徑逐漸增大，對其補償性能指標也不斷提高，外壓金屬波紋管產品的失效時有發生，并且出現了與內壓金屬波紋管有所區別的失效形式，需要對外壓金屬波紋管進一步研究。
常見的金屬波紋管失穩形式有平面失穩和柱狀失穩兩種，外壓金屬波紋管也可能出現類似外壓圓筒的彈性失穩和塑性失效。外壓金屬波紋管工作時受拉伸，不會發生柱狀失穩，因此失效形式可能是平面失穩或者外壓失穩。
1）平面失穩
平面失穩指一個或多個波紋平面發生移動或偏轉，變形的特點是一個或多個波紋出現傾斜或翹曲，表現為是波距變得不均勻。造成平面失穩的原因主要是由于沿子午向作用的彎曲應力過大，并在波峰和波谷形成了塑性鉸。
2）外壓失穩
金屬波紋管外壓穩定性是將其視為一個與其長度相同的圓筒按照壓力容器規范進行校核。外壓容器失穩的定義時在外壓作用下筒體突然失去原有形狀而被壓癟或出現博文的現象，稱為外壓容器的失穩。失穩形式有側向失穩、軸向失穩和局部失穩三種。
側向失穩：主要承受側向外壓，變形為橫截面由圓形變成波形（扁了、癟了）；
局部失穩：局部外壓，變形為局部徑線由直線變成曲線；
軸向失穩：承受軸向外壓，變形為徑線由直線變為曲線。
外壓金屬波紋管軸向為拉伸載荷，不需要校核軸向穩定性。根據EJMA第九版4.15所述，承受外壓的金屬波紋管的周向穩定性是將金屬波紋管與相連接的接管作為一個整體來校核。
3）拉伸位移的影響
通過穩定性試驗和非線性有限元計算研究了金屬波紋管在外壓和位移同時作用下的穩定性，指出拉伸位移對金屬波紋管的穩定性具有不利的影響。EJMA中平面失穩計算公式中增加了拉伸位移對壓力的影響。對于外壓金屬波紋管周向穩定性校核，是將金屬波紋管視為軸向不發生變化的剛性外壓圓筒，僅校核其徑向承受外壓的能力，并未考慮實際工況中金屬波紋管是發生軸向拉伸位移的彈性元件，目前相關標準中沒有給出理論計算方法。
外壓金屬波紋管相當于一個受壓力的拱梁，工作時金屬波紋管拉伸，波峰的直徑不變，同時，波峰為了協調變形，發生位移，在外壓產生的周向壓應力和徑向收縮變形共同作用下，波峰處形成了塑性鉸，有向下塌陷的趨勢。因此，當外壓和拉伸位移同時作用時，側壁和圓弧連接處首先出現屈服，并隨著載荷增加，屈服的面積逐漸擴大，在波峰處應力集中共同的作用下，波紋側壁屈服一面出現了褶皺和波峰塌陷的局部失穩現象。
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