蒸汽供熱管道中波紋管補(bǔ)償器的設(shè)計計算

1、蒸汽供熱管道中波紋管補(bǔ)償器的設(shè)計計算摘要：研究了蒸汽供熱管道設(shè)計中常用的外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器、拉桿型波紋管補(bǔ)償器、鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器在典型管段中的布置、設(shè)計計算，提出了波紋管補(bǔ)償器的選用程序。關(guān)鍵詞：蒸汽供熱管道；波紋管補(bǔ)償器；熱補(bǔ)償在城市直埋蒸汽供熱管道的設(shè)計中最經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償應(yīng)為自然補(bǔ)償，自然補(bǔ)償利用彎曲管段中管道的撓曲來補(bǔ)償熱位移，但補(bǔ)償能力有限。當(dāng)自然補(bǔ)償不能滿足要求時，通常選用補(bǔ)償器吸收熱位移。常用補(bǔ)償器有方型補(bǔ)償器、套筒補(bǔ)償器、球型補(bǔ)償器及波紋管補(bǔ)償器1-6。本文主要研究蒸汽供熱管道設(shè)計中常用的波紋管補(bǔ)償器及其在典型管段設(shè)計中的計算、選用。1 常用的波紋管補(bǔ)償器波紋管補(bǔ)償器是以波紋管

2、作為撓性元件，并由端管及受力附件組成。波紋管補(bǔ)償器補(bǔ)償量大，補(bǔ)償方式靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，位移反力小，使用過程中不需維護(hù)?？筛鶕?jù)固定支座及設(shè)備的受力要求，靈活設(shè)計結(jié)構(gòu)型式。外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器由承受外壓的波紋管、導(dǎo)流筒及進(jìn)、出口管等組成。外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器能吸收軸向位移，但不能承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的強(qiáng)大推力，因此外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器一般用于低支架敷設(shè)、埋地管道敷設(shè)的直管段中。拉桿型波紋管補(bǔ)償器拉桿型波紋管補(bǔ)償器由經(jīng)中間管道連接的2個波紋管及拉桿、端板、墊圈等組成。拉桿型波紋管補(bǔ)償器能吸收任一平面內(nèi)的橫向位移并能承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力，因此廣泛應(yīng)用于高支架的地上敷設(shè)蒸汽供熱管

3、道，特別是管道穿越道路、高垂直段或水平轉(zhuǎn)彎段的設(shè)計中。因此在設(shè)計中一般優(yōu)先考慮使用拉桿型波紋管補(bǔ)償器。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器由經(jīng)中間管道連接的2個波紋管及銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)件組成。23個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器配套使用時，能吸收一個平面內(nèi)橫向位移并能承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器以角位移的方式吸收平面彎曲管段的熱位移。一對鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器吸收橫向位移時，角位移一定，其所能吸收的橫向位移與2個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器之間的距離成正比，在施工現(xiàn)場條件允許下盡量增加2個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器之間的距離，可更有效發(fā)揮其補(bǔ)償能力。因此鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器被廣泛應(yīng)用于蒸汽供熱管道設(shè)計中。2

4、 典型管段中波紋管補(bǔ)償器的計算任何復(fù)雜管系，都可以通過設(shè)置固定支座的方法將其劃分為若干形狀，較為簡單的獨(dú)立補(bǔ)償管段為直管段、L型管段、Z型管段等。在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)典型管段的工作條件及熱位移選擇波紋管補(bǔ)償器類型。計算典型管段的熱位移，以確定波紋管補(bǔ)償器的波數(shù)并得出在規(guī)定疲勞壽命下補(bǔ)償器的額定補(bǔ)償量。本文研究的波紋管補(bǔ)償器設(shè)計計算的條件為：選用波紋管補(bǔ)償器額定補(bǔ)償量時，考慮20的熱伸長余量。只考慮使用波紋管補(bǔ)償器后增加的位移及補(bǔ)償器的彈性力，不考慮風(fēng)載及其他外部荷載對管道的作用力。21 直管段不允許加方型彎管直管段中設(shè)置外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖1。圖1 直管段中外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器的布置F

5、ig1 Arrangement of axial bellows-type expansion jointwith external pressure in straight pipeline section選用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器必須滿足以下4個條件：a設(shè)定2個固定支座之間管道熱伸長為L(單位為mm)，補(bǔ)償器的額定補(bǔ)償量為xcom(單位為mm)，應(yīng)滿足L08xcom。b應(yīng)設(shè)置直線導(dǎo)向支座。c固定支座須承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力，因此必須具有足夠的強(qiáng)度。d使用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器的埋地管道中，所有固定支座要承受管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力，因此應(yīng)對固定支座的焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗算，以保證管道安全可靠。外壓軸向

6、型波紋管補(bǔ)償器軸向彈力的計算式為：Fex,ax=Kex,axL (1)式中 Fex,ax外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器軸向彈力，NKex,ax外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器的軸向剛度，N/mm管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力的計算式為：Fth=Ap (2)式中 Fth管道內(nèi)壓產(chǎn)生的推力，NA波紋管有效面積，m2p管道工作壓力，Pa固定支座1、3受力的計算式為：Ffox.1=Fex,ax+Fth+FlLAB (3)Ffix,3=Fex,ax+Fth+F1LBC (4)式中 Ffix,1、Ffix,3固定支座1、3受力，NFt管道單位長度計算荷載，N/mm管道保護(hù)外套與土壤間的摩擦系數(shù)LAB、LBC管段AB、BC的長度，mm允

7、許加方型彎管當(dāng)直管段允許加方型彎管時，在設(shè)計中我們可選擇方型彎管3只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器或方型彎管2只大拉桿型波紋管補(bǔ)償器。a采用方型彎管3只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器直管段中采用方型彎管3只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖2。圖2 直管段中方型彎管3只鉸鏈波紋管補(bǔ)償器的布置Fig2 Arrangement of three hinged bellows-type expansionjoints for square bent pipe in straight pipeline section鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1C3工作角位移的計算式為：式中 C1、C2、C3鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1C3的工作角位移，(&#

8、176;)LAB管段AB的熱伸長，mmLCD管段CD的熱伸長，mm設(shè)鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器額定工作角位移為com，單位為(°)。計算所得的工作角位移應(yīng)小于等于08com。b采用方型彎管2只大拉桿型波紋管補(bǔ)償器直管段中采用方型彎管2只大拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖3。圖3 直管段中方型彎管2只大拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig3Arrangement of two bellows-type expansion joints withbig drag-link for square bent pipe in straight pipeline section設(shè)大拉桿型波紋管補(bǔ)償器額定橫向位移為

9、Scom(單位為mm)，應(yīng)滿足固定支座1、2間管道的熱伸長量08Scom。22 L型管段短臂長度10m的L型管段a采用拉桿型波紋管補(bǔ)償器在L型管段短臂處設(shè)置拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖4。圖4 L型管段在短臂設(shè)置拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig4 Arrangement of bellows-type expansion joint withdrag-link in short arm of L-type pipdine section設(shè)長臂AB的熱伸長為LL(單位為mm)，應(yīng)滿足LL08Scom。拉桿型波紋管補(bǔ)償器軸向彈力的計算式為：Frob,ax=Krob,LLL (7)式中 Frob,ax

10、拉桿型波紋管補(bǔ)償器軸向彈力，NKrob,L拉桿型波紋管補(bǔ)償器的側(cè)向剛度，N/mmb采用2只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器在L型管段短臂處設(shè)置2只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖5。鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2工作角位移的計算式為：鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2工作角位移應(yīng)小于等于08com。圖5 L型管段在短臂設(shè)置2只鉸鏈型波紋補(bǔ)償器的布置Fig5 Arrangement of two hinged bellows-type expansionjoints in short arm of L-type pipeline section鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1受徑向彈力及鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C2受軸向彈力的計算式為：

11、式中 Fhin,rad,C1鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1的徑向彈力，NFhin,ax,C2鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C2的軸向彈力，NKhin,C1、Khin,C2鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的彎曲剛度，N·mm/(°)短臂較長的L型管段短臂較長時必須考慮短臂的熱伸長，一般采用3個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器。L型管段設(shè)置3個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖6。圖6 L型管段設(shè)置3個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig6 Arrangement of three hinged bellows-type expansionjoints in L-type piperine section鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1

12、C3工作角位移的計算式分別為：式中 Ls短臂CF的熱伸長，mmLCD、LEF管段CD、EF的長度，mm鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C3工作角位移應(yīng)小于等于08com。固定支座1受徑向、軸向力計算式為：式中 Ffix,rad,1固定支座1受徑向力，NFfix,ax,1固定支座1受軸向力，NKhin,C3鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C3的彎曲剛度，N·mm/(°)固定支座2受徑向、軸向力計算式為：式中 Ffix,rad,2固定支座2受徑向力，NFfix,ax,2固定支座2受軸向力，N23 Z型管段中間臂較短的Z型管段中間臂較短的Z型管段設(shè)置拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖7。圖7 中間臂較短的Z型管段

13、設(shè)置拉桿型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig7 Arrangement of bellows-type expansion joint withdrag-link in middle short arm of Z-type pipeline section一般情況下，中間臂較短的Z型管段采用復(fù)式大拉桿波紋管補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果最佳，它能吸收任一平面內(nèi)的橫向位移，平面、立體管段都可使用。管段總熱伸長計算式為：Lsum=LAB+LCD (18)式中 Lsum管段總熱伸長，mm應(yīng)滿足Lsum08Scom。固定支座1受軸向力計算式為：Ffix,ax,1=LABKrob,L (19)固定支座2受軸向力計算式為：Ffi

14、x,ax,2=LCDKrob,L (20)中間臂較長的Z型管段a平面Z型管段一般采用2只鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器進(jìn)行熱補(bǔ)償，應(yīng)盡量增加2個鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器中心距離Lcen，以提高補(bǔ)償能力。平面Z型管段設(shè)置鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置見圖8。圖8 平面Z型管段設(shè)置鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig8 Arrangement of hinged bellows-type expansion jointsin plane Z-type pipeline section管段總熱伸長計算式為式(18)，鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的工作角位移的計算式為：鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的工作角位移應(yīng)小于等于08com。

15、固定支座1、2受軸向力計算式為：b立體Z型管段立體Z型管段設(shè)置2只萬向鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器布置見圖9。圖9 立體Z型管段設(shè)置2只萬向鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器的布置Fig9 Arrangement of two hinged bellows-type expansionjoints in vertical Z-type pipeline section立體合成熱位移計算式為：式中 Lsol立體合成位移，mm萬向鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的工作角位移計算式為：式中 u,C1、u,C2萬向鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的工作角位移，(°)萬向鉸鏈型波紋管補(bǔ)償器C1、C2的工作角位移應(yīng)小于等于08c

16、om。固定支座1、2受軸向力的計算式為式(22)、(23)。3 波紋管補(bǔ)償器的選用任何管段的熱補(bǔ)償往往有很多方案，波紋管補(bǔ)償器的正確選用則是關(guān)鍵。設(shè)計者應(yīng)綜合考慮管道走向、支架設(shè)置、波紋管補(bǔ)償器類型等，以取得既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理的方案。波紋管補(bǔ)償器選用一般程序如下：變復(fù)雜管系為簡單管段，通過設(shè)置固定支座將管系分解為形狀簡單、獨(dú)立、典型的管段。根據(jù)波紋管補(bǔ)償器的應(yīng)用形式選擇波紋管補(bǔ)償器類型。計算典型管段熱伸長量，按產(chǎn)品的額定補(bǔ)償量，確定波紋管補(bǔ)償器的波數(shù)、長度。根據(jù)管道輸送的供熱介質(zhì)、管徑、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、疲勞壽命、材質(zhì)，最終確定波紋管補(bǔ)償器規(guī)格。參考文獻(xiàn)：1 呂國良，王淮，邵榮，等供熱管網(wǎng)補(bǔ)償方式的選