平衡式波紋管補償器的安裝結(jié)構(gòu)及工作原理

1、平衡式波紋管補償器是利用流體力學(xué)的原理在一般波紋管補償器的基礎(chǔ)上設(shè)計的一種新型的、國內(nèi)外領(lǐng)先的管道補償器。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計為外套管的內(nèi)截面積等于連接管內(nèi)截面積。使管道內(nèi)介質(zhì)對固定支架沒有推力。從而使補償器的應(yīng)用進入了一個新的時期和高度。一、前 言 在熱力管網(wǎng)敷設(shè)中，補償器是保證管道安全運行的重要部件。目前在國內(nèi)采用的補償器中，波紋管補償器己占有舉足輕重的地位，而且很有發(fā)展前景。但是由于波紋管本身是一個彈性體，如果管內(nèi)介質(zhì)壓力過高，而且對波紋管保護又不好，很可能將其拉壞，在熱力管網(wǎng)中，如果采用波紋管補償器對其補償，在管網(wǎng)轉(zhuǎn)角、閥門或者盲板處介質(zhì)作用力必定要作用到固定支架上，作用力的大小等于波紋管的有

2、效截面積S乘以管內(nèi)工作介質(zhì)壓力p,即SP。由于該力的作用必定要加強固定支架的強度和剛度，提高了固定支架的造價，并影響管網(wǎng)的運行安全性，特別在高壓力大口徑的情況下，這個作用力是很大的，它的大小與管網(wǎng)工作介質(zhì)的壓力成正比，與管徑的平方成正比。 以DN600管徑為例，如果工作介質(zhì)的壓力為2.5MPa，則這個作用力為: F=SP 式中 F- 工作介質(zhì)對固定支架的作用力，N P- 管內(nèi)工作介質(zhì)壓力，Pa S- 波紋管補償器的有效截面積， 對DN600波紋管補償器，S=0.3538m2 F=SP=0.3538X2.5X1O6= 這是一個很大的力，特別在高架管線中，不僅給設(shè)計管道支架帶來很大困難，也給施工帶

3、來諸多不便，并且還提高了工程造價。 平衡式波紋管補償器是在軸向型波紋管補償器的基礎(chǔ)上設(shè)計的一種新型管道補償裝置，該補償器利用流體力學(xué)平衡原理，可消除管道的內(nèi)壓力對固定支架的作用力，該補償器中自帶導(dǎo)向，它簡化了管網(wǎng)設(shè)計，給管網(wǎng)設(shè)計和施工帶來很大方便，并且既能降低土建工程造價，又能使設(shè)備成本降低，還提高了管網(wǎng)運行安全性，因此說平衡式波紋管補償器是一種理想的熱力管道補償裝置，具有很高的社會效益和經(jīng)濟效益。 二、平衡式波紋管補償器的工作原理 平衡式波紋管補償器主要由左、右外接管、外套管及工作波紋管和密封波紋管組成: 見圖1，該補償器的具體結(jié)構(gòu)如下:工作波紋管1的兩

4、端分別和左外接管3、右外接管4焊接，左外接管3、右外接管4分別焊有盲板8、9。在工作波紋管外部設(shè)有導(dǎo)流套7，在左、右外接管3、4外部設(shè)有套管5，套管5左端與左外接管3焊接，套管5右端與右外接管4可相對移動。右外接管4上焊有檔蘭10，密封波紋管2的兩端分別與檔蘭10、套管5右端焊接，在左、右外接管3、4上分別開有介質(zhì)進出孔11.12.連通管6穿過左外接管、盲板8并與左外接管3、盲板8相焊接。連通管6保證兩盲板8、9之間的壓力與外界大氣壓力相同。在套管5上部設(shè)有放氣口，下部設(shè)有排水口。 管道在正常運行時，右外接管4右端的管道設(shè)有固定立架，并在固定支架的右面有轉(zhuǎn)角、閥門或盲板等，這樣由于管道內(nèi)介質(zhì)壓

5、力對轉(zhuǎn)角、閥門或盲板處的作用，從而對固定支架產(chǎn)生向右的推力，推力的大小為管道截面積r23與管內(nèi)介質(zhì)壓力p的乘積(即r23P）。 在右外接管4的左端焊有盲板9，介質(zhì)對盲板9有一個向左的推力，其推力大小也為r23P，它與作用于轉(zhuǎn)角、閥門或盲板處的力大小相等方向相反，互相抵消，從而形成介質(zhì)內(nèi)壓對固定支架無作用力。 圖2為工作波紋管、密封波紋管及接管的有效面積參考示意圖。 下面就圖中r1、r2的尺寸來說明平衡式波紋管補償器對固定支架的推力。 當(dāng)r1=r2(r2r3+)，為右外接管壁厚，此時因r1=r2，作用在固定支架上會存在兩個大小相等方向相反的力，其值為r12P=r22P。在固定支架上介質(zhì)作用力為

6、F=r12Pr22P=0 故此種結(jié)構(gòu)形式的補償器稱為平衡式補償器。 當(dāng)r12P=r32P+Kx時，其中K為波紋管的剛度，x為波紋管補償量，Kx為波紋管彈性力。此時作用在固定支架上的介質(zhì)內(nèi)壓推力為 F=r12Pr32P=Kx 此作用力的大小正好為波紋管的彈性力。供熱管道在正常運行時，因管道受熱，波紋管被壓縮產(chǎn)生對固定支架一個推力，其推力大小為Kx,但由于波紋管受壓產(chǎn)生的彈性力與介質(zhì)內(nèi)壓產(chǎn)生的推力大小相等方向相反，此時固定支架上無任何推力。 工作時，管道中介質(zhì)通過左外接管3，經(jīng)孔11流入套管5中，再經(jīng)孔12流入右外接管4中，當(dāng)管道受溫度影響發(fā)生位移時，右外接管4與套管5可相對移動。工作波紋管和密封

7、波紋管2可起到密封作用。工作波紋管，內(nèi)空間室由于右外接管4相對移動引起的壓力變化可通過連通管6進行調(diào)節(jié)。三、平衡式波紋管補償器的特點1.減小對固定支架的推力 平衡式波紋管補償器能使固定支架受到的推力減小，使固定支架結(jié)構(gòu)尺寸都可做到最小，能大量地降低土建工程費用。2.無導(dǎo)向支架 目前工程設(shè)計中，一般在波紋管補償器的一端設(shè)置固定支架，另一端設(shè)置導(dǎo)向支架。導(dǎo)向支架的設(shè)置使得管網(wǎng)支架增多，因而工程費用很高。平衡式波紋管補償器從自身結(jié)構(gòu)上解決了管道的導(dǎo)向問題，從而達到設(shè)計管網(wǎng)時不必在其另一側(cè)再設(shè)導(dǎo)向支架，既簡化了管網(wǎng)設(shè)計又便于補償器的施工安裝。3.提高了波紋管的耐壓性 平衡式波紋管補償器從結(jié)構(gòu)設(shè)計上使之

8、成為外壓型，從而提高了波紋管的承壓能力，延長了波紋管使用壽命。4.解決了波紋管凹處積水的問題 通常管網(wǎng)中的波紋管補償器代管網(wǎng)停止運行時，往往在波紋管的凹處積水，時間一久，波紋管便受到腐蝕，降低了波紋管使用壽命。平衡式波紋管補償器的工作波紋管內(nèi)部不存在工作介質(zhì)，所以不可能有積水問題。另外，由于套管的存在，當(dāng)管網(wǎng)停止運行時，管內(nèi)剩余介質(zhì)只能沉積在套管中，又因套管下部設(shè)有放水口，打開此口介質(zhì)就會排出。5.防止保溫材料對波紋管的度蝕 在供熱管網(wǎng)中，為了減少管網(wǎng)散熱損失，必須對波紋管補償器進行保溫。如果將保溫材料直接包在波紋管外部，勢必造成波紋管的腐蝕，縮短了波紋管的使用壽命。而且由于波紋管的軸向運動，

9、會使保溫層松動破壞。平衡式波紋管補償器的保溫材料直接包在套管外部，與波紋管不接觸，從而避免了由于保溫材料而造成的對波紋管的腐蝕，提高了波紋管的使用壽命。6.設(shè)備成本低 目前國內(nèi)一般己有的波紋管補償器，為了減小對固定支架的推力，至少由三段波紋管組成，使得設(shè)備價格較高，影響了推廣使用，而平衡式波紋管補償器只有兩段波紋管組成即可解決，從而降低了設(shè)備成本，有利于推廣使用。四、平衡式波紋管補償器的安裝及計算1.管道熱伸長量 供熱管道安裝后，由于管內(nèi)介質(zhì)的加熱作用會引起管道受熱伸長。管道的熱伸長量可按下式計算: L=a(t1-t2)L 式中 L- 管道的熱伸長量，mm a- 管道的線膨脹系數(shù)，mm/m，

10、一般可取a=1.2Xl0-2，mm/m t1- 管壁最高溫度，可取介質(zhì)的最高溫度， t2- 管道安裝時的溫度， L- 計算管段的長度，m2.計算預(yù)拉量 預(yù)拉量一般取計算管段熱伸長量的一半。3.固定支架受到的推力計算 設(shè)計熱力管道固定支架時，必須首先考慮它的受力狀況。固定支架所受的水平推力由下列兩方面產(chǎn)生:(1)由于活動支架上的摩擦力而產(chǎn)生的水平推力Pm。(2)平衡式波紋管補償器本身的彈性力產(chǎn)生的水平推力Pm。 管道與活動支架間的摩擦力Pm用下式計算: Pm=quK 式中 Pm- 管道與活動支架間的摩擦力，N u- 活動支架上的摩擦系數(shù)，可取下列數(shù)值: 鋼與鋼接觸,u=0.3 鋼與混凝土接觸，u

11、=0.6 q- 該管段的單位長度計算重量，N/m.q主要包括管道自重、 介質(zhì)自重、保溫材料及外保護殼重量。 為了減少管道的摩擦阻力，工程上也常采用滾動支架，其摩擦力為 Pm=LqK/R+Lqfr 式中 K- 滾動力臂，一般取K=0.05cm R- 滾筒半徑,cm r- 滾筒的軸半徑，cm f- 滾筒軸和軸承的摩擦系數(shù)，取f=0.1 平衡式波紋管補償器本身的彈性力Ptm可由下式計算: Ptm=a(f1+f2)x 式中 f1- 工作波紋管的軸向剛度，N/mm f2- 密封波紋管的軸向剛度，N/mm x- 工作波紋管的補償量，mm a- 系數(shù)，波紋管預(yù)拉時，a=1/2;無預(yù)拉時，a=1 為了減少補償

12、器在運行時對固定支架的軸向推力，在補償器安裝前應(yīng)進行必要的預(yù)拉，預(yù)拉量x按下式計算: x=x1/2-(ta-td)/(tg-td) 式中 x- 補償器的補償量，mm ta- 管道安裝溫度， td- 管道最低溫度， tg- 管道運行時的最高溫度， 對于高溫管道(tgta)，預(yù)拉量為正，應(yīng)將補償器預(yù)拉伸;對于低溫管道(tgta)，預(yù)拉量為負(fù)，應(yīng)將補償器預(yù)壓縮。熱力管道屬于前者。當(dāng)ta=td時，x=1/2x。所以一般資料介紹，預(yù)拉量可以取補償量的一半，但是這一結(jié)論的前提是管道安裝溫度與最低溫度近似相等。當(dāng)tatd時，x1/2x；當(dāng)tatd時，x1/2x。 在分析管道軸向力的同時，還應(yīng)注意到管道的橫向推力，由于在安裝管道時，管線的布置不可能絕對平直，因此受熱后不僅軸回移動，還會造成徑向位移。如果導(dǎo)向支架不能承受所加的橫向載荷或?qū)蚧鍌?cè)回形狀不規(guī)則、表面粗糙等，其摩擦阻力隨橫向推力的增大而增大，