铰链波纹管补偿器在架空供热管道的应用_工程实践

摘要

摘要：探讨了典型布置形式下铰链波纹管补偿器角位移、固定支座受力的计算。结合工程实例，对采用铰链波纹管补偿器供热管道上的固定支座进行了受力计算。固定支座不承受盲板力，仅

摘要：探讨了典型布置形式下铰链波纹管补偿器角位移、固定支座受力的计算。结合工程实例，对采用铰链波纹管补偿器供热管道上的固定支座进行了受力计算。固定支座不承受盲板力，仅承受波纹管变形产生的弹性反力，铰链波纹管补偿器适用于架空敷设管道，经济性、安全性良好。

关键词：波纹管补偿器；盲板力；角位移；供热管道

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

波纹管补偿器具有结构紧凑、占地少、无结构性渗漏、不需维护保养、介质流动阻力小等优点，近年来在电力、冶金、化工、城市热网中被广泛应用^[1]。波纹管补偿器种类较多，可分为约束型和无约束型：约束型主要有压力平衡型、大拉杆横向型、铰链型等，无约束型主要有普通轴向型、内外压轴向型、复式轴向型等。两者的区别在于，约束型波纹管补偿

器的介质内压推力(盲板力)。由补偿器自身构件承受，不作用在管道支座上，友座受力较小，节省了工程造价。

铰链波纹管补偿器分为平面铰链型和万向铰链型，主要应用于架空、管沟或局部架空敷设管道，须2个或3个成组使用。平面铰链波纹管补偿器吸收平面管系中1个或2个方向的横向位移，由于铰链承受介质内压推力，极大降低了固定支座的受力，节省了工程造价，降低了设计、施工的难度。万向型铰链波纹管补偿器不但具有平面铰链波纹管补偿器的优越性，而且更适用于三维空间管系。本文对铰链波纹管补偿器在架空供热管道中的应用进行探讨。

1 相关计算

铰链波纹管补偿器主要应用于架空、管沟、局部架空敷设的管道中，任何复杂的管线，都可以通过固定支座分割成若干简单形状的管段^[2]。这里主要研究铰链波纹管补偿器在典型管系中的相关计算。

① 典型管系中角位移的计算

铰链波纹管补偿器吸收管道热位移后，通过2个或3个补偿器组成的补偿系统角度的变化补偿管段的热位移。运用理论力学对铰链波纹管补偿器变形简化模型进行分析，得到几种典型布置形式及吸收热位移后的角位移计算式。在各典型管系的管道布置形式中：S1～S3为铰链波纹管补偿器编号；L₀、L₀₁、L₀₂、L₁、L₂、L₃、L₄为对应管段长度，单位为m；△L₀、△L₀₁、△L₀₂为长度为L₀、L₀₁、L₀₂管段的热位移，单位为m。热位移计算式为：

△L=αL(t₁-t₀) (1)

式中△L——管段的热位移，m

α——材料的线膨胀系数，K^-1

L——管段长度，m

t₁——管道的最高工作温度，℃

t₀——管道的计算安装温度，℃

a. 典型管系1

典型管系1的管道布置形式见图1。

角位移的计算式为：

式中θ₁、θ₂——铰链波纹管补偿器S1、S2对应的角位移，(°)

b. 典型管系2

典型管系2的管道布置形式见图2。

角位移的计算式为：

式中θ₃——铰链波纹管补偿器S3对应的角位移，(°)

c. 典型管系3

典型管系3的管道布置形式见图3。

角位移的计算式为：

d. 典型管系4

典型管系4的管道布置形式见图4。

角位移的计算式为：

e. 典型管系5

典型管系5的管道布置形式见图5。

角位移的计算式为：

f. 典型管系6

典型管系6的管道布置形式见图6。

角位移的计算式为：

式中β——图6所示弯管处夹角，(°)

② 作用在固定支座上的力

铰链波纹管补偿器具有较高强度，可以传递荷载，并由于自身构件承受管道介质的内压推力(盲板力)，作用在固定支座上的力很小，方便了管道系统的设计以及固定支座的设计与施工。6种典型管系中固定支座的受力分析见图1～6，F₁、F₂为铰链波纹管补偿器作用在固定支座上的力，单位为N。6种典型管系中铰链波纹管补偿器工作时作用在固定支座上力的计算如下。

a. 典型管系1

式中K₂、K₁——铰链波纹管补偿器S2、S1对应的角向刚度，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——铰链波纹管补偿器S3对应的角向刚度，N·m/(°)

2 工程实例分析

本工程为某电厂厂区内汽轮机房至用户分汽缸之间的蒸汽管道，管道规格为D 529×10，设计压力为1.6MPa，设计温度为300℃。由于该厂区地下管线较多，无法采用直埋敷设，因此考虑采用架空敷设方式，但受空间限制，只能充分利用厂区现有综合管道支架。由于现有综合管道支架上有多种类型管道，管道支架受力复杂。为减少新增管道对管道支架受力的影响，保证运行的安全可靠，决定选用铰链波纹管补偿器。管道布置形式见图7。

根据管道热位移，计算铰链波纹管补偿器S1、S2、S3、S4、S5、S6的角位移分别为：θ₁=θ₂=3.64°，θ₃=7.28°，θ₄=4.22°，θ₅=0.63°，θ₆=4.85°。铰链波纹管补偿器选型：S1、S2、S4、S5、S6补偿器总长度均为870mm，角向刚度均为1891N·m/(°)；S3总长度为1026mm，角向刚度为757N·m/(°)。

作用在导向支架HZ34、HZ35、HZ41上的弯矩：M₃₄=M₃₅=6883N·m，M₄₁=119 N·m。HZ34、HZ35、HZ41受力(竖直向下)：F₃₄=F₃₅=6883N，F₄₁=265N。铰链波纹管补偿器S1、S2、S3作用在固定支座GZ4、GZ5的力：F_GZ4=1198N，F_GZ5=1198N。铰链波纹管补偿器S4、S5、s6作用在固定支座GZ5、GZ6的力：F’_GZ5=384N，F_GZ6=2682N。计算表明，新增管道对管道支架及固定支座影响很小。

3 结论

铰链波纹管补偿器的优势在于固定支座不承受管内介质压力产生的内推力(盲板力)，仅承受波纹管变形过程中由波纹管刚度产生的弹性反力，安装过程中若采取冷紧或偏装，其弹性反力更小。特别适应于架空或局部架空的管道系统中，设计中应充分利用管道路由形成的典型管段，选择合适材质、质量可靠的铰链波纹管补偿器，提高供热管道的经济、安全和可靠性。

参考文献：

[1] 贺平，孙刚.供热工程(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2] 龚珑，周文军.万能型和铰链型波纹补偿器在热力管网中应用的研究[J].浙江化工，2006，(1)：25-27.

(本文作者：苏红乡张敬亭张延杰山东省城乡规划设计研究院山东济南 250013)