鉸鏈波紋管補償器在架空供熱管道的應用

摘 要

摘要：探討了典型布置形式下鉸鏈波紋管補償器角位移、固定支座受力的計算。結(jié)合工程實例，對采用鉸鏈波紋管補償器供熱管道上的固定支座進行了受力計算。固定支座不承受盲板力，僅
摘要：探討了典型布置形式下鉸鏈波紋管補償器角位移、固定支座受力的計算。結(jié)合工程實例，對采用鉸鏈波紋管補償器供熱管道上的固定支座進行了受力計算。固定支座不承受盲板力，僅承受波紋管變形產(chǎn)生的彈性反力，鉸鏈波紋管補償器適用于架空敷設管道，經(jīng)濟性、安全性良好。
關(guān)鍵詞：波紋管補償器；盲板力；角位移；供熱管道
Application of Hinged Bellows Type Expansion Joints to Overhead Heat-supply Pipeline
SU Hong-xiang，ZHANG Jing-ting，ZHANG Yan-jie
Abstract：The calculation of angle displacement of hinged bellows type expansion joints in typically installed pipeline and the fixed support stress is discussed. The stress calculation of fixed supports on heat-supply pipeline using hinged bellows type expansion joints is performed with an engineering example. Not receiving the blind plate force，the fixed supports only receive the elastic force due to the deformation of bellows type expansion joint. The hinged bellows type expansion joints are suitable for overhead heat-supply pipeline and have good economic efficiency and safety.
Key words：bellows type expansion joint；blind plate force；angle displacement；heat-supply pipeline
    波紋管補償器具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、無結(jié)構(gòu)性滲漏、不需維護保養(yǎng)、介質(zhì)流動阻力小等優(yōu)點，近年來在電力、冶金、化工、城市熱網(wǎng)中被廣泛應用[1]。波紋管補償器種類較多，可分為約束型和無約束型：約束型主要有壓力平衡型、大拉桿橫向型、鉸鏈型等，無約束型主要有普通軸向型、內(nèi)外壓軸向型、復式軸向型等。兩者的區(qū)別在于，約束型波紋管補償
器的介質(zhì)內(nèi)壓推力(盲板力)。由補償器自身構(gòu)件承受，不作用在管道支座上，友座受力較小，節(jié)省了工程造價。
    鉸鏈波紋管補償器分為平面鉸鏈型和萬向鉸鏈型，主要應用于架空、管溝或局部架空敷設管道，須2個或3個成組使用。平面鉸鏈波紋管補償器吸收平面管系中1個或2個方向的橫向位移，由于鉸鏈承受介質(zhì)內(nèi)壓推力，極大降低了固定支座的受力，節(jié)省了工程造價，降低了設計、施工的難度。萬向型鉸鏈波紋管補償器不但具有平面鉸鏈波紋管補償器的優(yōu)越性，而且更適用于三維空間管系。本文對鉸鏈波紋管補償器在架空供熱管道中的應用進行探討。
1 相關(guān)計算
    鉸鏈波紋管補償器主要應用于架空、管溝、局部架空敷設的管道中，任何復雜的管線，都可以通過固定支座分割成若干簡單形狀的管段[2]。這里主要研究鉸鏈波紋管補償器在典型管系中的相關(guān)計算。
    ① 典型管系中角位移的計算
    鉸鏈波紋管補償器吸收管道熱位移后，通過2個或3個補償器組成的補償系統(tǒng)角度的變化補償管段的熱位移。運用理論力學對鉸鏈波紋管補償器變形簡化模型進行分析，得到幾種典型布置形式及吸收熱位移后的角位移計算式。在各典型管系的管道布置形式中：S1～S3為鉸鏈波紋管補償器編號；L0、L01、L02、L1、L2、L3、L4為對應管段長度，單位為m；△L0、△L01、△L02為長度為L0、L01、L02管段的熱位移，單位為m。熱位移計算式為：
    △L=αL(t1-t0)    (1)
式中△L——管段的熱位移，m
    α——材料的線膨脹系數(shù)，K-1
    L——管段長度，m
    t1——管道的最高工作溫度，℃
    t0——管道的計算安裝溫度，℃
   a. 典型管系1
   典型管系1的管道布置形式見圖1。
 

   角位移的計算式為：
   
式中θ1、θ2——鉸鏈波紋管補償器S1、S2對應的角位移，(°)
   b. 典型管系2
   典型管系2的管道布置形式見圖2。
 

角位移的計算式為：
 
式中θ3——鉸鏈波紋管補償器S3對應的角位移，(°)
   c. 典型管系3
典型管系3的管道布置形式見圖3。
 

角位移的計算式為：
   
d. 典型管系4
典型管系4的管道布置形式見圖4。
 

角位移的計算式為：
    
e. 典型管系5
典型管系5的管道布置形式見圖5。
 

角位移的計算式為：
 
f. 典型管系6
典型管系6的管道布置形式見圖6。
 

角位移的計算式為：
 
式中β——圖6所示彎管處夾角，(°)
    ② 作用在固定支座上的力
    鉸鏈波紋管補償器具有較高強度，可以傳遞荷載，并由于自身構(gòu)件承受管道介質(zhì)的內(nèi)壓推力(盲板力)，作用在固定支座上的力很小，方便了管道系統(tǒng)的設計以及固定支座的設計與施工。6種典型管系中固定支座的受力分析見圖1～6，F(xiàn)1、F2為鉸鏈波紋管補償器作用在固定支座上的力，單位為N。6種典型管系中鉸鏈波紋管補償器工作時作用在固定支座上力的計算如下。
    a. 典型管系1
   
式中K2、K1——鉸鏈波紋管補償器S2、S1對應的角向剛度，N·m/(°)
    b. 典型管系2
    
c. 典型管系3
 
d. 典型管系4
 
e.典型管系5
 
f. 典型管系6
   
式中K3——鉸鏈波紋管補償器S3對應的角向剛度，N·m/(°)
2 工程實例分析
    本工程為某電廠廠區(qū)內(nèi)汽輪機房至用戶分汽缸之間的蒸汽管道，管道規(guī)格為D 529×10，設計壓力為1.6MPa，設計溫度為300℃。由于該廠區(qū)地下管線較多，無法采用直埋敷設，因此考慮采用架空敷設方式，但受空間限制，只能充分利用廠區(qū)現(xiàn)有綜合管道支架。由于現(xiàn)有綜合管道支架上有多種類型管道，管道支架受力復雜。為減少新增管道對管道支架受力的影響，保證運行的安全可靠，決定選用鉸鏈波紋管補償器。管道布置形式見圖7。
 

    根據(jù)管道熱位移，計算鉸鏈波紋管補償器S1、S2、S3、S4、S5、S6的角位移分別為：θ1=θ2=3.64°，θ3=7.28°，θ4=4.22°，θ5=0.63°，θ6=4.85°。鉸鏈波紋管補償器選型：S1、S2、S4、S5、S6補償器總長度均為870mm，角向剛度均為1891N·m/(°)；S3總長度為1026mm，角向剛度為757N·m/(°)。
   作用在導向支架HZ34、HZ35、HZ41上的彎矩：M34=M35=6883N·m，M41=119 N·m。HZ34、HZ35、HZ41受力(豎直向下)：F34=F35=6883N，F(xiàn)41=265N。鉸鏈波紋管補償器S1、S2、S3作用在固定支座GZ4、GZ5的力：FGZ4=1198N，F(xiàn)GZ5=1198N。鉸鏈波紋管補償器S4、S5、s6作用在固定支座GZ5、GZ6的力：F’GZ5=384N，F(xiàn)GZ6=2682N。計算表明，新增管道對管道支架及固定支座影響很小。
3 結(jié)論
   鉸鏈波紋管補償器的優(yōu)勢在于固定支座不承受管內(nèi)介質(zhì)壓力產(chǎn)生的內(nèi)推力(盲板力)，僅承受波紋管變形過程中由波紋管剛度產(chǎn)生的彈性反力，安裝過程中若采取冷緊或偏裝，其彈性反力更小。特別適應于架空或局部架空的管道系統(tǒng)中，設計中應充分利用管道路由形成的典型管段，選擇合適材質(zhì)、質(zhì)量可靠的鉸鏈波紋管補償器，提高供熱管道的經(jīng)濟、安全和可靠性。
參考文獻：
[1] 賀平，孫剛.供熱工程(第3版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.
[2] 龔瓏，周文軍.萬能型和鉸鏈型波紋補償器在熱力管網(wǎng)中應用的研究[J].浙江化工，2006，(1)：25-27.
 
(本文作者：蘇紅鄉(xiāng) 張敬亭 張延杰 山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院 山東濟南 250013)