蒸汽供热管道中波纹管补偿器的设计计算.doc

-! 蒸汽供热管道中波纹管补偿器的设计计算 摘要：研究了蒸汽供热管道设计中常用的外压轴向型波纹管补偿器、拉杆型波纹管补偿器、铰链型波纹管补偿器在典型管段中的布置、设计计算，提出了波纹管补偿器的选用程序。 关键词：蒸汽供热管道；波纹管补偿器；热补偿 　　在城市直埋蒸汽供热管道的设计中最经济的补偿应为自然补偿，自然补偿利用弯曲管段中管道的挠曲来补偿热位移，但补偿能力有限。当自然补偿不能满足要求时，通常选用补偿器吸收热位移。常用补偿器有方型补偿器、套筒补偿器、球型补偿器及波纹管补偿器[1-6]。本文主要研究蒸汽供热管道设计中常用的波纹管补偿器及其在典型管段设计中的计算、选用。 1 常用的波纹管补偿器 　　波纹管补偿器是以波纹管作为挠性元件，并由端管及受力附件组成。波纹管补偿器补偿量大，补偿方式灵活，结构紧凑，位移反力小，使用过程中不需维护。可根据固定支座及设备的受力要求，灵活设计结构型式。 　　①外压轴向型波纹管补偿器 　　外压轴向型波纹管补偿器由承受外压的波纹管、导流筒及进、出口管等组成。外压轴向型波纹管补偿器能吸收轴向位移，但不能承受管道内压产生的强大推力，因此外压轴向型波纹管补偿器一般用于低支架敷设、埋地管道敷设的直管段中。 　　②拉杆型波纹管补偿器 　　拉杆型波纹管补偿器由经中间管道连接的2个波纹管及拉杆、端板、垫圈等组成。拉杆型波纹管补偿器能吸收任一平面内的横向位移并能承受管道内压产生的推力，因此广泛应用于高支架的地上敷设蒸汽供热管道，特别是管道穿越道路、高垂直段或水平转弯段的设计中。因此在设计中一般优先考虑使用拉杆型波纹管补偿器。 　　③铰链型波纹管补偿器 　　铰链型波纹管补偿器由经中间管道连接的2个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成。2～3个铰链型波纹管补偿器配套使用时，能吸收一个平面内横向位移并能承受管道内压产生的推力。铰链型波纹管补偿器以角位移的方式吸收平面弯曲管段的热位移。一对铰链型波纹管补偿器吸收横向位移时，角位移一定，其所能吸收的横向位移与2个铰链型波纹管补偿器之间的距离成正比，在施工现场条件允许下尽量增加2个铰链型波纹管补偿器之间的距离，可更有效发挥其补偿能力。因此铰链型波纹管补偿器被广泛应用于蒸汽供热管道设计中。 2 典型管段中波纹管补偿器的计算 　　任何复杂管系，都可以通过设置固定支座的方法将其划分为若干形状，较为简单的独立补偿管段为直管段、L型管段、Z型管段等。在设计中应根据典型管段的工作条件及热位移选择波纹管补偿器类型。计算典型管段的热位移，以确定波纹管补偿器的波数并得出在规定疲劳寿命下补偿器的额定补偿量。本文研究的波纹管补偿器设计计算的条件为：①选用波纹管补偿器额定补偿量时，考虑20％的热伸长余量。②只考虑使用波纹管补偿器后增加的位移及补偿器的弹性力，不考虑风载及其他外部荷载对管道的作用力。 2．1 直管段 　　①不允许加方型弯管 　　直管段中设置外压轴向型波纹管补偿器的布置见图1。 图1 直管段中外压轴向型波纹管补偿器的布置 Fig．1 Arrangement of axial bellows-type expansion joint with external pressure in straight pipeline section 　　选用外压轴向型波纹管补偿器必须满足以下4个条件：a．设定2个固定支座之间管道热伸长为△L(单位为mm)，补偿器的额定补偿量为xcom(单位为mm)，应满足△L≤0．8xcom。b．应设置直线导向支座。c．固定支座须承受管道内压产生的推力，因此必须具有足够的强度。d．使用外压轴向型波纹管补偿器的埋地管道中，所有固定支座要承受管道内压产生的推力，因此应对固定支座的焊缝强度进行验算，以保证管道安全可靠。 　　外压轴向型波纹管补偿器轴向弹力的计算式为： Fex,ax=Kex,ax△L (1) 式中 Fex,ax——外压轴向型波纹管补偿器轴向弹力，N 　　　Kex,ax——外压轴向型波纹管补偿器的轴向刚度，N/mm 　　管道内压产生的推力的计算式为： Fth=Ap (2) 式中 Fth——管道内压产生的推力，N 　　　A——波纹管有效面积，m2 　　　p——管道工作压力，Pa 　　固定支座1、3受力的计算式为： Ffox.1=Fex,ax+Fth+FlμLAB (3) Ffix,3=Fex,ax+Fth+F1μLBC (4) 式中 Ffix,1、Ffix,3——固定支座1、3受力，N 　　　Ft——管道单位长度计算荷载，N/mm 　　　μ——管道保护外套与土壤间的摩擦系数 　　　LAB、LBC——管段AB、BC的长度，mm 　　②允许加方型弯管 　　当直管段允许加方型弯管时，在设计中我们可选择方型弯管3只铰链型波纹管补偿器或方型弯管2只大拉杆型波纹管补偿器。 　　a．采用方型弯管3只铰链型波纹管补偿器直管段中采用方型弯管3只铰链型波纹管补偿器的布置见图2。 图2 直管段中方型弯管3只铰链波纹管补偿器的布置 Fig．2 Arrangement of three hinged bellows-type expansion joints for square bent pipe in straight pipeline section 　　铰链型波纹管补偿器C1～C3工作角位移的计算式为： 式中 θC1、θC2、θC3——铰链型波纹管补偿器C1～C3的工作角位移，() 　　　△LAB——管段AB的热伸长，mm 　　　△LCD——管段CD的热伸长，mm 　　设铰链型波纹管补偿器额定工作角位移为θcom，单位为()。计算所得的工作角位移应小于等于0．8θcom。 　　b．采用方型弯管2只大拉杆型波纹管补偿器直管段中采用方型弯管2只大拉杆型波纹管补偿器的布置见图3。 图3 直管段中方型弯管2只大拉杆型波纹管补偿器的布置 Fig．3．Arrangement of two bellows-type expansion joints with big drag-link for square bent pipe in straight pipeline section 　　设大拉杆型波纹管补偿器额定横向位移为Scom(单位为mm)，应满足固定支座1、2间管道的热伸长量≤0．8Scom。 2．2 L型管段 　　①短臂长度≤10m的L型管段 　　a．采用拉杆型波纹管补偿器 　　在L型管段短臂处设置拉杆型波纹管补偿器的布置见图4。 图4 L型管段在短臂设置拉杆型波纹管补偿器的布置 Fig．4 Arrangement of bellows-type expansion joint with drag-link in short arm of L-type pipdine section 　　设长臂AB的热伸长为△LL(单位为mm)，应满足△LL≤0．8Scom。 　　拉杆型波纹管补偿器轴向弹力的计算式为： Frob,ax=Krob,L△LL (7) 式中 Frob,ax——拉杆型波纹管补偿器轴向弹力，N 　　　Krob,L——拉杆型波纹管补偿器的侧向刚度，N/mm 　　b．采用2只铰链型波纹管补偿器 　　在L型管段短臂处设置2只铰链型波纹管补偿器的布置见图5。 　　铰链型波纹管补偿器C1、C2工作角位移的计算式为： 　　铰链型波纹管补偿器C1、C2工作角位移应小于等于0．8θcom。 图5 L型管段在短臂设置2只铰链型波纹 补偿器的布置 Fig．5 Arrangement of two hinged bellows-type expansion joints in short arm of L-type pipeline section 　　铰链型波纹管补偿器C1受径向弹力及铰链型波纹管补偿器C2受轴向弹力的计算式为： 式中 Fhin,rad,C1——铰链型波纹管补偿器C1的径向弹力，N 　　　Fhin,ax,C2——铰链型波纹管补偿器C2的轴向弹力，N 　　　Khin,C1、Khin,C2——铰链型波纹管补偿器C1、C2的弯曲刚度，Nmm/() 　　②短臂较长的L型管段 　　短臂较长时必须考虑短臂的热伸长，一般采用3个铰链型波纹管补偿器。L型管段设置3个铰链型波纹管补偿器的布置见图6。 图6 L型管段设置3个铰链型波纹管补偿器的布置 Fig．6 Arrangement of three hinged bellows-type expansion joints in L-type piperine section 　　铰链型波纹管补偿器C1～C3工作角位移的计算式分别为： 式中 △Ls——短臂CF的热伸长，mm 　　　LCD、LEF——管段CD、EF的长度，mm铰链型波纹管补偿器C3工作角位移应小于等于0．8θcom。 　　固定支座1受径向、轴向力计算式为： 式中 Ffix,rad,1——固定支座1受径向力，N 　　　Ffix,ax,1——固定支座1受轴向力，N 　　　Khin,C3——铰链型波纹管补偿器C3的弯曲刚度，Nmm/() 　　固定支座2受径向、轴向力计算式为： 式中 Ffix,rad,2——固定支座2受径向力，N 　　　Ffix,ax,2——固定支座2受轴向力，N 2．3 Z型管段 　　①中间臂较短的Z型管段 　　中间臂较短的Z型管段设置拉杆型波纹管补偿器的布置见图7。 图7 中间臂较短的Z型管段设置拉杆型 波纹管补偿器的布置 Fig．7 Arrangement of bellows-type expansion joint with drag-link in middle short arm of Z-type pipeline section 　　一般情况下，中间臂较短的Z型管段采用复式大拉杆波纹管补偿器的补偿效果最佳，它能吸收任一平面内的横向位移，平面、立体管段都可使用。管段总热伸长计算式为： △Lsum=△LAB+△LCD (18) 式中 △Lsum——管段总热伸长，mm 　　应满足△Lsum≤0．8Scom。 　　固定支座1受轴向力计算式为： Ffix,ax,1=△LABKrob,L (19) 　　固定支座2受轴向力计算式为： Ffix,ax,2=△LCDKrob,L (20) 　　②中间臂较长的Z型管段 　　a．平面Z型管段 　　一般采用2只铰链型波纹管补偿器进行热补偿，应尽量增加2个铰链型波纹管补偿器中心距离Lcen，以提高补偿能力。平面Z型管段设置铰链型波纹管补偿器的布置见图8。 图8 平面Z型管段设置铰链型波纹管补偿器的布置 Fig．8 Arrangement of hinged bellows-type expansion joints in plane Z-type pipeline section 　　管段总热伸长计算式为式(18)，铰链型波纹管补偿器C1、C2的工作角位移的计算式为： 　　铰链型波纹管补偿器C1、C2的工作角位移应小于等于0．8θcom。 　　固定支座1、2受轴向力计算式为： 　　b．立体Z型管段 　　立体Z型管段设置2只万向铰链型波纹管补偿器布置见图9。 图9 立体Z型管段设置2只万向铰链型 波纹管补偿器的布置 Fig．9 Arrangement of two hinged bellows-type expansion joints in vertical Z-type pipeline section 　　立体合成热位移计算式为： 式中 △Lsol——立体合成位移，mm 　　万向铰链型波纹管补偿器C1、C2的工作角位移计算式为： 式中 θu,C1、θu,C2——万向铰链型波纹管补偿器C1、C2的工作角位移，() 　　万向铰链型波纹管补偿器C1、C2的工作角位移应小于等于0．8θcom。 　　固定支座1、2受轴向力的计算式为式(22)、(23)。 3 波纹管补偿器的选用 　　任何管段的热补偿往往有很多方案，波纹管补偿器的正确选用则是关键。设计者应综合考虑管道走向、支架设置、波纹管补偿器类型等，以取得既安全可靠又经济合理的方案。波纹管补偿器选用一般程序如下： 　　①变复杂管系为简单管段，通过设置固定支座将管系分解为形状简单、独立、典型的管段。 　　②根据波纹管补偿器的应用形式选择波纹管补偿器类型。 　　③计算典型管段热伸长量，按产品的额定补偿量，确定波纹管补偿器的波数、长度。 　　④根据管道输送的供热介质、管径、设计压力、设计温度、疲劳寿命、材质，最终确定波纹管补偿器规格。 参考文献： [1] 吕国良，王淮，邵荣，等．供热管网补偿方式的选择[J]．煤气与热力，2001，21(1)：58—60． [2] 李卫东，赵建波．波纹管补偿器和鼓形补偿器的比较[J]．煤气与热力，2001，21(4)：：353、358． [3] 张俊红，韩飞．球形补偿器在过热蒸汽管道上的应用分析[J]．煤气与热力，1998，18(1)：61—64． [4] 邓曾禄．平衡型套筒补偿器的原理及应用[J]．煤气与热力，2004，24(3)：145—147． [5] 王强．轴向型波纹补偿器在架空热力管网的应用[J]．煤气与热力，1996，16(3)：70—72． [6] 常小满．热力管网中典型管段与波纹补偿器的配置[J]．煤气与热力，1998，18(2)：60—62．