膨胀节的分类及管道变形计算范文

膨胀节的分类 一 按材质分为 金属膨胀接 非金属膨胀节 非金属膨胀节 A 非金属柔性补偿器 膨胀节 可补偿轴向 横向 角向 具有 无推力 简化支座设计 耐腐蚀 耐高温 消声减振等特点 特别 适用于热风管道及烟尘管道 B 非金属柔性补偿器 膨胀节 的特点 1 补偿热膨胀 可以补偿多方向 大大优于只能单式补偿的金属补 偿器 2 补偿安装误差 由于管道连接过程中 系统误差再所难免 纤维 补偿器较好的补偿了安装误差 3 消声减振 纤维织物 保温棉体本身具有吸声 隔震动传递的功 能 能有效的减少锅炉 风机等系统的噪声和震动 4 无反推力 由于主体材料为纤维织物 无力的传递 用纤维补偿 器可简化设计 避免使用大的支座 节省大量的材料和劳动力 5 耐腐蚀性 选用的氟塑料 有机硅材料具有较好的耐温和耐腐蚀 性能 不耐高温 比金属差 6 体轻 结构简单 安装维修方便 8 价格低于金属补偿器 金属波纹补偿器 膨胀节 的特点及应用 A 金属波纹补偿器是用于吸收管线 导管或容器 设备由热胀冷 缩等原因而产生的尺寸变化的装置 它的金属波纹管是主要的补偿 元件 广泛用于石油化工 电力 供热 锅炉烟风道 钢铁冶金 水 泥 船舶 机械等管线及设备的软连接 波纹管 补偿元件 材质 不锈钢 碳钢 不锈钢内衬聚四氟乙烯等 B 耐高温 耐压 一 按材质分为 金属膨胀接 非金属膨胀节 非金属膨胀节 A 非金属柔性补偿器 膨胀节 可补偿轴向 横向 角向 具有 无推力 简化支座设计 耐腐蚀 耐高温 消声减振等特点 特别 适用于热风管道及烟尘管道 B 非金属柔性补偿器 膨胀节 的特点 1 补偿热膨胀 可以补偿多方向 大大优于只能单式补偿的金属补 偿器 2 补偿安装误差 由于管道连接过程中 系统误差再所难免 纤维 补偿器较好的补偿了安装误差 3 消声减振 纤维织物 保温棉体本身具有吸声 隔震动传递的功 能 能有效的减少锅炉 风机等系统的噪声和震动 4 无反推力 由于主体材料为纤维织物 无力的传递 用纤维补偿 器可简化设计 避免使用大的支座 节省大量的材料和劳动力 5 耐腐蚀性 选用的氟塑料 有机硅材料具有较好的耐温和耐腐蚀 性能 不耐高温 比金属差 6 体轻 结构简单 安装维修方便 8 价格低于金属补偿器 金属波纹补偿器 膨胀节 的特点及应用 A 金属波纹补偿器是用于吸收管线 导管或容器 设备由热胀冷 缩等原因而产生的尺寸变化的装置 它的金属波纹管是主要的补偿 元件 广泛用于石油化工 电力 供热 锅炉烟风道 钢铁冶金 水 泥 船舶 机械等管线及设备的软连接 波纹管 补偿元件 材质 不锈钢 碳钢 不锈钢内衬聚四氟乙烯等 B 耐高温 耐压 补偿器 1 补偿器简介 补偿器的功能及工作原理 波纹管补偿器习惯上也叫膨胀节 伸缩节 由构成其工作主体的波 纹管 一种弹性元件 和端管 支架 法兰 导管等附件组成 是 用以利用波纹管补偿器的弹 性元件的有效伸缩变形来吸收管线 导 管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置 属 于一种补偿元件 可对轴向 横向 和角向位移的的吸收 用于在 管道 设备及系统的加热位移 机械位移吸收振动 降低噪音等 在 现代工业中用途广泛 2 补偿器执行标准 金属波纹管采用 GB T12777 2008 并参照美国 EJMA 标准 优化设计 结构合理 性能稳定 强度大 弹性好 抗疲劳度高等优点 材料采用 1Cr18Ni9Ti OCr19Ni9 奥氏体不锈钢 两端接管或法兰采用低碳 钢或低合金钢 金属波纹管 补偿器选用 U 形波 分单层和多层制成 有较大的 补偿量 耐压可高达 4Mpa 使用温度 1960C 一 450 度 结 构紧凑 使用成本低 耐腐蚀 弹性好 钢度值低 允许疲劳度寿 命 1000 次 解决了管道热胀冷缩 位移和机械高频振动与管道之 间的柔性联接 广泛用于石油 热力 电力 煤气 化工等管路上 安装 3 补偿器连接方式 补偿器连接方式分为法兰连接和焊接两种 直埋管道补偿器一般采 用焊接方式 地沟安装除外 4 补偿器类型 补偿器分为轴向型 横向型 角向型三大类型二十多个品种 轴向型补偿器主要包括 内压式 外压式 复式 平衡式 直埋式 补偿器等 横向型补偿器包括 大拉杆横向补偿器 万向铰链横向型补偿器等 角向型补偿器包括 铰链补偿器 万向铰链补偿器等 二 补偿器作用 补偿器也称伸缩器 膨胀节 波纹补偿器 补偿器分为 波纹补偿 器 套筒补偿器 旋转补偿器 方形自然补偿器等几大类型 其中 以波纹补偿器较为常用 主要为保障管道安全运行 具有以下作用 1 补偿吸收管道轴向 横向 角向热变形 2 波纹补偿器伸缩量 方便阀门管道的安装与拆卸 3 吸收设备振动 减少设备振动对管道的影响 4 吸收地震 地陷对管道的变形量 方形自然补偿器有两个作用 1 在管道穿越基础梁或地下室墙的时候 为了避免基础的沉降对管 道的压力 需要安装方形补偿器 2 在热力管道过长的情况下 需要安装方形补偿器来减小 热胀冷缩 对管道的拉伸 三 管道的热变形计算 计算公式 X a L T x 管道膨胀量 a 为线膨胀系数 取 0 0133mm m L 补偿管线 所需补偿管道固定支座间的距离 长度 T 为温差 介质温度 安装时环境温度 三 关于轴向型 横向型和角向型补偿器对管系及管架设计的要求 一 轴向型补偿器 1 安装轴向型补偿器的管段 在管道的盲端 弯头 变截面处 装 有截止阀或减压阀的部们及侧支管线进入主管线入口处 都要设置 主固定管架 主固定管架要考虑波纹管静压推力及变形弹性力的作 用 推力计算公式如下 Fp 100 P A Fp 补偿器轴向压力推 N A 对应于波纹平均直径的有效面积 cm2 P 此管段管道最高压力 MPa 轴向弹性力的计算公式如下 Fx f Kx X FX 补偿器轴向弹性力 N KX 补偿器轴向刚度 N mm f 系数 当 预变形 包括预变形量 X 0 时 f 1 2 否则 f 1 管道除上述部位外 可设置中间固定管架 中间固定管架可不考虑 压力推力的作用 2 在管段的两个固定管架之间 仅能设置一个轴向型补偿器 3 固定管架和导向管架的分布推荐按下图配置 补偿器一端应靠近固定管架 若过长则要按第一导向架的设置要求 设置导向架 其它导向架的最大间距可按下计算 LGmax 最大导向间距 m E 管道材料弹性模量 N cm2 i tp 管道断面惯性矩 cm4 KX 补偿器轴向刚度 N mm X0 补偿额定位移量 mm 当补偿器压缩变形时 符号 拉伸变形时 符合为 当管道 壁厚按标准壁厚设计时 LGmax 可按有关标准选取 二 横向型及角向型补偿器 1 装在管道弯头附近的横向型补偿器 两端各高一导向支座 其中 一个宜是平面导向管座 其上 下活动间隙按下式计算 活动间隙 mm L 补偿器有效长度 mm Y 管段热膨胀量 mm X 不包括 L 长度在内的垂直管段的热膨胀量 mm 2 角向型补偿器宜两个或三个为一组配套使用 用以吸收管道的横 向位移 对 Z 形和 L 形管段两个固定管架之间 只允许安装一个横 向型补偿器或一组角向型补偿器 此时平面铰链销的轴线必须垂直 于弯曲管段形成的平面 万向铰链补偿器不受此限制 装有一组铰链补偿器的管段 其平面导向架的间隙 亦可按上式计 算 但是 L 长度应为两补偿器铰链轴之间的距离 X 是整个垂直 管段的热膨胀量 3 补偿器两侧的导向支座应接近补偿器 支座的型式应使补偿器能 定向运动 三 供热管道直埋式补偿器安装要求 一 用途 直埋式波纹补偿器主要用于直埋管线的轴向补偿 具有抗弯能力 所以可不考虑管道下沉的影响 产品具有补偿量大 寿命长的特点 二 使用说明 直埋式波纹补偿器主要适用于轴向补偿 同时具有超强抗弯能力 所以不考虑管道下沉的影响 直埋式波纹补偿外壳及导向套筒保护 下实现自由伸缩补偿 其它性能跟普通波纹补偿器相同 三 选用与安装 3 1 管道最大安装长度计算 有补偿直埋的管道应在二处高固定点 一是在直管段的端部 二是 在管道的分支处 长的无分支的直线管道两补偿器之间可以不设固 定点 靠管道自然形成的 驻点 即可发挥固定点的作用 驻点是两 补偿器之间管道的那个不动点 在管径相同 埋深一致时 驻点与 两补偿器间的距离相等 褡补偿器 包括转角处自然补偿 器 至固 定点之间的距离不得超过管道的最大安装长度 Lmax 管道最大安 装长度的定义是固定点至自由端 补偿器 的长度 在此长度下产 生的摩擦力不得超过 管道许用应力下相应的弹性力 Lmax 按下式计算 常用管道的最大安装长度 Lmax 应考虑 16kgf cm2 内压力所产 生的环向应力的综合影响 3 2 固定支座的设计计算 具有 2 个管道分支并在主干线上有一处转角管道平面 补偿器的布 置应满足 Ln Lmax 的条件 驻点 G1 G2 的推力为零 所以 此点处不必设置固定 支座 但为了防止回填土的不均匀 埋深的不 一致和预制保温管外壳粗糙度的不规则等可能会造成驻点的漂移 所以 对处于驻点位置的管道分支处 G1 G2 需设 置支座 以 G1 为例其轴向推力可按下式计算 F1 Pb2 L2f 0 8 Pb3 L2f 式中 F1 固定支座 G1 的水平推力 kgf f 管道单位长度摩擦力 Kgf m Pb2 B2 膨胀节的弹性力 Kg Pb3 B3 膨胀节的弹性力 Kgf k2 B2 膨胀节的刚度 Kgf mm L2 B2 膨胀节的补偿量 mm L2 膨胀节至 G1 的距离 m 假如某一分支如自 G2 接出的分支带有补偿器 B 那么 G2 还受到 一侧向推力的作用 如图中的 F2 y 当 L5 很短 实际布置时 L5 也应很短 那么 侧向力 F2 y 的大小为 F2 y Pn A5 Pb5 式中 Pn 管道工作压力 Kgf cm2 A5 B5 膨胀节的有效面积 cm2 Pb5 B5 膨胀节的弹性力 kgf 固定支座 G3 也驻点位置 从管道和土壤的摩擦力来讲 该点也受 到大小相等 方向相反的两个时作用 但应注意到该点同时又受到 转角处的盲板力的作用 考虑驻点漂移的影响 固定支座 G3 的推 力 F3 1 2Pn A4 式中 F3 作用在固定支座 G3 的水平推力 Kgf Pn 管道工作压力 Kgf cm2 A4 B4 膨胀节的有效面积 cm2 3 3 补偿器的选用计算 直埋管道由于土壤摩擦力的影响 实际热伸长量要比架空和地沟敷设 的管道热热伸长量要小 架空和地沟敷设时的伸长量 t L 直埋敷设时 因土壤摩擦力影响的热伸长减少量 实际热伸长量为 式中 E 钢管弹性模理 kgf cm2 钢管的线膨胀系数 取 0 0133mm m t 管道温差 A f 同公式 L 两固定点之间的距离 最大安装长度 m 在实际工作中 直埋管道的热伸长量 采用丹麦摩勒公司的简化算 法 式中符号同以上公式相同 按 或 式计算出实际热伸长量后 按系列表选用相应的补偿器 3 4 安装 直埋式膨胀节 不包括一次性直埋式 安装时应有两个后年度护圈 如下图 且护圈的壁厚不应小于管道的壁厚 设置护圈 1 的目 的是为管道受热膨胀时 A 尺寸范围内有土 砂等进入 图中的各 尺寸为 直埋式波纹补偿器出厂时 所有外露表面已刷防锈漆两遍 直埋式 波纹补偿器及其直埋管道的其它要求为 1 保温管埋于地下时 四周需用粒度小于 20 毫米的砂子填充 然后再覆盖原土 填充砂子的厚度不小于 200 毫米 2 保温管顶的埋深一般不超过 1 2 米 但也尽量不要小于 0 7 米 保温管可直接埋在各种管道下面 3 如图 除 A 处外 其余均保温 因管道膨胀时 A 处不保温并 不会造成显著的热损失 也是由于护圈的作用 直埋补偿器可以直 埋处于车行道下面 4 直埋式补偿器安装不必冷紧 也不必按全线钢管接好后再割下 和膨胀节等长管道之后再焊接的方法 使用直埋型膨胀节 不必设 导向支架 5 安装时要注意保证导流套筒的方向与流动方向的一致 6 补偿器内介质应进行除游离氧和除氯离子处理 氯离子含量不 得超过 25PPm 7 补偿器允许不超过 1 5 倍公称压力的系统水压试验 8 补偿器安装完毕进行系统水压试验前 要将管道两端固定 防 止内压推力拉伸补偿器 四 补偿器安装和使用要求 1 补偿器在安装前应先检查其型号 规格及管道配置情况 必须符 合设计要求 2 对带内套筒的补偿器应注意使内套筒子的方向与介质流动方向一 致 铰链型补偿器的铰链转动平面应与位移转动平面一致 3 需要进行 冷紧 的补偿器 预变形所用的辅助构件应在管路安装 完毕后方可拆除 4 严禁用波纹补偿器变形的方法来调整管道的安装超差 以免影响 补偿器的正常功能 降低使用寿命及增加管系 设备 支承构件的 载荷 5 安装过程中 不允许焊渣飞溅到波壳表面 不允许波壳受到其它 机械损伤 6 管系安装完毕后 应尽快拆除波纹补偿器上用作安装运输的黄色 辅助定位构件及紧固件 并按设计要求将限位装置调到规定位置 使管系在环境条件下有充分的补偿能力 7 补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围 应 保证各活动部位的正常动作 8 水压试验时 应对装有补偿器管路端部的次固定管架进行加固 使管路不发生移动或转动 对用于气体介质的补偿器及其连接管路 要注意充水时是否需要增设临时支架 水压试验用水清洗液的 96 氯离子含量不超过 25PPM 9 水压试验结束后 应尽快排波壳中的积水 并迅速将波壳内表面 吹干 10 与补偿器波纹管接触的保温材料应不含氯离子 补偿器产品分类 QB 型球补偿器 DSB I II 型 单向自导式伸 缩补偿器 JTW 型通用软管 不锈钢减震波纹补偿器 直埋式波纹 补偿器 FUB 风 道补偿器 轴向型外压式波纹补偿器 JZW 型 铰 链横向型 JJH 万向铰链 JWJ 型补偿器 轴向型内压式波纹补偿器 JDZ 型 三维补偿器 补偿器 浅析波纹管补偿器失效原因 波纹管补偿器之所以能够在许 多行业中得到广泛应用 除具有良好的补偿能力之外 高可靠性是 主要原因 其可靠性是通过设计 制造 安装 运行管理等多个环 节 来保证的 任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至 失效 作者经过多年统计发现 造成波纹管补偿器失效的原因 设 计占 10 制造厂家偷工减料占 50 安装不符合设备说明要求 占 20 其余由运行管理不当引起 2 波纹管补偿器的失效类型及原因分析 2 1 失效类型 波纹管的失效在管线试压和运行期间均有发生 管线试压时出现问 题主要有三种类型 由于管系临时支撑不当 或管系固定支架设置 不合理 导致支架破坏 波 纹管过量变形而失效 由于波纹管设计 所考虑的压力或位移安全富裕度不够 管线试压时波纹管产生失稳 变形失效 补偿器制造质量问题 制造厂偷工减料 5 层不 锈钢私 自改为 3 层或更少 波纹管在运行期间的失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式 其中以腐蚀失效居多 从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现 腐蚀失 效通常分点腐蚀穿孔和应 力腐蚀开裂 其中氯离子应力腐蚀开裂约 占整个腐蚀失效的 95 波纹管失稳有强度失稳和结构失稳两种类 型 强度失稳包括内外压波纹管平面失稳和外压波纹管 周向失稳 结构失稳是内压波纹管补偿器的柱失稳 2 2 设计疲劳寿命与稳定性及应力腐蚀的关系 波纹管的设计主要考虑耐压强度 稳定性和疲劳性能等三个方面的 因素 虽然国家标准和美国 EJMA 标准对这几方面的计算和评定都 有明确的规定 但从多年 的应用实践和波纹管失效分析中发现 标 准中给出的关于稳定性的计算和评定方法不够全面 且疲劳寿命也 仅给出了比较粗的界限范围 平均疲劳寿命在 103 105 适用 有时一个完全符合标准要求的产品 在实际使用时也会出现一些问 题 如内压轴向型补偿器预变位状态在压力试验时波纹管易产生平 面失 稳 大直径外压轴向型补偿器全位移工作状态波纹管易产生周 向失稳 小直径复式拉杆型补偿器 铰链型补偿器全位移工作状态 易产生柱失稳 波纹管过大的变形不 仅对其稳定性造成影响 还会 为应力腐蚀提供有利的环境条件 2 2 1 波纹管疲劳寿命与其综合应力 波纹管的补偿量取决于其疲劳 寿命 疲劳寿命越高 波纹管单波补偿量越小 为了降低成本 提 高单波补偿量 有些生产厂家将波纹管的许用疲劳寿命降得很低 这 样会导致由位移引起的波纹管子午向弯曲应力很大 综合应力很 高 大大降低了波纹管的稳定性 表 1 给出了无加强 U 形波纹管许 用疲劳寿命与子午向综合应力及单 波补偿量之间的关系 2 2 2 波纹管的综合应力与其耐压强度 由标准中给出的波纹管平面 稳定性和周向稳定性的计算方法和评定标准可以看出 二者反映的 均为强度问题 当波纹管设计的许用寿命较低时 不仅其子午向综 合应 力较高 环向应力也比较高 使波纹管局部很快进入塑性变形 导致波纹管失稳 对于内压波纹管 位移应力在波纹管波峰和波谷处形成塑性铰 再 加上压力应力 波纹管很快产生平面失稳 这就是低疲劳寿命波纹 管在位移条件下平面失稳压 力远低于高疲劳寿命的波纹管的根本原 因 例如在预变位状态下 即波纹管位移量为许用值的 1 2 时 一 个许用疲劳寿命为 200 次的波纹管 尚未达到其允许设 计压力时 已经产生平面失稳 许用疲劳寿命为 1000 次的波纹管 达到设计 压力时 波纹管处于平面稳定状态 达到 1 5 倍设计压力时 波纹 管处于临界失稳 状态 许用疲劳寿命为 2000 次的波纹管达到设计 压力 1 5 倍时 波纹管仍处于平面稳定状态 从外压波纹管纵向剖面看 相当于一个受压力的拱梁 工作时波纹 管处于拉伸状态 相当于拱梁降低了拱高 其抗失稳的能力自然降 低 当波纹管单波位移过大 时 波纹平直部分倾斜 使得波纹管波 峰直径有缩小的趋势 但波峰圆环直径是确定的 为了协调变形 就会产生波峰塌陷 波纹管周向失稳 在国内外相应的标准 中 关 于位移对波纹管外压周向稳定性的影响均未涉及 有待于深入探讨 综上所述 虽然至今为止在热力管网的应用过程中尚未发现由疲劳 而引起的破坏 但波纹管过低的设计疲劳寿命 将会导致灾难性的 后果 2 2 3 补偿器位移与其柱稳定性 对于复式拉杆型和铰链型补偿器 横向位移是由波纹管角变位引起中间管段倾斜实现的 当波纹管产 生角变位时 波纹管凸出侧承压面积大于凹陷侧承压面积 导致 补 偿器附加了一个横向力 较之轴向型补偿器更易产生柱失稳 显然 波纹管单波位移越大 补偿器横向位移越大 越易产生柱失稳 3 波纹管补偿器的可靠性 波纹管补偿器的可靠性是由设计 制造 安装及运行管理等多个环 节构成的 可靠性也应该从这几个方面进行考虑 3 1 可靠性设计 3 1 1 材料选择 对用于供热管网的波纹管的选材 除应考虑工作介 质 工作温度和外部环境外 还应考虑应力腐蚀的可能性 水处理 剂和管道清洗剂对材料的影响等 并在此基础上结合波纹管材料的 焊接 成型以及材料的性能价格比 优选出经济实用的波纹管制作 材料 一般情况下 选用波纹管的材料应满足下列条件 1 良好的塑性 便于波纹管的加工成形 且能通过随后的处理工艺 冷作硬化 热 处理等 获得足够的硬 度和强度 2 高弹性极限 抗拉强度和 疲劳强度 保证波纹管正常工作 3 良好的焊接性能 满足波纹 管在制作过程中的焊接工艺要求 4 较好的耐腐 蚀性能 满足 波纹管在不同环境下工作要求 大多数生产厂家都采用奥氏体不锈 钢 如材料牌号为 0Cr18Ni9