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高溫管道中波紋管膨脹節的分類及應用

2018-05-08  來自: 新鄉市育才封頭制造有限公司 瀏覽次數:268

當管道輸送介質或管道所處環境有溫度變化時,管道由溫度引起的熱脹冷縮是不可避免的,如果不采取一定的方式補償該尺寸變化,將會在管壁內產生很高的應力,通過管道傳至固定管架或設備,當溫差過某一范圍時,溫差應力大于管子可承受的應力范圍,這時就必須考慮補償問題。

在管系補償設計中,最為經濟的是自然補償,自然補償是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性來補償熱位移,顯然自然補償的能力是有限的,當自然補償不能要求時,通常應考慮設置膨脹節。管系所受載荷主要是外力載荷(管道及流動介質自重,內壓,風載,地震荷載等)和位移載荷,設置管架的目的在于消除外載作用在設備或管道上的作用力,且可把復雜管系分隔成形狀比較簡單,獨立膨脹的管段,保證膨脹節的最佳使用效果。

設置膨脹節的目的,在于吸收管道自身無法吸收的熱變形,最大限度地減小位移載荷。本文根據不同類型膨脹節的使用特點,給出了幾種典型管系的補償設計方案,結合實際,對三鉸鏈型膨脹節(括萬向鉸鏈型)所組成的系統,復式拉桿型膨脹節,彎管壓力平衡型膨脹節在工作中對管架或設備的作用力和力矩進行了分析計算,討論了膨脹節中波紋管的腐蝕問題。

1 膨脹節的類型及典型管段的補償設計主要分為以下幾種類型:

1.1 單式軸向型膨脹節

由一個波紋管和兩個可與相鄰管道、設備相接的端管(或法蘭)等組成的撓性裝置,主要用于補償直管段軸向位移,另外也可以吸收少量的橫向位移,圖1 是采用軸向型膨脹節設置實例。

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在存在橫向位移或存在軸向與橫向組合位移的場合,使用單式膨脹節所受到的限制主要是膨脹節吸收橫向位移的能力有限。另外在工作壓力,溫度較高,直徑較大或無法在結構物上安設主固定支架或多個導向支架的場合,使用軸向型膨脹節可能行不通。

1.2 復式拉桿型膨脹節

由中間接管連接的兩個波紋管及拉桿、端板等組成的撓性裝置,以橫向位移方式補償平面或立體彎曲管段的熱位移,拉桿裝置應能承受壓力推力及其附加外力的作用。復式拉桿型膨脹節特別適合吸收橫向位移,此外,這種設計形式也可用于吸收軸向位移,角位移以及任意由這三種形式合成的位移,一般用法是將這種帶連桿的膨脹節設置在呈90°的“Z”形管系的中間管臂內,調整連桿以阻止外部的軸向位移,圖2、3 是兩個應用實例。

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圖2 表示,復式連桿型膨脹節吸收單平面“Z”形彎管的橫向位移,中間管臂連桿以內的熱位移用膨脹節的軸向位移來吸收,水平管線的熱位移由膨脹節的橫向位移來吸收。由于壓力推力是由連桿來承受的,所以兩端均使用中間固定支架,由于作用于管線上的軸向力,是膨脹節產生的變形反力,因此只需使用導向支架。中間管臂上位于連桿以外的部分,如兩端彎管的熱膨脹必須由水平管道的彎曲來吸收。

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圖3 是在空間“Z” 彎管中使用帶連桿的萬能式膨脹節的典型實例。由于萬能式膨脹節可以吸收任何方向的橫向位移,所以兩個水平管臂可以在水平面上處于任意方位。

1.3 彎管壓力平衡型膨脹節

由兩個或一個工作波紋管和一個平衡波紋管以及端管,端板、彎頭、封頭、拉桿等組成的撓性裝置,用于補償管段的軸向位移,橫向位移或二者的合成位移,且不使固定管架或相連設備承受壓力推動的作用,拉桿裝置承受壓力推力和其它附加外力的作用。彎管壓力平衡式膨脹節的主要優點,是它在吸收來自外部的軸向位移時,不會使系統受到內壓推力的作用。由波紋管整體剛度造成的力并未消除,實際上這個力一般要超過單式膨脹節位移引起的彈力。因為工作波紋管和平衡波紋管都要受到壓縮或拉伸,作用在管道或設備上的力是兩者的軸向合力。

1.3.1 圖4 是存在軸向與橫向組合位移的時使用彎管壓力平衡式膨脹節的典型實例,在管道的端部和汽輪機上的支架均為中間固定支架,并且只需要使用導向支架,采用合理的設計可以使汽輪機上方的導向支架承受使膨脹節產生軸向位移的作用力,避免該力作用到汽輪機上,作用在汽輪機上的只有使膨脹節產生橫向位移的作用力

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1.3.2 圖5 所示為一種常見的非常適于使用彎管壓力平衡型膨脹節的場合。在工藝操作中,容器和豎向管道的膨脹量可能不同,按圖示安裝一壓力平衡式膨脹節,豎直方向的位移差可以由膨脹節的軸向位移吸收,容器中心線到管線之間的熱膨脹可由膨脹節的橫向位移吸收。

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1.4 鉸鏈型膨脹節

由一個波紋管、兩組與端管相連的鉸鏈板及一對銷軸等組成的撓性裝置,鉸鏈式膨脹節一般以兩、三個作為一組使用,用于吸收單平面管系中一個或多個方向的橫向位移。在這種系統中每一個膨脹節被它的鉸鏈板所制約,產生純角位移,然而,被管段分開的每對鉸鏈型膨脹節互相配合可吸收橫向位移。給定單個膨脹節的角位移,每對鉸鏈式膨脹節所能吸收的橫向位移與其鉸鏈銷軸之間的距離成正比,因此,為了便膨脹節充分發揮應用,應盡量加大這一距離。膨脹節的鉸鏈板通常用于承受作用于膨脹節上的全部壓力推力,另外也可以用來承受管道和設備的重量、風載等。

1.4.1 圖6 是用雙鉸鏈系統吸收單平面“Z”形彎管的主要熱膨脹,由于壓力推力是由膨脹節上的鉸鏈板來承受的,只需在管系的兩端設置中間固定支架,由于膨脹節受鉸鏈制約只能產生純角位移,不能伸縮,包含有膨脹節的中間管臂的熱膨脹必須由與它相垂直的管臂發生彎曲來吸收,兩個長管臂的彎曲撓度由正確設計的導向支架和支架來控制。

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如果單平面“Z”形管系的中間管臂較長過,可采用三個鉸鏈型膨脹節的系統。

1.4.2 圖7 表示在單平面彎管中的三鉸鏈型膨脹節系統,豎直管段的熱膨脹將由B 和C 兩個膨脹節的動作來吸收,水平管段的熱膨脹由A 和B 兩個膨脹節來吸收,很明顯,膨脹節B 的角位移是A 和C 之和。

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1.4.3 圖8 是彎管角度不等于90°時,使用鉸鏈式膨脹節的示例。鉸鏈型膨脹節的主要優點是它的尺寸緊湊,便于安裝,而且可以使它的鉸鏈板具有很大的剛度和強度,使用它們通常可以對構形不規則的復雜管線的熱膨脹進行補償,在這樣的管線上使用別種膨脹節往往行不通,由于鉸鏈結構能夠傳遞載荷,鉸鏈型膨脹節的管系施加到固定支架的作用力很小,這種系統的支撐點可設在不妨礙系統活動的任何位置上,這給系統的設計帶來了很大的自由。

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和前面的示例一樣,在管系兩端只用中間固定支架來固定,本例中所有的熱變形全部被膨脹節所吸收,因管道的熱變形作用于固定支架的載荷非常小,如果左側的固定支架與第一個鉸鏈型膨脹節的間距較大,在靠近膨脹節處應設置導向支架,該支架為以承受膨脹節轉動的力,從而減少膨脹節C 至左側固定支架之間部分管道的彎曲,為了保持管系位于平面內,并消除可能由外載所產生的作用于鉸鏈的彎曲力,可以增設一個或多個導向支架,管系的支撐可以采取多種方式,對膨脹節之間的管道進行支撐而不妨礙其自由移動時,可采取彈簧支吊架。

1.5 萬向鉸鏈型膨脹節

由一個波紋管,萬向鉸鏈環及兩對與萬向鉸鏈環和端管相連的鉸鏈板等組成的撓性裝置。通常以兩個萬向鉸鏈型或以兩個萬向鉸鏈型與一個單式鉸鏈型膨脹節一起配套使用,如圖9,兩個萬向鉸鏈型膨脹節協同動作吸收上、下兩個水平管臂的組合位移,鉸鏈型膨脹節則與上部的萬向鉸鏈型膨脹節互相配合吸收豎直管臂的位移。用萬向鉸鏈型膨脹節構成的系統與上節提到的用鉸鏈型膨脹節構成的系統是有類似的優點,但萬向鉸鏈型膨脹節的應用具有更大的靈活性,它不限于單平面系統。

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2 CAESARII對膨脹節進行模擬分析

以常見的復式拉桿膨脹節建模分析為例,該管道為高溫抽汽管道,設計溫度為269℃,設計壓力0.5Mpa,材質為碳鋼。管道模型如圖10所示,

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在節點10設備對管道有15mm垂直向下的附加位移,現對該管道進行一次應力和二次應力校核,由應力分析結果可得出,一次應力計算通過,節點80處二次應力是許用應力的1.36倍,嚴重超出管道材質許用應力,管道系統存在風險。

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管道相關節點受力情況

在該管線中,由各節點受力情況可以看出,節點10、80、140處支撐受力均過大;一次應力在需用應力范圍內,由管道系統設計條件可以得出,二次應力主要是由溫度引起的熱脹產生的,熱脹引起管道變形,變形受到支架約束從而產生熱應力;處因此要降低管道二次應力必須通過可行的設計方案來吸收管道熱脹產生的位移,從而減小熱應力。現在設備出口豎直管道上添加復式拉桿膨脹節,添加后的模型如圖13,具體建模過程在此不贅述,考慮到設備對管道有豎直向下的附加位移,整個管道系統只有節點10-50有豎直方向的管道走向,因此膨脹節加在豎直管道上。重新對管道進行應力計算校核,由于未加膨脹節前一次應力未超出許用應力,在此只校核二次應力即可。計算結果如圖13

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由以上二次應力結算結果和各節點作用力情況可看出,管道添加膨脹節后,二次應力大幅度降低,最大應力只有許用應力的18.2,而且各節點作用力也大幅度降低,由此可見,膨脹節可以有效的吸收管道中的熱脹,從而大幅度降低管道熱應力。

關鍵詞: 半球封頭           

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