管材的線膨脹及伸縮器

1、第二章 管材的線膨脹及伸縮器第一節(jié) 管材的線膨脹及伸縮量的計(jì)算一、熱膨脹量的計(jì)算管道安裝完畢投入運(yùn)行時(shí)，常因管內(nèi)介質(zhì)的溫度與安裝時(shí)環(huán)境溫度的差異而產(chǎn)生伸縮。另外，由于管道本身工作溫度的高低，也會(huì)引起管道的伸縮。實(shí)驗(yàn)證明，溫度變化而引起管道長(zhǎng)度成比例的變化。管道溫度升高，由于膨脹，長(zhǎng)度增加；溫度下降，則由于收縮，長(zhǎng)度縮短。溫度變化1度相應(yīng)的長(zhǎng)度成比例變化量稱為管材的線膨脹系數(shù)。不同材質(zhì)的材料線膨脹系數(shù)也不同。碳素鋼的線膨脹系數(shù)為12×106，而硬質(zhì)聚氯乙烯管的線膨脹系數(shù)為80X106，約為碳素鋼的七倍。管材受熱后的線膨脹量，按下式進(jìn)行計(jì)算：式中L管道熱膨脹伸長(zhǎng)量(m)；a管材的線膨脹系

2、數(shù)(1K)或(1)；t2管道運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)溫度()；tl管道安裝時(shí)的溫度()，安裝在地下室或室內(nèi)時(shí)取t1=5；當(dāng)室外架空敷設(shè)時(shí)，t1應(yīng)取冬季采暖室外計(jì)算溫度；L計(jì)算管段的長(zhǎng)度(m)。不同材質(zhì)管材的。值見(jiàn)表21。表21不同材質(zhì)管材的線膨脹系數(shù)管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)a/（×106/）管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)a/（×106/）碳素鋼鑄鐵中鉻鋼不銹鋼鎳鋼奧氏體鋼1211.111.410.313.117純銅(紫銅)黃銅鋁聚氯乙烯氯乙烯玻璃16.418.423.680105在管道工程中，碳素鋼管應(yīng)用最廣，其伸長(zhǎng)量的計(jì)算公式為式中12×106常用鋼管的線膨脹系數(shù)(1)。根據(jù)式(22)制成管

3、道的熱伸長(zhǎng)量L表(見(jiàn)表22)，由表中可直接查出不同溫度下相應(yīng)管長(zhǎng)的熱伸長(zhǎng)量。例有一段室內(nèi)熱水采暖碳素鋼管道，管長(zhǎng)70m，輸送熱水溫度為95，試計(jì)算此段管道的熱伸長(zhǎng)量。解根據(jù)鋼管的熱膨脹伸長(zhǎng)量計(jì)算式(22)L=12×106(t1t2)L =12×106（95+5）×70=0.084m由已知管長(zhǎng)及送水溫度，直接查表22，也可得管道的熱伸長(zhǎng)量L。如果管道中通過(guò)介質(zhì)的溫度低于環(huán)境溫度，則計(jì)算出來(lái)的是縮短量。表22水和蒸汽管道的熱伸長(zhǎng)量L表(m)管段長(zhǎng)L/m熱水溫度6070809095100110120130140143151158164170175179183蒸汽表壓MP

4、a0.04900980.1760.265029403920.4905880686078408820.9851015202530354045505560657075808590951001051104811151923263034384145495356606468717579834913182226313540444853576266707579838892965101520253035404550556065707580859095100109110611172328344045515762687479859010210711311912461218243036424854606671778

5、38995101107113119125131613192531384450566369758188941001061131191251311387142128344148556269768389961031101171241301371441518152330384553606875839098105113120128135143150158165816243341495765738l899810611312213013814615416317018091826354453617079881051141231311401491571661751841949182736455463728189

6、991071161251341431521611701791881971019283847576676859510411412313214215216117118019019920810203040506070肋90991091191291391481581681781881982082181021314151跎728293103113123133144154164174185195205215226112132435364748510611712813814915917018019120221222323411X3344556677889911012013114215416417518619

7、720821923024011X33455667799010111212313414515716818019020021222423524612233446579印92103114126137148160172183194205217229240252二、熱應(yīng)力計(jì)算如果管道兩端不固定，允許它自由伸縮，則熱伸縮量對(duì)管予的強(qiáng)度沒(méi)有什么影響。若在管子的兩端加以限制，阻止管子伸縮，這時(shí)在管道內(nèi)部將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的計(jì)算式為式中管材受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(MNm2)； E管材的彈性模量(MNm2)，碳素鋼的彈性模量 E=20104×104MNm2；管段的相對(duì)變形量，=L/L為管段的熱膨脹

8、量(m)；L為在室溫下安裝的管段原長(zhǎng)度(m)。由上式可見(jiàn)，管道受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，僅與管材的彈性模量、線膨脹系數(shù)、管段的長(zhǎng)度及管道受熱時(shí)溫度的變化幅度有關(guān)，而與管徑大小及管壁厚薄無(wú)關(guān)。如果將式(21)代人=L/L中，那么= at，則熱應(yīng)力的計(jì)算式可寫(xiě)成為=Eat從而可知，當(dāng)管道材質(zhì)確定以后，溫度差t是決定熱應(yīng)力的最主要的因素。對(duì)于碳素鋼管，線膨脹系數(shù)取12×106m(m)，彈性模量取20.104×104MNm2。那么，鋼管的熱應(yīng)力計(jì)算式可簡(jiǎn)化為=2.4125t利用式，可以很容易地計(jì)算出鋼管受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。例 有一段兩端固定的碳素鋼管，安裝時(shí)室溫為5，投入運(yùn)行后管子溫

9、度為130，求該管道由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。解 管道投入運(yùn)行后與安裝時(shí)的溫度差t=130(5)=135因此，熱膨脹應(yīng)力=2.4125t=2.4125×135=325.69MNm2由以上計(jì)算可以看出，管道受熱后所產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鋼管及接頭等配件的容許應(yīng)力(鋼=129.45MNm2)，要想阻止管道的伸縮，任何固定支架及構(gòu)筑物都是無(wú)能為力的，只有選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置，任其自由伸縮，消除熱應(yīng)力，才能確保管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。第二節(jié)管道的固定支架及自然補(bǔ)償一、管道的固定支架為了防止管道受熱后上下左右移動(dòng)，在管道系統(tǒng)中普遍設(shè)置固定支架。固定支架間的管道因受熱膨脹所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量由管道本身的彎曲

10、部件或管道中設(shè)置的伸縮器進(jìn)行補(bǔ)償。只有當(dāng)鋼管的溫度變化(t)小于32時(shí)，管道的熱應(yīng)力不超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力，才不考慮補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。管道安裝中應(yīng)盡量利用其本身彎曲部件的補(bǔ)償能力。由固定點(diǎn)起，允許不裝伸縮器的直管段長(zhǎng)度L見(jiàn)表23，該表同時(shí)適用于帶有支管的干管，如圖21所示。表23由固定點(diǎn)起，允許不裝伸縮器的直管段的最大長(zhǎng)度(m)房 屋種 類熱水溫度/6070809095100110120130151158170175179183蒸汽表壓/MPa 民用建筑5545403533322625222222工業(yè)建筑655750454240373230272727252524242424圖21帶有支管的干管1固定

11、點(diǎn)2千管3支管當(dāng)受熱管段本身彎曲部件的補(bǔ)償能力不能滿足要求時(shí)，在管道中必須設(shè)置補(bǔ)償裝置，其固定支架間的最大間距見(jiàn)表24。固定支架安裝時(shí)，一般直接栽人墻內(nèi)或固定在柱子上，其埋人墻內(nèi)的深度最好與壁厚相等，四周空隙用150號(hào)碎石混凝土灌注。在地溝墻上安裝較大管道固定支架，可在砌筑地溝時(shí)，在安裝位置預(yù)留400mmX300mm方孔，然后在預(yù)留位置固定好需設(shè)置的固定支架，再用碎石混凝土灌注搗實(shí)。表24熱力管道固定支架間的最大間距 管道公稱直徑 DNmm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸宿器 地溝或架空敷設(shè)m3035455055圃6570809

12、010G115130145160180200方形伸宙鋁 無(wú)地溝敷沒(méi)m455C556065707090901113110110125125125 管道公稱直徑 DNmm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸宿68 地溝或架空敷設(shè)m30 35455055圃6570809010G115130145160180200方形伸宙鋁 無(wú)地溝敷沒(méi)m455C556065707090901113110110125125125二、自然補(bǔ)償管道系統(tǒng)中彎曲部件的轉(zhuǎn)角不大于150°時(shí)，均可做為自然補(bǔ)償裝置。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠。但彎管轉(zhuǎn)角大于150

13、76;時(shí)；不能做為自然補(bǔ)償裝置，否則會(huì)產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)過(guò)多的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)使管道系統(tǒng)損壞。此外，在自然補(bǔ)償管段的拐彎處附近，最好采用焊接，不應(yīng)采用法蘭連接接頭，尤其不能采用法蘭連接的彎頭。因?yàn)橛蟹ㄌm連接方式的接頭時(shí)，由于管道熱膨脹自然補(bǔ)償產(chǎn)生的剪切力的作用，法蘭處容易發(fā)生事故。常見(jiàn)的自然補(bǔ)償部件有L形和Z形兩種。1L形管段的自然補(bǔ)償 如圖22所示的L形管段。11為其短臂，L1為長(zhǎng)臂，其夾角為90°150°。受熱后，產(chǎn)生如圖22中虛線所示的變形，使管段內(nèi)的熱應(yīng)力得到減小，從而起到一定的自然補(bǔ)償作用。同時(shí)，管段兩邊固定點(diǎn)A、B處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其中短臂固定點(diǎn)A處的彎曲應(yīng)力最大，需要通過(guò)

14、計(jì)算加以校核，看其是否超過(guò)管材許用彎曲應(yīng)力。在實(shí)際工作中，常常根據(jù)長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量和管材的許用彎曲應(yīng)力反求出短臂的最小長(zhǎng)度，看其是否合適。如果短臂長(zhǎng)度小于最小長(zhǎng)度，則可適當(dāng)調(diào)整兩固定點(diǎn)的位置，增加短壁長(zhǎng)度或減小長(zhǎng)臂長(zhǎng)度，使兩臂長(zhǎng)度相適應(yīng)。對(duì)于兩臂夾角為90°的L形碳素鋼管，當(dāng)已知長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度并計(jì)算出其熱伸長(zhǎng)量時(shí)，可用下式粗略地計(jì)算出自然補(bǔ)償所需短臂的長(zhǎng)度。 圖22 L形管段的自然補(bǔ)償式中L1短臂長(zhǎng)度(m)；L長(zhǎng)臂上的熱伸長(zhǎng)量(mm)；DW管子外徑(mm)。例 已知外徑為159mm的碳素鋼管直角L形管段，其長(zhǎng)臂長(zhǎng)度L=20m，溫差t=200，求自然補(bǔ)償所需短臂的長(zhǎng)度L1。解由式(22)可知

15、，長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)二0012TL=0012×200×20=48mm將L之值代人式(25)，則所需短臂的長(zhǎng)度為2Z形管段的自然補(bǔ)償在管道上的兩固定點(diǎn)之間，由兩個(gè)90°角組成的Z形管段，受熱后產(chǎn)生如圖23中虛線所示的彈性變形，借以減小管段的熱應(yīng)力，從而起到一定的補(bǔ)償作用。圖23 Z形管段的自然補(bǔ)償根據(jù)該管段所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不應(yīng)大于管材的許用彎曲應(yīng)力的要求，可以推算出其垂直臂長(zhǎng)L的計(jì)算公式式中L垂直臂長(zhǎng)度(刪)；L熱伸長(zhǎng)量，L=LI+L2(cm)；Z材料的彈性模量(Pa)；DW管子外徑(恤)；管子的彎曲許用應(yīng)力(h)；k短臂與垂直臂長(zhǎng)之比，k=L1/L。當(dāng)實(shí)際垂直臂長(zhǎng)

16、小于計(jì)算出來(lái)的上值時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整兩平行管段的長(zhǎng)度，即縮短長(zhǎng)臂，加長(zhǎng)短臂，使其總長(zhǎng)不變?；蛘哌m當(dāng)加長(zhǎng)垂直臂。第三節(jié)伸縮器的選用和安裝當(dāng)利用管道中的彎曲部件不能吸收管道因熱膨脹所產(chǎn)生的變形時(shí)，在直管道上每隔一定距離應(yīng)設(shè)置伸縮器。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ牵河霉潭ㄖЪ軐⒅惫苈钒此x伸縮器的補(bǔ)償能力分成若干段，每段管道中設(shè)置一伸縮器，吸收熱伸縮，減小熱應(yīng)力。常用的伸縮器有方形、套管式及波形等幾種，其選用和安裝方法分述如下：一、方形伸縮器方形伸縮器由四個(gè)90°彎管組成。彎管應(yīng)盡量用無(wú)縫鋼管煨制，組成方形伸縮器的彎管其彎曲半徑取R4D，在乎臺(tái)上進(jìn)行組對(duì)，四個(gè)彎曲角應(yīng)在同一平面上。方形伸縮器制作維修方便，補(bǔ)償能

17、力大，運(yùn)行可靠，在供熱管網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。只有當(dāng)安裝地點(diǎn)受限制時(shí)，才選用其它類型的伸縮器。方形伸縮器根據(jù)邊長(zhǎng)和臂長(zhǎng)的比值不同而分為四種類型，如圖24所示。選用時(shí)先根據(jù)管段長(zhǎng)度和輸送介質(zhì)溫度及管徑，從表22中查出熱伸長(zhǎng)量L，再由表25介紹的各類型方形伸縮器的尺寸和補(bǔ)償能力直接選型。圖24 方形伸縮器的類型伸縮器應(yīng)在兩固定支架間的管道安裝完畢，并牢固固定后才進(jìn)行安裝。吊裝時(shí)，應(yīng)使其受力均勻，起吊應(yīng)平穩(wěn)，防止變形。吊裝就位后，必須將兩臂預(yù)拉或預(yù)撐其補(bǔ)償量的一半(即L/2)，偏差不應(yīng)大于±10mm，以充分利用其補(bǔ)償能力。預(yù)拉伸焊縫位置應(yīng)選擇在距伸縮器彎曲起點(diǎn)22.51m處。常用如圖25所示的

18、拉管器進(jìn)行預(yù)拉。操作方法有兩種：一種是利用一個(gè)拉管器進(jìn)行冷拉，如圖26所示；先將未拉伸的伸縮器的一端與管道找平焊牢固定，另一端與直管末端預(yù)留L/2的間隙，然后把拉管器安裝在待焊的接口上，擰緊拉管器螺栓，拉開(kāi)伸縮器到管子接口處對(duì)齊焊好。另一種是利用兩個(gè)拉管器分別安裝在伸縮器兩側(cè)接口處同時(shí)進(jìn)行冷拉，每側(cè)拉伸量為L(zhǎng)4，如圖27所示。圖25拉管器1止滑環(huán)2角鋼3螺栓4法蘭圖26利用一個(gè)拉管器冷拉示意圖圖27利用兩個(gè)拉管器冷拉示意圖另一種方法是用千斤頂把伸縮器的兩長(zhǎng)臂撐開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)拉，如圖28所示。圖28利用千斤頂冷拉方形伸縮器示意圖方形伸縮器一般水平安裝，其安裝坡度應(yīng)與連接管道相同，以利于介質(zhì)流過(guò)，不應(yīng)

19、有橫向傾斜。當(dāng)必須橫向傾斜或垂直安裝時(shí)，則應(yīng)在易積水處裝設(shè)排水閥。方形伸縮器與管道連接好后，為避免焊縫產(chǎn)生拉開(kāi)、裂紋缺陷，一定要注意待焊縫完全冷卻后，方可將預(yù)拉器具拆除。二、套管式伸縮器套管式伸縮器有鑄鐵制和鋼制兩種，如圖29所示。通常用在管徑大于l00mm，且工作壓力小于1568MPa(鋼制)及1274MPa(鑄鐵制)的管路中。套管式伸縮器有較大的補(bǔ)償能力，占地小，安裝簡(jiǎn)單，但易漏水，需要經(jīng)常檢修更換填料。因此，在遇水能發(fā)生危險(xiǎn)的場(chǎng)合，以及埋地敷設(shè)的管道上，不能安裝這種伸縮器。套管式伸縮器分單向和雙向伸縮兩種。單向伸縮器應(yīng)安裝在固定支架旁邊的平直管道上，雙向伸縮器應(yīng)安裝在兩固定支架的中間。安

20、裝前應(yīng)將伸縮器拆開(kāi)，檢查內(nèi)部零件及填料是否齊備，質(zhì)量是否符合要求。安裝時(shí)，要求伸縮器中心線和直管段中心線一致，不得偏斜，并在靠近伸縮器的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向支架(導(dǎo)向支架可參照弧形板滑動(dòng)支架形式進(jìn)行制作)，以免管道運(yùn)行時(shí)偏離中心位置。套管式伸縮器在安裝時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉，其預(yù)拉后的安裝長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)管段受熱后的最大伸縮量來(lái)確定。同時(shí)還應(yīng)考慮到管道在低于安裝溫度下運(yùn)行的可能性，其導(dǎo)管支撐環(huán)和外殼支撐環(huán)之間，應(yīng)留有一定間隙。其預(yù)留間隙的最小尺寸可參考表26，也可按下列公式進(jìn)行計(jì)算。圖29套管式伸縮器1填料2外殼支撐環(huán)3導(dǎo)管支撐環(huán)表26套管式伸縮器的安裝間隙(值)=1（t2t1）/（t3-t1）式中導(dǎo)管支撐環(huán)與外殼支撐環(huán)間剩余的可縮長(zhǎng)度(mm)；1伸縮器最大的可伸縮范圍(mm)；tl室外最低計(jì)算溫度()；t2安裝時(shí)氣溫()；t3管內(nèi)輸送介質(zhì)的最高溫度()。三、波形伸縮器波形伸縮器一般用34mm厚的鋼板制成，因其強(qiáng)度較低，補(bǔ)償能力小，通常只用于工作壓力不大于07MPa的氣體管道或管徑大于150mm的低壓管道上。波形