蒸汽供热管道中波纹管补偿器的设计计算

蒸汽供热管道中波纹管补偿器的设计计算蒸汽供热管道中波纹管补偿器的设计计算 摘要 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 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 1 常用的波纹管补偿器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 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 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 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 2 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 2 典型管段中波纹管补偿器的计算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 选用波纹管补偿器额定补偿量时 考虑 20 的热伸长余量 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 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 3 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 Fl LAB 3 Ffix 3 Fex ax Fth F1 LBC 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 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 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 C1 C2 C3 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 com 单位为 计算所得的工 作角位移应小于等于 0 8 com 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 4 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 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 5 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 8 com 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 N mm 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 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 8 com 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 7 Khin C3 铰链型波纹管补偿器 C3 的弯曲刚度 N mm 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 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 8 固定支座 2 受轴向力计算式为 Ffix ax 2 LCDKrob L 20 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 8 com 固定支座 1 2 受轴向力计算式为 9 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 10 式中 u C1 u 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 8 com 固定支座 1 2 受轴向力的计算式为式 22 23 3 3 波纹管补偿器的选用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 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 根据波纹管补偿器的应用形式选择波纹管补偿器类型 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 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 参考文献 1 吕国良 王淮 邵荣 等 供热管网补偿方式的选择