膨脹節(jié)在CAESARII中的應(yīng)用與模擬

1、波紋管膨脹節(jié)在高溫管系中的應(yīng)用一、膨脹節(jié)的類型及典型管段的補(bǔ)償設(shè)計(jì)1單式軸向型膨脹節(jié)2復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)3彎管壓力平衡型膨脹節(jié)4鉸鏈型膨脹節(jié)5萬向鉸鏈型膨脹節(jié)當(dāng)管道輸送介質(zhì)或管道所處環(huán)境有溫度變化時(shí)，管道由溫度引起的熱脹冷縮是不可避免的，如果不采取一定的方式補(bǔ)償該尺寸變化，將會(huì)在管壁內(nèi)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，通過管道傳至固定管架或設(shè)備，當(dāng)溫差過某一范圍時(shí)，溫差應(yīng)力大于管子可承受的應(yīng)力范圍，這時(shí)就必須考慮補(bǔ)償問題。在管系補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，最為經(jīng)濟(jì)的是自然補(bǔ)償，自然補(bǔ)償是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性來補(bǔ)償熱位移， 顯然自然補(bǔ)償?shù)哪芰κ怯邢薜?，?dāng)自然補(bǔ)償不能要求時(shí)， 通常應(yīng)考慮設(shè)置膨脹節(jié)。管系所受載荷主要是外

2、力載荷（管道及流動(dòng)介質(zhì)自重，內(nèi)壓，風(fēng)載，地震 荷載等和位移載荷，設(shè)置管架的目的在于消除外載作用在設(shè)備或管道上的作用力，且可把復(fù)雜管系分隔成形狀比較簡(jiǎn)單，獨(dú)立膨脹的管段，保證膨脹節(jié)的最佳使用效果。設(shè)置膨脹節(jié)的目的，在于吸收管道自身無法吸收的熱變形，最大限度地減小位移載荷。本文根據(jù)不同類型膨脹節(jié)的使用特點(diǎn)，給出了幾種典型管系的補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際，對(duì)三鉸鏈型膨脹節(jié)（包括萬向鉸鏈型）所組成的系統(tǒng)，復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，彎管壓力平衡型膨脹節(jié)在工作中對(duì) 管架或設(shè)備的作用力和力矩進(jìn)行了分析計(jì)算，討論了膨脹節(jié)中波紋管的腐蝕問題。膨脹節(jié)的類型及典型管段的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。1、單式軸向型膨脹節(jié)由一個(gè)波紋管和兩個(gè)可與相鄰管

3、道、設(shè)備相接的端管（或法蘭）等組成的撓性裝置，主要用于補(bǔ)償直管段軸向位移， 另外也可以吸收少量的橫向位移，圖1是采用軸向型膨脹節(jié)設(shè)置實(shí)例。11 rfTl 1Audi qi1Al O昭Pe筑Mil業(yè)機(jī)在存在橫向位移或存在軸向與橫向組合位移的場(chǎng)合， 使用單式膨脹節(jié)所受到的限制主要是膨 脹節(jié)吸收橫向位移的能力有限。 另外在工作壓力，溫度較高，直徑較大或無法在結(jié)構(gòu)物上安 設(shè)主固定支架或多個(gè)導(dǎo)向支架的場(chǎng)合，使用軸向型膨脹節(jié)可能行不通。2、復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)由中間接管連接的兩個(gè)波紋管及拉桿、端板等組成的撓性裝置，以橫向位移方式補(bǔ)償平面或立體彎曲管段的熱位移，拉桿裝置應(yīng)能承受壓力推力及其附加外力的作用。復(fù)式拉

4、桿型膨脹節(jié)特別適合吸收橫向位移，此外，這種設(shè)計(jì)形式也可用于吸收軸向位移，角位移以及任意由這三種形式合成的位移，一般用法是將這種帶連桿的膨脹節(jié)設(shè)置在呈90°的“ Z”形管系的中間管臂內(nèi)，調(diào)整連桿以阻止外部的軸向位移，圖2、3是兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。蟻式扌毎桿型鷹脹節(jié)I一端橇；2; 3中血管；4-彼絞普；S球卿協(xié)斷喘勞圖2表示，復(fù)式連桿型膨脹節(jié)吸收單平面“Z”形彎管的橫向位移，中間管臂連桿以內(nèi)的熱位移用膨脹節(jié)的軸向位移來吸收，水平管線的熱位移由膨脹節(jié)的橫向位移來吸收。由于壓力推力是由連桿來承受的， 所以兩端均使用中間固定支架，由于作用于管線上的軸向力，是膨脹節(jié)產(chǎn)生的變形反力， 因此只需使用導(dǎo)向支

5、架。 中間管臂上位于連桿以外的部分，如兩端彎管的熱膨脹必須由水平管道的彎曲來吸收。圖3是在空間“ Z”彎管中使用帶連桿的萬能式膨脹節(jié)的典型實(shí)例。由 于萬能式膨脹節(jié)可以吸收任何方向的橫向位移，所以兩個(gè)水平管臂可以在水平面 上處于任意方位。3、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)由兩個(gè)或一個(gè)工作波紋管和一個(gè)平衡波紋管以及端管，端板、彎頭、封頭、拉桿等組成的撓性裝置，用于補(bǔ)償管段的軸向位移， 橫向位移或二者的合成位移， 且不使固定管架或相 連設(shè)備承受壓力推動(dòng)的作用，拉桿裝置承受壓力推力和其它附加外力的作用。彎管壓力平衡式膨脹節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)，是它在吸收來自外部的軸向位移時(shí)，不會(huì)使系統(tǒng)受到內(nèi)壓推力的作用。由波紋管整體剛度

6、造成的力并未消除，實(shí)際上這個(gè)力一般要超過單式膨脹節(jié)位移引起的彈 力。因?yàn)楣ぷ鞑y管和平衡波紋管都要受到壓縮或拉伸，作用在管道或設(shè)備上的力是兩者的軸向合力。1）、圖4是存在軸向與橫向組合位移的時(shí)使用彎管壓力平衡式膨脹節(jié)的 典型實(shí)例，在管道的端部和汽輪機(jī)上的支架均為中間固定支架，并且只需要使用 導(dǎo)向支架，采用合理的設(shè)計(jì)可以使汽輪機(jī)上方的導(dǎo)向支架承受使膨脹節(jié)產(chǎn)生軸向 位移的作用力，避免該力作用到汽輪機(jī)上，作用在汽輪機(jī)上的只有使膨脹節(jié)產(chǎn)生 橫向位移的作用力。彎背壓力平謝型膨脹節(jié)I嫌管；2 -端板；3巾間訃：4王作波itW; 二涌：2圖5所示為一種常見的非常適于使用彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的場(chǎng)合。在工藝操作

7、中，容器和豎向管道的膨脹量可能不同，按圖示安裝一壓力平衡式膨脹節(jié)，豎直方向的位移差可以由膨脹節(jié)的軸向位移吸收，容器中心線到管線之間的熱膨脹可由膨脹節(jié)的橫向位移吸收。25=rA4、直管壓力壓力平衡型膨脹節(jié)直管壓力平衡舉膨脹節(jié)一煨竹；2工作3拉桿：4¥衛(wèi)波紋管：5端St4、鉸鏈型膨脹節(jié)由一個(gè)波紋管、兩組與端管相連的鉸鏈板及一對(duì)銷軸等組成的撓性裝置，鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)一般以兩、三個(gè)作為一組使用，用于吸收單平面管系中一個(gè)或多個(gè)方向的橫向位移。在這種系統(tǒng)中每一個(gè)膨脹節(jié)被它的鉸鏈板所制約，產(chǎn)生純角位移，然而，被管段分開的每對(duì)鉸鏈型膨脹節(jié)互相配合可吸收橫向位移。給定單個(gè)膨脹節(jié)的角位移，每對(duì)鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)所

8、能吸收的橫向位移與其鉸鏈銷軸之間的距離成正比，因此，為了便膨脹節(jié)充分發(fā)揮應(yīng)用，應(yīng)盡量加大這一距離。膨脹節(jié)的鉸鏈板通常用于承受作用于膨脹節(jié)上的全部壓力推力，另外也可以用來承受管道和設(shè)備的重量、風(fēng)載等。1）圖6是用雙鉸鏈系統(tǒng)吸收單平面“ Z”形彎管的主要熱膨脹，由于壓 力推力是由膨脹節(jié)上的鉸鏈板來承受的，只需在管系的兩端設(shè)置中間固定支架， 由于膨脹節(jié)受鉸鏈制約只能產(chǎn)生純角位移，不能伸縮，包含有膨脹節(jié)的中間管臂 的熱膨脹必須由與它相垂直的管臂發(fā)生彎曲來吸收，兩個(gè)長(zhǎng)管臂的彎曲撓度由正 確設(shè)計(jì)的導(dǎo)向支架和支架來控制。I卜-請(qǐng)?bào)狻縼A一斑蟻誕較；3詢軸；足甘：5 -匸枚童&主強(qiáng)圖7表示在單平面彎管中

9、的三鉸鏈型膨脹節(jié)系統(tǒng)， 豎直管段的熱膨脹將由B和C兩個(gè)膨 脹節(jié)的動(dòng)作來吸收，水平管段的熱膨脹由 A和B兩個(gè)膨脹節(jié)來吸收， 很明顯，膨脹節(jié)B的角 位移是A和C之和。17本例中所有的熱變形全部被膨脹 如果左側(cè)的固定支架與第一個(gè)鉸 該支架為以承受膨脹節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的力， 為了保持管系位于平面內(nèi)， 并消除和前面的示例一樣，在管系兩端只用中間固定支架來固定, 節(jié)所吸收，因管道的熱變形作用于固定支架的載荷非常小， 鏈型膨脹節(jié)的間距較大，在靠近膨脹節(jié)處應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架, 從而減少膨脹節(jié)C至左側(cè)固定支架之間部分管道的彎曲，可能由外載所產(chǎn)生的作用于鉸鏈的彎曲力，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)向支架，管系的支撐可以 采取多種方式，對(duì)

10、膨脹節(jié)之間的管道進(jìn)行支撐而不妨礙其自由移動(dòng)時(shí)，可采取彈簧支吊架。3）圖8是彎管角度不等于90°時(shí)，使用鉸鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)的示例。鉸鏈型膨脹節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的尺寸緊湊， 便于安裝，而且可以使它的鉸鏈板具有很大的剛度和強(qiáng)度，使用它們通常可以對(duì)構(gòu)形不規(guī)則的復(fù)雜管線的熱膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，在這樣的管線上使用別種膨脹節(jié)往往行不通，由于鉸鏈結(jié)構(gòu)能夠傳遞載荷，鉸鏈型膨脹節(jié)的管系施加到固定支架的作用力很小，這 種系統(tǒng)的支撐點(diǎn)可設(shè)在不妨礙系統(tǒng)活動(dòng)的任何位置上，這給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的自由5、萬向鉸鏈型膨脹節(jié)由一個(gè)波紋管，萬向鉸鏈環(huán)及兩對(duì)與萬向鉸鏈環(huán)和端管相連的鉸鏈板等組 成的撓性裝置。通常以兩個(gè)萬向鉸鏈型或以兩個(gè)萬向鉸鏈型與一個(gè)單式鉸鏈型膨 脹節(jié)一起配套使用，如圖9,兩個(gè)萬向鉸鏈型膨脹節(jié)協(xié)同動(dòng)作吸收上、下兩個(gè)水 平管臂的組合位移，鉸鏈型膨脹節(jié)則與上部的萬向鉸鏈型膨脹節(jié)互相配合吸收豎 直管臂的位移。用萬向鉸鏈型膨脹節(jié)構(gòu)成的系統(tǒng)與上節(jié)提到的用鉸鏈型膨脹節(jié)構(gòu)成的系統(tǒng)是有類似的優(yōu)點(diǎn)，但萬向較鏈型膨脹節(jié)的應(yīng)用具有更大的靈活性， 它不限于單平 面系統(tǒng)。/晤