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管道补偿器的使用说明


浅谈管道补偿器的使用说明
由于工作介质及环境温度的变化导致管道长度发生变化,并产生 拉(压)应力,当超过管道本身的抗拉强度时,会使管道变形或破坏。为此,在 管道局部架空地段应设置补偿器,即膨胀节。使由温度变化而引起管道长度的伸 缩加以调节得到补偿 一、波纹膨胀节的形式 波纹管配备相应的构件,形成具有各种不同补偿功能的波纹膨胀节。按补偿形 式分为轴向型、横向型、角向型及压

力平衡型。 轴向型 普通轴向型、抗弯型、外压型、直埋型、直管力平衡型、一次性直埋型。 横向型 单向横向型、万向铰链横向型、大拉杆横向型、小拉杆横向型。 角向型 单向角向型、万向角向型。 以上是基本分类,每类都具备共同的功能。在一些特定情况还可以有特殊 功能,如耐腐蚀型、耐高温型。按特定场合的不同,分为催化裂化装置用、 高炉烟道用。按用于不同介质分为:热风用、烟气用、蒸汽用等。 二、波纹膨胀节的结构 1.轴向型波纹膨胀节 普通抽向型 是最基本的轴向膨胀节结构。 其中支撑螺母和预拉杆的作用是支撑膨胀 节达到最大额定拉伸长度和到现场安装时调整安装长度(冷紧)。如果 补偿量较大,可用两节,甚至三节波纹管。使用多节时,要增加抗失稳 的导向限位杆。 抗弯型 增加了外抗弯套筒,使整体具有抗弯能力。这样可以不受支座的设置必 须受 4D、14D 的约束,支架的设置可以将这段按刚性管道考虑。 外压型

这种结构使波纹管外部受压,内部通大气。外壳必须是密闭的容器,它 的特点是: 1)波纹管受外压不发生柱失稳,可以用多波,实现大补偿量。 2)波纹内不含杂污物及水,停汽时冷凝水不存波纹内可从排污阀排掉, 不怕冷冻。 3)结构稍改进也具有抗弯能力。 直埋型 它的外壳起到井的作用, 把膨胀节保护起来. 密封结构防止土及水进入。 实际产品分防土型和防土防水型。 对膨胀节的特殊要求是必须与管道同 寿命。 一次性直理型 它的使用是装在管线上后整个管线加热升温到管线的设计温度范围的 中间温度,管线伸长,波纹管被压缩,两个套筒滑动靠近,然后把它们 焊死,再由检压孔打压检验焊缝不漏即可。它的特点是: 1)焊死后波纹管再不起作用,它的寿命一次就够。 2)波纹管的设计压力按施工加热的压力设计。材质用普通碳钢。 2.横向型波纹膨胀节 单向横向型 它只能在垂直于铰链轴的平面内弯曲变形。 万向横向型 它可以对不在一个平面内的空间管道进行各方向的补偿变形。 大拉杆横向型 它属于万向横向型,除了可以承受较大的横向变形,还能吸收中间长接 管的热变形。如果不需要用拉杆平衡内压的推力,它还可以补偿来自管 线的轴向变形,即所谓“万能膨胀节”。由干弯曲和轴向变形同时发生 且轴向变形由两个波纹管均担, 则要求它们的变形量要在膨胀节结构上 给以限位,以便均匀分配各波纹管的变形量,使其各自的变形量都小超 过额定值。 小拉杆横向型

在需要由拉杆平衡内压推力时,它可以进行横向和自身热变形补偿。如 不需拉杆平衡内压推力,它可以承受轴向补偿,这也是万能膨胀节的一 种。横向膨胀节具有下列优点:① 能进行大位移补偿。② 内压引起的 轴向力由自身的拉杆及铰链平衡,使它的支架成为次固定支架,降低支 架的造价。③ 拉杆横向式还具有吸收轴向变形的能力,在变形较复杂 的管线上可以发挥它的作用。④ 它更大的优点是由子在结构上受拉杆 及铰链的保护,对管道的安装误差甚至事故不像轴向膨胀节那样敏感, 有时即使有管道事故也不致损坏膨胀节。 在管系设计中如果可能尽量用 横向型膨胀节。 3.角向型波纹膨胀节 单向角向型 它只能弯曲变形,形成角位移。内压推力由铰链承受。 万向角向型 万向角向型波纹膨胀节特点是采用万向铰链, 可以在过轴线的任何平面 内弯曲。角向型一般由两个或三个组合使用补偿线位移。 4.力平衡型波纹膨胀节 波纹膨胀节内压推力比较大,易对相连的设备产生不良影响。力平衡型膨胀 节通过自身结构使内压引起的推力保持平衡.而不作用或很少作用于相连的 设备,且能保持本身的轴向补偿功能。 直管力平衡型 它由两个工作波纹管,一个平衡波纹管及端板、平衡拉杆组成。其中的 关键是平衡波纹管的有效面积必须是工作波纹管有效面积的两倍, 这样 工作波纹管内压引起的向外侧的轴向推力通过平衡拉杆被平衡波纹管 因内压引起的相反方向的推力所抵消,而无轴向推力输出,管道或设备 不再受力在正常的补偿过程中,它自身的力平衡关系不变。 弯管力平衡型 这是用于管道转弯处进行轴向、横向或两者组合补偿。由工作波纹管和 平衡波纹管及平衡拉杆、弯头组成。平衡波纹管的有效面积必须与工作

波纹管的有效面积相等,则内压引起的轴向推力正好方向相反,大小相 等。通过拉杆相抵消。横向位移校大时可用两个工作波纹管,如横向位 移和轴向位移都比较小,可用一个工作波纹管。 注:以上膨胀节类型均参照石家庄巨力科技有限公司样本。 三、 由于温度变化引起钢管的伸缩量计算
?L = C?TL

?L ? 伸缩量(mm) C ? 线膨胀系数(钢: 0.12 × 10 ?4o C ?1 )

L ? 管道长度(mm) ?T ? 温度( o C )

?T = T2 ? T1

T1 —变化前温度

T2 —变化后温度

由上式可以得出:每米钢管温差 1o C 时,伸缩量为 0.012mm,即若升高
100 o C ,则伸长 1.2mm。

四、

由于温度变化引起钢管的伸缩应力计算
P —应力(帕) E —弹性模量(钢: 2.06 × 1011 帕) ?T —温度( o C ) C —线膨胀系数( o C ?1 )

P = E?TC

P = E?TC = 2.06 × 1011 帕 × 0.12 × 10 ?4o C = 2.47 MPa = 24.7 Kg ? f / cm 2

由上式可得出:每 1o C 温差应力值为 2.47 兆帕,即 24.7 Kg ? f / cm 2 例:Dg1000 毫米管道,厚 6 毫米 则:承受力 F = P

π

2 2 ( D外 ? D内) 24.7 × ( .2 2 ? 100 2) = 101 =4683 Kg ? f 4 4

π

即:当温差 1o C 时承受 4683 Kg ? f 的拉(压)应力。 五、 膨胀节预变位安装的计算:

安装前,对于补偿量大的膨胀节可进行预变行安装,这样可以增加膨胀节的疲

劳寿命、减少膨胀节的弹性反力,从而减少膨胀节对固定支架的推力。对于补偿 量小的膨胀节,一般不进行预变行。用于吸收震动的膨胀节,不要进行预变形。 预拉量 ?X 按下式计算:
? 1 (T ? Td ) ? ?X = X ? ? a ? ? 2 (Tg ? Td )? ? ?

式中: X —补偿器的补偿量,mm Ta —管道安装温度, o C
Td —管道最低温度, o C

Tg —管道运行时的最高温度, o C

对于高温管道( Tg > Ta ) ,预拉量为正,应将补偿器预拉伸;对于低温管道 ( Tg < Ta ) ,预拉量为负,应将补偿器预压缩。热力管道属于前者。当 Ta = Td 时,
1 X ,所以一般资料介绍,预拉量可以取补偿量的一半,但是这一结论的 2 1 前提是管道的安装温度与最低温度近似相等。当 Tg > Ta 时, ?X< X ;当 Tg < 2 1 Ta 时, ?X> X 。 2 ?X = 在分析管道轴向力的同时, 还应注意到管道的横向推力, 由于在安装管道时, 管线的布置不可能绝对平直,因此受热后不仅轴向移动,还会造成径向位移。如 果导向支架不能承受所加的横向载荷或导向滑板侧形状不规则、表面粗造等,其 摩擦阻力随横向推力的增大而增大,所以对平衡式波纹管补偿器进行设计时,对 导向问题也进行了专门的设计,以保证其横向摩擦力最小,能最大限度地保证管 道的安全运行。 当管道输送常温介质时: 安装前应在施工现场将波纹管补偿器预先压缩或拉伸到“零点温度” (施工 地区年平均温度)时的长度再进行安装,此方法称预拉伸。 预拉伸的长度可通过下式求得:
?L = ?tLC ?L ─拉伸或压缩的长度(mm) ?t ─温度( o C )

L─补偿器的长度(mm) C─管壁线膨胀系数(
o

1 ) C

?t = t 2 ? t1
式中: t1 ─零点温度,即施工地区的年平均那温度

t 2 ─安装时现场温度
当 t 2>t1 时, ?t 为正数,需要将补偿器波纹管进行压缩。 当 t 2<t1 时, ?t 为负数,需要将补偿器波纹管拉伸。 例:设计极端最高温度 42.5 o C ,极端最低温度-19.7 o C 全年平均温度: t 平 =
42.5 ? 19.7 = 11.4 o C 2

例如 1:夏天,安装温度为 30 o C 时, t 2 管道长度为 50 米时,L 管壁线膨胀 系数: ?L = ?tLC = 30 ? 11.4) 50 × 10 3 × 0.12 × 10 ?4 ( ×
=11.16(mm) 为正数,需将波纹管补偿器压缩 11.16 毫米。 例如 2:冬天,安装温度为 0 o C 时, t 2 管道长度为 50 米时,L 管壁线膨胀系 数: ?L = ?tLC = 0 ? 11.4) 50 × 10 3 × 0.12 × 10 ?4 ( × =-6.84(mm) 为负数,需将波纹管补偿器拉伸 6.84 毫米。 六 限位螺栓的设置 补偿器在运行过程中,由于存在内压推力和弹性反力,会对补偿器两端的固 定支座或其它设备产生巨大的推力,如不设法抵消这种力,就必将造成管线、支 座或其它设备结构的破坏。限位螺栓就是为了克服这种力而设置的。限位螺栓一 般四组,两端国定在端板上,由大拉杆、螺母及球面垫圈组成,其计算见 GB/T12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中的规定。 波纹管两端的固定支架或设备所受水平推力公式:

F = Fe + FB

式中 Fe = P × Ar = P ×

2 πDm

4

Dm 波纹管平均直径

FB = K X × ?X

K X 波纹管的轴向刚度 ?X 补偿器的轴向位移

可以看出,补偿器对两端的推力是由 Fe (盲板力)和 FB (补偿器的弹性反力) 组成的,由于设置了限位螺栓,所以,补偿器对两端的推力只有 FB 。 例:有一工程的冷冻水管为 DN450 的螺纹钢管,为了抵消冷冻水管内温差而产 生的变形,就在管道上设置了金属波纹管膨胀节。 该膨胀节对支架的推力如下:根据该膨胀节的刚度 K 为 459N/mm,膨胀节 的位移为 25mm,冷冻水管的试验压力 P 为 1.6 Mpa,而其有效压面积 A 为 2075 cm 2 。 故: Fe + FB = 1.6 × 10 6 × 2075 × 10 4 + 459 × 25 = 34347.5 Kg=34.34 吨 拉杆计算:根据 GB/T12777-2008 的规定:
A= Fe 1.6 × 2075 × 100 = = 954 mm 2 nσ 4 × 87

则拉杆的直径 Φ = 34mm ,取安全系数 1.2, Φ = 40mm 所以此膨胀节对支架的推力为: FB = 459 × 25 = 12375 N 综上所述,金属波纹管膨胀节是一个即脆弱又重要的环节,在实际施工过 程中,我们按照以上的正确方法预拉(压)后进行安装,通过有关力学计算,按 照实际的需要是否设置大拉杆型及其它约束型膨胀节,使整个管线长期、稳定、 安全的工作。可参照石家庄巨力科技有限公司产品样本。 七 一般安装要求
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,包括产品外观检查,特别是波纹管表面有无运输及吊运中造成的机械损伤。
2、当设计不要求进行预变位安装时,则在整个安装期间不要松动定位螺母或

拆除运输拉杆或“过桥” ,当膨胀节和各类管架都装设完毕检查合格后,压力试 验前,必须立即将大拉杆上内侧定位螺母拧至螺纹根部,立即拆除专用运输螺杆 或“过桥” 。注意,不要松动大拉杆外侧螺母。

3、安装方向:装有导流筒的膨胀节上附设有介质流向标牌,与介质流向一致, 防止倒坡向,冲蚀及腐蚀波纹管,影响介质流速。 4、安装误差:对连接膨胀节两端的管道的端面或法兰端面尺寸偏差和位置偏 差如下: ⑴ 面间长度偏差: ≤ ±3mm ⑵ 面间同轴度偏差: ≤ 1% DN 且 ≤ Φ5mm ( DN 管道公称通径) ⑶ 各面对其管道轴线垂直度偏差 ≤ 1% DN 且 ≤ 3mm 同时,安装时不要使膨胀节承受扭矩,严禁用补偿器的变形方法来调整管道的 安装误差。
5、 用来保护和预变性的辅助构件, 应该在管道安装完并试压完毕后方可拆除。

通用型膨胀节把运输拉杆的螺母拧到螺纹根部或去掉; 大拉杆膨胀节把大拉杆内 侧螺母拧至螺纹根部,运输拉杆螺母处理方式同通用型膨胀节;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,应保证活动部件的正常运行。
6、系统压力试验

试验压力不得超过规定值(常温水压试验不得超过设计压力的 1.5 倍,气压 试验不得超过设计压力的 1.1 倍) 。对不锈钢波纹管,水压试验用水应不含氯离 子。系统压力试验必须在所用管架和膨胀节都装设好之后进行。
7、膨胀节与管道的装配

预变位膨胀节, 预位后于管道装配, 预变位前拆除专用运输螺母或 “过桥” 。 不要求预变位安装推荐采用: ⑴预留间距装配法;⑵顺序装配法。 八 膨胀节的安装和使用要求 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。 九 膨胀节的许用疲劳寿命
补偿器中的波纹管元件是在材料屈服极限的高应力状态下工作,每一次变化都不能恢复 到其原来状态而留有残余应力,往复循环,残余应力累积到一定程度,波纹管就会产生腐蚀 破坏,而破坏的循环次数称之为补偿器的疲劳寿命 N c 。实际应用时,取一定的安全系数 nf 倍数。 补偿器的许用疲劳寿命 [ N ] = nfN c , nf 一般为 10~15, 而 由于有些厂家设计选取 nf 值不同, [N ] 也大不相同,一般要求 [N ] ≥1000 次以上。


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