鉸鏈波紋管補(bǔ)償器在架空供熱管道的應(yīng)用

摘 要

摘要：探討了典型布置形式下鉸鏈波紋管補(bǔ)償器角位移、固定支座受力的計(jì)算。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)采用鉸鏈波紋管補(bǔ)償器供熱管道上的固定支座進(jìn)行了受力計(jì)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(bǔ)償器角位移、固定支座受力的計(jì)算。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)采用鉸鏈波紋管補(bǔ)償器供熱管道上的固定支座進(jìn)行了受力計(jì)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(bǔ)償器適用于架空敷設(shè)管道，經(jīng)濟(jì)性、安全性良好。
關(guān)鍵詞：波紋管補(bǔ)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(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、無(wú)結(jié)構(gòu)性滲漏、不需維護(hù)保養(yǎng)、介質(zhì)流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在電力、冶金、化工、城市熱網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用[1]。波紋管補(bǔ)償器種類(lèi)較多，可分為約束型和無(wú)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(wú)約束型主要有普通軸向型、內(nèi)外壓軸向型、復(fù)式軸向型等。兩者的區(qū)別在于，約束型波紋管補(bǔ)償
器的介質(zhì)內(nèi)壓推力(盲板力)。由補(bǔ)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(jià)。
    鉸鏈波紋管補(bǔ)償器分為平面鉸鏈型和萬(wàn)向鉸鏈型，主要應(yīng)用于架空、管溝或局部架空敷設(shè)管道，須2個(gè)或3個(gè)成組使用。平面鉸鏈波紋管補(bǔ)償器吸收平面管系中1個(gè)或2個(gè)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(jià)，降低了設(shè)計(jì)、施工的難度。萬(wàn)向型鉸鏈波紋管補(bǔ)償器不但具有平面鉸鏈波紋管補(bǔ)償器的優(yōu)越性，而且更適用于三維空間管系。本文對(duì)鉸鏈波紋管補(bǔ)償器在架空供熱管道中的應(yīng)用進(jìn)行探討。
1 相關(guān)計(jì)算
    鉸鏈波紋管補(bǔ)償器主要應(yīng)用于架空、管溝、局部架空敷設(shè)的管道中，任何復(fù)雜的管線(xiàn)，都可以通過(guò)固定支座分割成若干簡(jiǎn)單形狀的管段[2]。這里主要研究鉸鏈波紋管補(bǔ)償器在典型管系中的相關(guān)計(jì)算。
    ① 典型管系中角位移的計(jì)算
    鉸鏈波紋管補(bǔ)償器吸收管道熱位移后，通過(guò)2個(gè)或3個(gè)補(bǔ)償器組成的補(bǔ)償系統(tǒng)角度的變化補(bǔ)償管段的熱位移。運(yùn)用理論力學(xué)對(duì)鉸鏈波紋管補(bǔ)償器變形簡(jiǎn)化模型進(jìn)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(jì)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(bǔ)償器編號(hào)；L0、L01、L02、L1、L2、L3、L4為對(duì)應(yīng)管段長(zhǎng)度，單位為m；△L0、△L01、△L02為長(zhǎng)度為L(zhǎng)0、L01、L02管段的熱位移，單位為m。熱位移計(jì)算式為：
    △L=αL(t1-t0)    (1)
式中△L——管段的熱位移，m
    α——材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，K-1
    L——管段長(zhǎng)度，m
    t1——管道的最高工作溫度，℃
    t0——管道的計(jì)算安裝溫度，℃
   a. 典型管系1
   典型管系1的管道布置形式見(jiàn)圖1。
 

   角位移的計(jì)算式為：
   
式中θ1、θ2——鉸鏈波紋管補(bǔ)償器S1、S2對(duì)應(yīng)的角位移，(°)
   b. 典型管系2
   典型管系2的管道布置形式見(jiàn)圖2。
 

角位移的計(jì)算式為：
 
式中θ3——鉸鏈波紋管補(bǔ)償器S3對(duì)應(yīng)的角位移，(°)
   c. 典型管系3
典型管系3的管道布置形式見(jiàn)圖3。
 

角位移的計(jì)算式為：
   
d. 典型管系4
典型管系4的管道布置形式見(jiàn)圖4。
 

角位移的計(jì)算式為：
    
e. 典型管系5
典型管系5的管道布置形式見(jiàn)圖5。
 

角位移的計(jì)算式為：
 
f. 典型管系6
典型管系6的管道布置形式見(jiàn)圖6。
 

角位移的計(jì)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(bǔ)償器具有較高強(qiáng)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(shè)計(jì)以及固定支座的設(shè)計(jì)與施工。6種典型管系中固定支座的受力分析見(jiàn)圖1～6，F(xiàn)1、F2為鉸鏈波紋管補(bǔ)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(bǔ)償器工作時(shí)作用在固定支座上力的計(jì)算如下。
    a. 典型管系1
   
式中K2、K1——鉸鏈波紋管補(bǔ)償器S2、S1對(duì)應(yīng)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(bǔ)償器S3對(duì)應(yīng)的角向剛度，N·m/(°)
2 工程實(shí)例分析
    本工程為某電廠廠區(qū)內(nèi)汽輪機(jī)房至用戶(hù)分汽缸之間的蒸汽管道，管道規(guī)格為D 529×10，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為300℃。由于該廠區(qū)地下管線(xiàn)較多，無(wú)法采用直埋敷設(shè)，因此考慮采用架空敷設(shè)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(lèi)型管道，管道支架受力復(fù)雜。為減少新增管道對(duì)管道支架受力的影響，保證運(yùn)行的安全可靠，決定選用鉸鏈波紋管補(bǔ)償器。管道布置形式見(jiàn)圖7。
 

    根據(jù)管道熱位移，計(jì)算鉸鏈波紋管補(bǔ)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(bǔ)償器選型：S1、S2、S4、S5、S6補(bǔ)償器總長(zhǎng)度均為870mm，角向剛度均為1891N·m/(°)；S3總長(zhǎng)度為1026mm，角向剛度為757N·m/(°)。
   作用在導(dǎo)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(bǔ)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(bǔ)償器S4、S5、s6作用在固定支座GZ5、GZ6的力：F’GZ5=384N，F(xiàn)GZ6=2682N。計(jì)算表明，新增管道對(duì)管道支架及固定支座影響很小。
3 結(jié)論
   鉸鏈波紋管補(bǔ)償器的優(yōu)勢(shì)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(guò)程中由波紋管剛度產(chǎn)生的彈性反力，安裝過(guò)程中若采取冷緊或偏裝，其彈性反力更小。特別適應(yīng)于架空或局部架空的管道系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)中應(yīng)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(bǔ)償器，提高供熱管道的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 賀平，孫剛.供熱工程(第3版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.
[2] 龔瓏，周文軍.萬(wàn)能型和鉸鏈型波紋補(bǔ)償器在熱力管網(wǎng)中應(yīng)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(shè)計(jì)研究院 山東濟(jì)南 250013)