你有沒有注意過，在一些工廠、熱電站，甚至城市集中供熱的主干線上，蒸汽管道并不總是筆直鋪設(shè)的，而是常常會在中途“繞個彎”，比如一個U形或者Z形結(jié)構(gòu)？明明直線最省材料，鋪設(shè)也最簡單，為什么非要多此一舉呢？其實，這一段奇怪的彎管，在工程上有個專業(yè)名稱——膨脹節(jié)。

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

蒸汽管道也會“伸縮自如”？

我們知道金屬有個物理特性叫“熱脹冷縮”——溫度升高，金屬原子振動加強(qiáng)，材料體積膨脹；溫度下降，體積縮小。這種現(xiàn)象在日常生活中隨處可見，比如夏天的鐵軌變形、冬天門縫變大等。放在蒸汽管道上，這種伸縮現(xiàn)象會更加劇烈。

作業(yè)人員正在標(biāo)記鐵軌伸縮位移量（圖片來源：蘭州鐵路）

在城市供熱系統(tǒng)中，蒸汽的溫度通常可以達(dá)到150℃甚至更高，而蒸汽管道大多是由鋼鐵制成。如果一根100米長的鋼管從常溫升高到150℃，它的線性膨脹量大約能達(dá)到18毫米以上。雖然看起來不到兩厘米，但這“悄悄長出來”的距離如果不做處理，就可能導(dǎo)致管道因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂、鼓包甚至脫落，嚴(yán)重時會引發(fā)爆管事故。

破裂的管道（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

我們可以想象，一條直直的鐵管在高溫中被強(qiáng)行“拉長”卻又兩端被牢牢固定，那中間受力的地方就很可能成為“爆點(diǎn)”。為了避免這樣的危險，我們就需要在設(shè)計中人為地加入一些“可伸縮”的結(jié)構(gòu)，于是膨脹節(jié)就登場了。

膨脹節(jié)的原理是什么？

所謂膨脹節(jié)，簡單來說就是一種用于吸收管道熱脹冷縮位移的結(jié)構(gòu)組件，它通常被設(shè)計成U形、L形、Z形或Ω形的彎曲段，或者使用具有波紋結(jié)構(gòu)的金屬柔性接頭。

金屬波紋膨脹節(jié)（圖片來源：[3]）

其工作原理是：當(dāng)溫度升高、管道熱脹時，膨脹節(jié)“彎”起來的那一段就會像彈簧一樣被拉伸或者壓縮，吸收掉一部分線性伸長；當(dāng)溫度下降、管道收縮時，它又會“彈回來”，從而保證管道整體不會因受力過大而變形或損壞。

這就好比你穿了一條松緊褲腰的褲子，無論你吃多胖還是瘦下來，褲子都能自適應(yīng)調(diào)節(jié)，不至于被勒得難受。而膨脹節(jié)，就是蒸汽管道的“松緊腰”。

不同類型的膨脹節(jié)

膨脹節(jié)雖然都叫“節(jié)”，但具體形式還是挺多樣的。我們常見的“彎一段”結(jié)構(gòu)，其實屬于自然補(bǔ)償式膨脹節(jié)，也叫“彎管補(bǔ)償器”或“自由式膨脹節(jié)”。它的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，尤其適合于鋪設(shè)空間較大的室外管道。但它的缺點(diǎn)也很明顯，就是占地面積大，對支架和基礎(chǔ)要求較高。

彎管式膨脹節(jié)（圖片來源：[4]）

相比之下，工業(yè)系統(tǒng)中也常常使用更緊湊的波紋管膨脹節(jié)。顧名思義，這種膨脹節(jié)的中間部分像風(fēng)琴一樣有一圈圈金屬波紋，這種波紋管既能沿軸向伸縮，也能適應(yīng)橫向或角度偏移，是現(xiàn)代設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛的一種形式。

套筒式膨脹節(jié)（圖片來源：百度百科）

還有一種叫套筒式膨脹節(jié)，它的工作原理是內(nèi)外管通過密封和滑動機(jī)構(gòu)互相嵌套，在熱膨脹時可以自由移動。這種結(jié)構(gòu)密封性好，常用于高壓、高溫的蒸汽系統(tǒng)中。

不只是熱脹冷縮：膨脹節(jié)還有其他任務(wù)

雖然膨脹節(jié)最核心的功能是吸收熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，但它在現(xiàn)代工業(yè)中的角色遠(yuǎn)不止如此。在一些高壓流體系統(tǒng)中，它還能起到減震降噪的作用——比如波紋膨脹節(jié)中的金屬波紋結(jié)構(gòu)可以有效消解流體沖擊引起的震動，避免金屬疲勞。

建筑中的膨脹節(jié)（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

另外，在地震帶或高層建筑中，膨脹節(jié)也被用來吸收結(jié)構(gòu)變形帶來的位移，比如因地基沉降、風(fēng)載、地震等引起的輕微移動。還有些特殊設(shè)計的膨脹節(jié)可以補(bǔ)償裝配誤差，即便管道在施工時未能完全對準(zhǔn)，膨脹節(jié)的柔性也能包容這部分誤差，減少返工。簡而言之，它就像是整個系統(tǒng)的“緩沖墊”與“彈性關(guān)節(jié)”，默默承擔(dān)著穩(wěn)定與安全的任務(wù)。

為什么不干脆用“熱不脹”的材料呢？

有人可能會有這樣的疑問：既然金屬熱脹冷縮麻煩，為什么不換一種“熱不脹”的材料？

因瓦合金（圖片來源：[5]）

答案是，目前人類掌握的工程材料中，還沒有真正“熱不脹”的完美材料。即便是熱膨脹系數(shù)很低的合金如因瓦合金、陶瓷材料等，要么成本極高，要么韌性不足，難以承受蒸汽管道所需的壓力與強(qiáng)度。因此，在實際工程中，采用鋼鐵等傳統(tǒng)材料，再通過膨脹節(jié)來“彌補(bǔ)缺陷”，仍然是最經(jīng)濟(jì)有效的方式。

參考文獻(xiàn)

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/92sRwjYm3twtrtG0TmOXyg

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/dtWKUFZm0jMY-KqMF10W5g

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/M9hot2ZQCb9V3rD-xEva_w

[4]https://baike.baidu.com/item/%E5%A5%97%E7%AD%92%E8%A1%A5%E5%81%BF%E5%99%A8/2669230

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/qc6jKv9lqopx9jCTsuzKqQ

圖片源自于網(wǎng)絡(luò)，僅供科普參考

來源：力學(xué)科普

編輯：丁香葉子

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