管材的線膨脹及伸縮量的計算

1、-第一節(jié) 管材的線膨脹及伸縮量的計算一、熱膨脹量的計算管道安裝完畢投入運行時，常因管介質(zhì)的溫度與安裝時環(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上下，也會引起管道的伸縮。實驗證明，溫度變化而引起管道長度成比例的變化。管道溫度升高，由于膨脹，長度增加；溫度下降，則由于收縮，長度縮短。溫度變化1度相應(yīng)的長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80*106，約為碳素鋼的七倍。管材受熱后的線膨脹量，按下式進(jìn)展計算：式中L管道熱膨脹伸長量(m)；a管材的線膨脹系數(shù)(1K)或(1)；t2管道

2、運行時的介質(zhì)溫度()；tl管道安裝時的溫度()，安裝在地下室或室時取t1=5；當(dāng)室外架空敷設(shè)時，t1應(yīng)取冬季采暖室外計算溫度；L計算管段的長度(m)。不同材質(zhì)管材的。值見表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，其伸長量的計算公式為式中12×106常用鋼管的線膨脹系數(shù)(1)。根據(jù)式(22)制成管道的熱伸長量L表(見表22)，由表中可

3、直接查出不同溫度下相應(yīng)管長的熱伸長量。例有一段室熱水采暖碳素鋼管道，管長70m，輸送熱水溫度為95，試計算此段管道的熱伸長量。解根據(jù)鋼管的熱膨脹伸長量計算式(22)L=12×106(t1t2)L =12×10695+5×70=0.084m由管長及送水溫度，直接查表22，也可得管道的熱伸長量L。如果管道過介質(zhì)的溫度低于環(huán)境溫度，則計算出來的是縮短量。表22水和蒸汽管道的熱伸長量L表(m)管段長L/m熱水溫度6070809095100110120130140143151158164170175179183蒸汽表壓MPa0.04900980.1760.265029403

4、920.4905880686078408820.985101520253035404550556065707580859095100105110481115192326303438414549535660646871757983491318222631354044485357626670757983889296510152025303540455055606570758085909510010911061117232834404551576268747985901021071131191246121824303642485460667177838995101107113119125131613

5、192531384450566369758188941001061131191251311387142128344148556269768389961031101171241301371441518152330384553606875839098105113120128135143150158165816243341495765738l89981061131221301381461541631701809182635445361707988105114123131140149157166175184194918273645546372818999107116125134143152161170

6、1791881971019283847576676859510411412313214215216117118019019920810203040506070肋90991091191291391481581681781881982082181021314151跎728293103113123133144154164174185195205215226112132435364748510611712813814915917018019120221222323411*3344556677889911012013114215416417518619720821923024011*3345566779

7、9010111212313414515716818019020021222423524612233446579印92103114126137148160172183194205217229240252二、熱應(yīng)力計算如果管道兩端不固定，允許它自由伸縮，則熱伸縮量對管予的強度沒有什么影響。假設(shè)在管子的兩端加以限制，阻止管子伸縮，這時在管道部將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的計算式為式中管材受熱時所產(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；管段的相對變形量，=L/L為管段的熱膨脹量(m)；L為在室溫下安裝的管段原長度(m)。由上式

8、可見，管道受熱時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，僅與管材的彈性模量、線膨脹系數(shù)、管段的長度及管道受熱時溫度的變化幅度有關(guān)，而與管徑大小及管壁厚薄無關(guān)。如果將式(21)代人=L/L中，則=at，則熱應(yīng)力的計算式可寫成為=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。對于碳素鋼管，線膨脹系數(shù)取12×106m(m)，彈性模量取20.104×104MNm2。則，鋼管的熱應(yīng)力計算式可簡化為=2.4125t利用式，可以很容易地計算出鋼管受熱時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。例 有一段兩端固定的碳素鋼管，安裝時室溫為5，投入運行后管子溫度為130，求該管道由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。解 管道投入

9、運行后與安裝時的溫度差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)筑物都是無能為力的，只有選用適當(dāng)?shù)难a償裝置，任其自由伸縮，消除熱應(yīng)力，才能確保管道系統(tǒng)的平安運行。第二節(jié)管道的固定支架及自然補償一、管道的固定支架為了防止管道受熱后上下左右移動，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)生的伸長量由管道本身的彎曲部件或管道中設(shè)置的伸縮器進(jìn)展補償。只有當(dāng)鋼管的溫度變化(t

10、)小于32時，管道的熱應(yīng)力不超過鋼材的許用應(yīng)力，才不考慮補償?shù)膯栴}。管道安裝中應(yīng)盡量利用其本身彎曲部件的補償能力。由固定點起，允許不裝伸縮器的直管段長度L見表23，該表同時適用于帶有支管的干管，如圖21所示。表23由固定點起，允許不裝伸縮器的直管段的最大長度(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固定點2千管3支管當(dāng)受熱管段本身彎曲部件的補償能力不能滿足要求時，在

11、管道中必須設(shè)置補償裝置，其固定支架間的最大間距見表24。固定支架安裝時，一般直接栽人墻或固定在柱子上，其埋人墻的深度最好與壁厚相等，四周空隙用150號碎石混凝土灌注。在地溝墻上安裝較大管道固定支架，可在砌筑地溝時，在安裝位置預(yù)留400mm*300mm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。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6570809010G115130145160180200方形伸宙鋁無地溝敷沒m455

12、C556065707090901113110110125125125管道公稱直徑 DNmm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸宿68地溝或架空敷設(shè)m3035455055圃6570809010G115130145160180200方形伸宙鋁無地溝敷沒m455C556065707090901113110110125125125二、自然補償管道系統(tǒng)中彎曲部件的轉(zhuǎn)角不大于150°時，均可做為自然補償裝置。其優(yōu)點是簡單、可靠。但彎管轉(zhuǎn)角大于150°時；不能做為自然補償裝置，否則會產(chǎn)生側(cè)向移動過多的現(xiàn)象，嚴(yán)重時使管道系統(tǒng)損壞

13、。此外，在自然補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。因為有法蘭連接方式的接頭時，由于管道熱膨脹自然補償產(chǎn)生的剪切力的作用，法蘭處容易發(fā)生事故。常見的自然補償部件有L形和Z形兩種。1L形管段的自然補償 如圖22所示的L形管段。11為其短臂，L1為長臂，其夾角為90°150°。受熱后，產(chǎn)生如圖22中虛線所示的變形，使管段的熱應(yīng)力得到減小，從而起到一定的自然補償作用。同時，管段兩邊固定點A、B處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其中短臂固定點A處的彎曲應(yīng)力最大，需要通過計算加以校核，看其是否超過管材許用彎曲應(yīng)力。在實際工作中，常常根據(jù)長臂的熱伸長量和管

14、材的許用彎曲應(yīng)力反求出短臂的最小長度，看其是否適宜。如果短臂長度小于最小長度，則可適當(dāng)調(diào)整兩固定點的位置，增加短壁長度或減小長臂長度，使兩臂長度相適應(yīng)。對于兩臂夾角為90°的L形碳素鋼管，當(dāng)長臂的長度并計算出其熱伸長量時，可用下式粗略地計算出自然補償所需短臂的長度。 圖22 L形管段的自然補償式中L1短臂長度(m)；L長臂上的熱伸長量(mm)；DW管子外徑(mm)。例 外徑為159mm的碳素鋼管直角L形管段，其長臂長度L=20m，溫差t=200，求自然補償所需短臂的長度L1。解由式(22)可知，長臂的熱伸長量為L二0012TL=0012×200×20=48mm將L

15、之值代人式(25)，則所需短臂的長度為2Z形管段的自然補償在管道上的兩固定點之間，由兩個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，從而起到一定的補償作用。圖23 Z形管段的自然補償根據(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L的計算公式式中L垂直臂長度(刪)；L熱伸長量，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短臂與垂直臂長之比，k=L1/L。當(dāng)實際垂直臂長小于計算出來的上值時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整兩平行管段的長度，即縮短長臂，加長短臂，使其總長不變?；蛘哌m

16、當(dāng)加長垂直臂。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，在直管道上每隔一定距離應(yīng)設(shè)置伸縮器。補償?shù)姆椒ㄊ牵河霉潭ㄖЪ軐⒅惫苈钒此x伸縮器的補償能力分成假設(shè)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90°彎管組成。彎管應(yīng)盡量用無縫鋼管煨制，組成方形伸縮器的彎管其彎曲半徑取R4D，在乎臺上進(jìn)展組對，四個彎曲角應(yīng)在同一平面上。方形伸縮器制作維修方便，補償能力大，運行可靠，在供熱管網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。只有當(dāng)安裝地點受限制時，才選用其它類型的伸縮器。

17、方形伸縮器根據(jù)邊長和臂長的比值不同而分為四種類型，如圖24所示。選用時先根據(jù)管段長度和輸送介質(zhì)溫度及管徑，從表22中查出熱伸長量L，再由表25介紹的各類型方形伸縮器的尺寸和補償能力直接選型。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，并結(jié)實固定后才進(jìn)展安裝。吊裝時，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)撐其補償量的一半(即L/2)，偏差不應(yīng)大于±10mm，以充分利用其補償能力。預(yù)拉伸焊縫位置應(yīng)選擇在距伸縮器彎曲起點22.51m處。常用如圖25所示的拉管器進(jìn)展預(yù)拉。操作方法有兩種：一種是利用一個拉管器進(jìn)展冷拉，如圖26所示；先將未拉伸的伸

18、縮器的一端與管道找平焊結(jié)實定，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，拉開伸縮器到管子接口處對齊焊好。另一種是利用兩個拉管器分別安裝在伸縮器兩側(cè)接口處同時進(jìn)展冷拉，每側(cè)拉伸量為L4，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利用一個拉管器冷拉示意圖圖27利用兩個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臂撐開來實現(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)與連接收道一樣，以利于介質(zhì)流過，不應(yīng)有橫向傾斜。當(dāng)必須橫向傾斜或垂直安裝時，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

19、，為防止焊縫產(chǎn)生拉開、裂紋缺陷，一定要注意待焊縫完全冷卻后，方可將預(yù)拉器具撤除。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償能力，占地小，安裝簡單，但易漏水，需要經(jīng)常檢修更換填料。因此，在遇水能發(fā)生危險的場合，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。安裝前應(yīng)將伸縮器拆開，檢查部零件及填料是否齊備，質(zhì)量是否符合要求。安裝時，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)置一個導(dǎo)向支架(導(dǎo)向支架可參照弧形板滑動支架形式進(jìn)展制作)，以免管道運行時偏離中心位置。套管式伸縮器在安裝時，也應(yīng)進(jìn)展預(yù)拉，其預(yù)拉后的安裝長度，應(yīng)根據(jù)管段受熱后的最大伸縮量來確定。同時還應(yīng)考慮到管道在低于安裝溫度