1、蒸汽供熱管道中波紋管補償器的設計計算摘要：研究了蒸汽供熱管道設計中常用的外壓軸向型波紋管補償器、拉桿型波紋管補償器、鉸鏈型波紋管補償器在典型管段中的布置、設計計算，提出了波紋管補償器的選用程序。關鍵詞：蒸汽供熱管道；波紋管補償器；熱補償在城市直埋蒸汽供熱管道的設計中最經濟的補償應為自然補償，自然補償利用彎曲管段中管道的撓曲來補償熱位移，但補償能力有限。當自然補償不能滿足要求時，通常選用補償器吸收熱位移。常用補償器有方型補償器、套筒補償器、球型補償器及波紋管補償器1-6。本文主要研究蒸汽供熱管道設計中常用的波紋管補償器及其在典型管段設計中的計算、選用。1 常用的波紋管補償器波紋管補償器是以波紋管

2、作為撓性元件，并由端管及受力附件組成。波紋管補償器補償量大，補償方式靈活，結構緊湊，位移反力小，使用過程中不需維護?？筛鶕潭ㄖё霸O備的受力要求，靈活設計結構型式。外壓軸向型波紋管補償器外壓軸向型波紋管補償器由承受外壓的波紋管、導流筒及進、出口管等組成。外壓軸向型波紋管補償器能吸收軸向位移，但不能承受管道內壓產生的強大推力，因此外壓軸向型波紋管補償器一般用于低支架敷設、埋地管道敷設的直管段中。拉桿型波紋管補償器拉桿型波紋管補償器由經中間管道連接的2個波紋管及拉桿、端板、墊圈等組成。拉桿型波紋管補償器能吸收任一平面內的橫向位移并能承受管道內壓產生的推力，因此廣泛應用于高支架的地上敷設蒸汽供熱管

3、道，特別是管道穿越道路、高垂直段或水平轉彎段的設計中。因此在設計中一般優先考慮使用拉桿型波紋管補償器。鉸鏈型波紋管補償器鉸鏈型波紋管補償器由經中間管道連接的2個波紋管及銷軸、鉸鏈板和立板等結構件組成。23個鉸鏈型波紋管補償器配套使用時，能吸收一個平面內橫向位移并能承受管道內壓產生的推力。鉸鏈型波紋管補償器以角位移的方式吸收平面彎曲管段的熱位移。一對鉸鏈型波紋管補償器吸收橫向位移時，角位移一定，其所能吸收的橫向位移與2個鉸鏈型波紋管補償器之間的距離成正比，在施工現場條件允許下盡量增加2個鉸鏈型波紋管補償器之間的距離，可更有效發揮其補償能力。因此鉸鏈型波紋管補償器被廣泛應用于蒸汽供熱管道設計中。2

4、 典型管段中波紋管補償器的計算任何復雜管系，都可以通過設置固定支座的方法將其劃分為若干形狀，較為簡單的獨立補償管段為直管段、L型管段、Z型管段等。在設計中應根據典型管段的工作條件及熱位移選擇波紋管補償器類型。計算典型管段的熱位移，以確定波紋管補償器的波數并得出在規定疲勞壽命下補償器的額定補償量。本文研究的波紋管補償器設計計算的條件為：選用波紋管補償器額定補償量時，考慮20的熱伸長余量。只考慮使用波紋管補償器后增加的位移及補償器的彈性力，不考慮風載及其他外部荷載對管道的作用力。21 直管段不允許加方型彎管直管段中設置外壓軸向型波紋管補償器的布置見圖1。圖1 直管段中外壓軸向型波紋管補償器的布置F

5、ig1 Arrangement of axial bellows-type expansion jointwith external pressure in straight pipeline section選用外壓軸向型波紋管補償器必須滿足以下4個條件：a設定2個固定支座之間管道熱伸長為L(單位為mm)，補償器的額定補償量為xcom(單位為mm)，應滿足L08xcom。b應設置直線導向支座。c固定支座須承受管道內壓產生的推力，因此必須具有足夠的強度。d使用外壓軸向型波紋管補償器的埋地管道中，所有固定支座要承受管道內壓產生的推力，因此應對固定支座的焊縫強度進行驗算，以保證管道安全可靠。外壓軸向

6、型波紋管補償器軸向彈力的計算式為：Fex,ax=Kex,axL (1)式中 Fex,ax外壓軸向型波紋管補償器軸向彈力，NKex,ax外壓軸向型波紋管補償器的軸向剛度，N/mm管道內壓產生的推力的計算式為：Fth=Ap (2)式中 Fth管道內壓產生的推力，NA波紋管有效面積，m2p管道工作壓力，Pa固定支座1、3受力的計算式為：Ffox.1=Fex,ax+Fth+FlLAB (3)Ffix,3=Fex,ax+Fth+F1LBC (4)式中 Ffix,1、Ffix,3固定支座1、3受力，NFt管道單位長度計算荷載，N/mm管道保護外套與土壤間的摩擦系數LAB、LBC管段AB、BC的長度，mm允

7、許加方型彎管當直管段允許加方型彎管時，在設計中我們可選擇方型彎管3只鉸鏈型波紋管補償器或方型彎管2只大拉桿型波紋管補償器。a采用方型彎管3只鉸鏈型波紋管補償器直管段中采用方型彎管3只鉸鏈型波紋管補償器的布置見圖2。圖2 直管段中方型彎管3只鉸鏈波紋管補償器的布置Fig2 Arrangement of three hinged bellows-type expansionjoints for square bent pipe in straight pipeline section鉸鏈型波紋管補償器C1C3工作角位移的計算式為：式中 C1、C2、C3鉸鏈型波紋管補償器C1C3的工作角位移，()L

8、AB管段AB的熱伸長，mmLCD管段CD的熱伸長，mm設鉸鏈型波紋管補償器額定工作角位移為com，單位為()。計算所得的工作角位移應小于等于08com。b采用方型彎管2只大拉桿型波紋管補償器直管段中采用方型彎管2只大拉桿型波紋管補償器的布置見圖3。圖3 直管段中方型彎管2只大拉桿型波紋管補償器的布置Fig3Arrangement of two bellows-type expansion joints withbig drag-link for square bent pipe in straight pipeline section設大拉桿型波紋管補償器額定橫向位移為Scom(單位為mm)，

9、應滿足固定支座1、2間管道的熱伸長量08Scom。22 L型管段短臂長度10m的L型管段a采用拉桿型波紋管補償器在L型管段短臂處設置拉桿型波紋管補償器的布置見圖4。圖4 L型管段在短臂設置拉桿型波紋管補償器的布置Fig4 Arrangement of bellows-type expansion joint withdrag-link in short arm of L-type pipdine section設長臂AB的熱伸長為LL(單位為mm)，應滿足LL08Scom。拉桿型波紋管補償器軸向彈力的計算式為：Frob,ax=Krob,LLL (7)式中 Frob,ax拉桿型波紋管補償器軸向彈

10、力，NKrob,L拉桿型波紋管補償器的側向剛度，N/mmb采用2只鉸鏈型波紋管補償器在L型管段短臂處設置2只鉸鏈型波紋管補償器的布置見圖5。鉸鏈型波紋管補償器C1、C2工作角位移的計算式為：鉸鏈型波紋管補償器C1、C2工作角位移應小于等于08com。圖5 L型管段在短臂設置2只鉸鏈型波紋補償器的布置Fig5 Arrangement of two hinged bellows-type expansionjoints in short arm of L-type pipeline section鉸鏈型波紋管補償器C1受徑向彈力及鉸鏈型波紋管補償器C2受軸向彈力的計算式為：式中 Fhin,rad,

11、C1鉸鏈型波紋管補償器C1的徑向彈力，NFhin,ax,C2鉸鏈型波紋管補償器C2的軸向彈力，NKhin,C1、Khin,C2鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的彎曲剛度，Nmm/()短臂較長的L型管段短臂較長時必須考慮短臂的熱伸長，一般采用3個鉸鏈型波紋管補償器。L型管段設置3個鉸鏈型波紋管補償器的布置見圖6。圖6 L型管段設置3個鉸鏈型波紋管補償器的布置Fig6 Arrangement of three hinged bellows-type expansionjoints in L-type piperine section鉸鏈型波紋管補償器C1C3工作角位移的計算式分別為：式中 Ls短臂CF

12、的熱伸長，mmLCD、LEF管段CD、EF的長度，mm鉸鏈型波紋管補償器C3工作角位移應小于等于08com。固定支座1受徑向、軸向力計算式為：式中 Ffix,rad,1固定支座1受徑向力，NFfix,ax,1固定支座1受軸向力，NKhin,C3鉸鏈型波紋管補償器C3的彎曲剛度，Nmm/()固定支座2受徑向、軸向力計算式為：式中 Ffix,rad,2固定支座2受徑向力，NFfix,ax,2固定支座2受軸向力，N23 Z型管段中間臂較短的Z型管段中間臂較短的Z型管段設置拉桿型波紋管補償器的布置見圖7。圖7 中間臂較短的Z型管段設置拉桿型波紋管補償器的布置Fig7 Arrangement of be

13、llows-type expansion joint withdrag-link in middle short arm of Z-type pipeline section一般情況下，中間臂較短的Z型管段采用復式大拉桿波紋管補償器的補償效果最佳，它能吸收任一平面內的橫向位移，平面、立體管段都可使用。管段總熱伸長計算式為：Lsum=LAB+LCD (18)式中 Lsum管段總熱伸長，mm應滿足Lsum08Scom。固定支座1受軸向力計算式為：Ffix,ax,1=LABKrob,L (19)固定支座2受軸向力計算式為：Ffix,ax,2=LCDKrob,L (20)中間臂較長的Z型管段a平面Z型

14、管段一般采用2只鉸鏈型波紋管補償器進行熱補償，應盡量增加2個鉸鏈型波紋管補償器中心距離Lcen，以提高補償能力。平面Z型管段設置鉸鏈型波紋管補償器的布置見圖8。圖8 平面Z型管段設置鉸鏈型波紋管補償器的布置Fig8 Arrangement of hinged bellows-type expansion jointsin plane Z-type pipeline section管段總熱伸長計算式為式(18)，鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的工作角位移的計算式為：鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的工作角位移應小于等于08com。固定支座1、2受軸向力計算式為：b立體Z型管段立體Z型管段設置2只萬向鉸

15、鏈型波紋管補償器布置見圖9。圖9 立體Z型管段設置2只萬向鉸鏈型波紋管補償器的布置Fig9 Arrangement of two hinged bellows-type expansionjoints in vertical Z-type pipeline section立體合成熱位移計算式為：式中 Lsol立體合成位移，mm萬向鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的工作角位移計算式為：式中 u,C1、u,C2萬向鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的工作角位移，()萬向鉸鏈型波紋管補償器C1、C2的工作角位移應小于等于08com。固定支座1、2受軸向力的計算式為式(22)、(23)。3 波紋管補償器的選用任何管段的熱補償往往有很多方案，波紋管補償器的正確選用則是關鍵。設計者應綜合考慮管道走向、支架設置、波紋管補償器類型等，以取得既安全可靠又經濟合理的方案。波紋管補償器選用一般程序如下：變復雜管系為簡單管段，通過設置固定支座將管系分解為形狀簡單、獨立、典型的管段。根據波紋管補償器的應用形式選擇波紋管補償器類型。計算典型管段熱伸長量，按產品的額定補償量，確定波紋管補償器的波數、長度。根據管道輸送的供熱介質、管徑、設計壓力、設計溫度、疲勞壽命、材質，最終確定波紋管補償器規格。參考文獻：1 呂國良，王淮，邵榮，等供熱管網補償方式的選擇J煤氣與熱力，