帶膨脹節(jié)管道進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)

1、帶膨脹節(jié)管道進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí) 的加固措施及其力學(xué)分析 天鋼東移2000mm3高爐工程熱風(fēng)爐冷風(fēng)管道試壓工作于2003年10月進(jìn)行，冷風(fēng)管道系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)出口壓力為o.5mpa，熱風(fēng)爐冷風(fēng)管道的工作壓力為0.37mpa，設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為0.456mpa，管道直徑最大為1600×14，材質(zhì)為q235，管道為卷焊管。管道上安裝了波紋膨脹節(jié)。 <<工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范>>gb5023597中，第7.5節(jié)壓力試驗(yàn)，第7.5.2條 壓力試驗(yàn)前應(yīng)具備下列條件中，第7.5.2.3款規(guī)定：管道上的膨脹節(jié)已設(shè)置了臨時(shí)約束裝置。為防止膨脹節(jié)在試壓過程中因?yàn)槭艿焦艿垒S向拉

2、力的作用產(chǎn)生拉伸變形，根據(jù)該規(guī)定，管道在試壓前對波紋膨脹節(jié)均進(jìn)行了加固。 加固的方法如圖1所示，用3塊厚度(用t表示)為20mm的鋼板，加工成高度為(用h表示)1lomm的門形，均布的焊接固定在膨脹節(jié)兩側(cè)的管道上，使得試壓時(shí)的拉力由門形鋼板承擔(dān)。在試驗(yàn)壓力達(dá)到0.28mpa時(shí)，3#熱風(fēng)爐冷風(fēng)支管l600×14上的波紋膨脹節(jié)出現(xiàn)了問題，膨脹節(jié)出現(xiàn)了拉伸變形（拉長了3065mm），加固的門型鋼板產(chǎn)生了彎曲和拉伸塑性變形。 針對這一問題，根據(jù)材料力學(xué)對加固措施進(jìn)行理論計(jì)算和分析。一、試驗(yàn)壓力下的受力計(jì)算1.試驗(yàn)產(chǎn)生的軸向拉力管道內(nèi)截面積s：s=丌/4 ×1602（cm2）=3.1

3、4/4 ×1602= 20096（cm2）試驗(yàn)壓力為pl=0.28mpa時(shí)的軸向拉力：p1 = pl×s = 0.28mpa ×20096 cm2 = 562688(n)試驗(yàn)壓力為p2 = 0.456mpa時(shí)的軸向拉力：p2 = p2×s = 0.456mpa×20096 cm2 = 916378(n)2、軸向拉力(p1、p2)對門型加固板產(chǎn)生的拉應(yīng)力門型加固板截面積a = 110高× 20厚×3塊 = 6600mm2pl = pla = 56268.8kg66cm2 = 853kgcm2 = 85.3 mpap2 = p2

4、a = 91637.8kg66cm2 = 1389kgcm2 = 138.9 mpa3、軸向拉力對門型加固板產(chǎn)生的彎矩及彎曲應(yīng)力(在a-a截面)軸向拉力對門形加固板產(chǎn)生的最大彎矩：m1 = p1÷3×h = 562688n÷3×215mm = 40325973(n mm)m2 = p2÷3×h = 916378n÷3×215mm = 65673757(n mm)截面抗彎摩量wz = t×h2÷6=20×1102÷6=40333(mm3)由m產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力：ml = m1wz

5、 = 40325973(n mm)40333(mm3) = 999.8 m paml = m2wz=65673757(n mm)40333(mm3) = 1628 m pa4、拉伸和彎曲產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力l = p1+ml = 85.3 mpa + 999.8 mpa = 1085 mpa2 =p2+m2 = 138.9 mpa+1628 mpa = 1767 mpa5、許用拉伸應(yīng)力 對塑性材料： 許用應(yīng)力= 0n(極限應(yīng)力安全系數(shù))= sn對于材質(zhì)q235 ，s = 235mpa 取n 2= sn = 2352 = 117.5 mpa6、很顯然，1、2的數(shù)值都遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力值1 = 1085

6、 mpa >s 235mpa2 = 1767 mpa >s 235mpa二、分析 1、每個(gè)膨脹節(jié)設(shè)置了3塊加固板，如果將加固板數(shù)量增加到8塊并加大截面尺寸至200mm×20mm(h相應(yīng)增大到250mm)，則：軸向力p = p2 = 916378(n)門型加固板截面積a=200高×20厚×8塊 = 32000mm2拉應(yīng)力p = p2a = 916378n32000mm2 = 28.6 mpa彎矩m = p÷8×h = 916378n÷8×250mm = 28636813(n mm)截面抗彎摩量wz = t×

7、;h2÷6 = 20×2002÷6=133333(mm3)彎曲應(yīng)力m = mwz = 28636813(n mm)133333(mm3) = 214.8mpa最大組合應(yīng)力 = p+m = 28.6 mpa + 214.8 mpa = 243 mpa = 243 mpa > s = 235 mpa可見，即使增加了加固板的數(shù)量且加大加固板尺寸，技術(shù)上也不可取。而且8塊加固鋼板的重量總共達(dá)到350公斤，材料消耗也較大。 2、從上面的數(shù)據(jù)中可以看出，彎曲應(yīng)力與拉伸應(yīng)力的比值分別為：m1p1 = 11.7、m2p2 = 11.7、mp = 7.5，說明：彎矩對加固板的

8、影響要比拉力的影響大的多。 因此，改變加固方法，盡可能不產(chǎn)生彎矩是很重要的。三、采用螺桿連接的加固方法 1、用螺桿拉緊焊接在波紋膨脹節(jié)兩側(cè)管道上的固定板，螺桿與固定板之間為鉸接，管道試壓時(shí)產(chǎn)生的軸向拉力不會(huì)對螺桿產(chǎn)生彎矩，螺桿只承受軸向拉力。對螺桿的強(qiáng)度計(jì)算就只計(jì)算拉伸應(yīng)力。如下： 考慮用6條m36螺桿，其有效截面積為s s = 6×817 mm2 = 4902 mm2 軸向拉力 p = 916378(n) 拉應(yīng)力 = ps = 9163784902 = 187 mpa 安全系數(shù)n = s= 235÷1 87 = 1.26倍 2、當(dāng)已知螺桿尺寸和數(shù)量，求能承受的試驗(yàn)壓力時(shí)，

9、可以參考以下計(jì)算方法： 例如：用6條m24螺栓，試壓壓力最大為多少? 有效截面積為s = 6×3.53 cm2 = 2118 mm2 若取安全系數(shù)n = 1.5倍 則p = 235×2118 = 497730(n) = 49773 kgf p = 試壓壓力×丌×(16002)2 試壓壓力 = 497730丌×640000 = 0.2477 mpa 結(jié)果：僅靠6條m24螺桿，當(dāng)試壓壓力達(dá)到02477 mpa時(shí)，螺桿便產(chǎn)生塑性變形。 四、結(jié)論 1、設(shè)計(jì)有膨脹節(jié)的管道進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，需要對膨脹節(jié)進(jìn)行加固，推薦采用螺桿連接的加固方法。 壓力試驗(yàn)前，對膨脹節(jié)進(jìn)行如上圖示方法進(jìn)行加固，此種結(jié)構(gòu)至少在圓周均布多點(diǎn)，并且對焊縫、筋板、拉桿進(jìn)行詳細(xì)的抗剪、抗彎、抗拉強(qiáng)度計(jì)算。 2、不應(yīng)使用的加固方法 在施工中，過去采用如下圖示的加固型式，這是不可取的，容易造成事故。除非迫不得已，必須對焊縫及使用的材料有詳細(xì)的力學(xué)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果及詳細(xì)資料報(bào)公司技術(shù)部門審核批準(zhǔn)方