管材的線膨脹及伸縮器1

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算一、熱膨脹量的計算管道安裝完畢投入運行時，常因管內(nèi)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高低，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12X 106/C,而硬質(zhì)聚氯乙烯管的線膨脹系數(shù)為80X10 6/C，約為碳素鋼的七倍。管材受熱后的線膨脹量，按下式進行計算：匚 L =ti 2 L式中 L 管道熱膨脹伸長量

2、(m);管材的線膨脹系數(shù)(1/K)或(1 /C );t2管道運行時的介質(zhì)溫度 (C )；ti管道安裝時的溫度(C )，安裝在地下室或室內(nèi)時取t1= 5C；當室外架空敷設時，t1應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 2 1。表2 1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)0(/ (X 106/ C)管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)& (X 106/ C )碳素鋼12純銅(紫銅)16.4鑄鐵11.1黃銅18.4中鉻鋼11.4鋁23.6不銹鋼10.3聚氯乙烯80鎳鋼13.1氯乙烯10奧氏體鋼17玻璃5在管道工程中，碳素鋼管應用最廣，其伸長量的計算公式為丄=12 10“ b

3、-t2 L式中12X 106常用鋼管的線膨脹系數(shù)(1 /)。根據(jù)式(2 2)制成管道的熱伸長量L表(見表2 2)，由表中可直接查出不同溫度下相應管長的熱伸長量。例有一段室內(nèi)熱水采暖碳素鋼管道，管長70m,輸送熱水溫度為95 C,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(2 2) L=12 X 10 6(t 1 t2)L=12 X 10 6 ( 95+5 )X 70=0.084m由已知管長及送水溫度，直接查表2 2,也可得管道的熱伸長量厶L。如果管道中通過介質(zhì)的溫度低于環(huán)境溫度，則計算出來的是縮短量。表2 2水和蒸汽管道的熱伸長量 L表(m)管段長熱水溫度/ c607080909

4、5100110120130140143151158164170175179183L/m蒸汽表壓/ MPa0.0490.0980.1760.2650. 2940. 3920.490. 5880.68607840.8820.9854456667889910101011111112108910111213141516181819202121XX2315111315171819212324262728303132333334201518202324252830333536384041434445462519222528303134384144454750515355565730232630343638

5、41454953545760跎6466679352631354042444853576163667072747779印40303540454850556065707276肋8285889092453440455154566268737981859093%991011035038445057606369758l8889959910310611011211455414855626669768389%99104109113117120123126604553606871758390981051071141191231281311341376549576574778189981061141161231

6、2913313814214514870536270798388961051131231251321391441491541571607556667585899410311312213113414214815415916416817280607080909510011012013014014315215816417017518018385647585%1011061171281381491521611681741801861901949068799010210711312413514615716117117818519119720020595718395107113119130143154166

7、170180188195202208212217100758810011311912513715016317517919019820521221922422910579921091191251311441581701841881992082152232302352401108396110124131138151165180194197208218226234240246252二、熱應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。若在管子的兩端加以限制，阻止管子伸縮，這時在管道內(nèi)部將產(chǎn)生很大的熱應力，熱應力的計算式為-E ；式中d 管材受熱時所產(chǎn)生的熱應力(MN

8、/ m2)；E管材的彈性模量(MN /m2)，碳素鋼的彈性模量E=20 . 104 X 104MN / m2； 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)。由上式可見，管道受熱時所產(chǎn)生的熱應力，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，而與管徑大小及管壁厚薄無關。如果將式(2 1)代人 = L/L中，那么 = : t，則熱應力的計算式可寫成為d =E : t從而可知，當管道材質(zhì)確定以后，溫度差厶t是決定熱應力的最主要的因素。對于碳素鋼管，線膨脹系數(shù)取 12X 106m/(m C)，彈性模量取20.104X 104M

9、N /m2。那么，鋼管的 熱應力計算式可簡化為d =2.4125A t禾U用式，可以很容易地計算出鋼管受熱時所產(chǎn)生的熱應力。例 有一段兩端固定的碳素鋼管，安裝時室溫為一5 C,投入運行后管子溫度為130C,求該管道由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應力。解管道投入運行后與安裝時的溫度差 t= 130 (5)=135 C因此，熱膨脹應力2d =2.4125 t=2.4125X 135=325.69MN /m由以上計算可以看出，管道受熱后所產(chǎn)生的熱應力遠遠超過了鋼管及接頭等配件的容許 應力(d鋼=129.45MN /m2),要想阻止管道的伸縮，任何固定支架及構筑物都是無能為力的， 只有選用適當?shù)难a償裝置，任其自

10、由伸縮，消除熱應力，才能確保管道系統(tǒng)的安全運行。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置的伸縮器進行補償。只有當鋼管的溫度變化( t)小于32C時，管道的熱應力不超過鋼材的許用應力，才不考慮補償 的問題。管道安裝中應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2 3,該表同時適用于帶有支管的干管，如圖2 1所示。表2 3由固定點起，允許不裝伸縮器的直管段的最大長度(m)房屋熱水溫度/ C60708090951001101

11、20130151158170175179183種蒸汽表壓/MPa類民用5545403533322625222222建筑工業(yè)46557504240373230272727252524242424建筑5圖21帶有支管的干管1 固定點2千管3支管當受熱管段本身彎曲部件的補償能力不能滿足要求時，在管道中必須設置補償裝置，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，在安裝位置預留 400mmX300mm方孔，然后在預留位置固定好需設置的固定支架，再 用碎

12、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2532405C70801012152025303540455060DN / mm050001200000方形伸地溝或架空3035455055圃，65708090 10111314161820宿器敷設/ mG505000方形伸無地溝455C55606570709090111111121212宙鋁敷沒/ m1300555管道公稱直徑DN / mm2532405C70801012152025303540455060050001200000方形伸地溝或架空3035455055圃6570809010111314161820宿68敷設/ m

13、G505000方形伸無地溝敷沒/455C55606570709090111111121212宙鋁m1300555、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， 嚴重時使管道系統(tǒng)損壞。此外，在自然補償管段的拐彎處附近，最好采用焊接，不應采用法蘭連接接頭，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。1. L形管段的自然補償 如圖2 2所示的L形管段。11為其短臂，

14、L1為長臂， 其夾角為90。150。受熱后，產(chǎn)生如圖 2 2中虛線所 示的變形，使管段內(nèi)的熱應力得到減小，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)生彎曲應力， 其中短臂固定點 A處的彎曲應力最大，需要通過計算加以 校核，看其是否超過管材許用彎曲應力。在實際工作中，常 常根據(jù)長臂的熱伸長量和管材的許用彎曲應力反求出短臂 的最小長度，看其是否合適。如果短臂長度小于最小長度， 則可適當調(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。對于兩臂夾角為 90的L形碳素鋼管，當已知長臂的 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。L1-1.

15、1LDW300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 已知外徑為159mm的碳素鋼管直角L形管段，其長臂長度L=20m，溫差 t=200C,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二0. 012 TL=0 . 012X 200X 20=48mm將厶L之值代人式(2 5),則所需短臂的長度為Ll300Ldw “.1. 48 159 = 5.55m3002. Z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2 3中虛可以推算出其垂直即縮短長臂,根據(jù)該管段所產(chǎn)生的彎曲應力

16、不應大于管材的許用彎曲應力的要求, 臂長L的計算公式L _6 LEDw一:匚 112k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);d管子的彎曲許用應力(h);k短臂與垂直臂長之比，k=L1/L。當實際垂直臂長小于計算出來的上值時，應適當調(diào)整兩平行管段的長度, 加長短臂，使其總長不變。或者適當加長垂直臂。第三節(jié)伸縮器的選用和安裝在直管道上每隔一定當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，距離應設置伸縮器。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若干 段，每段管道中設置一伸縮器，吸收熱伸縮

17、，減小熱應力。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，在乎臺上進行組對，四個彎曲角應在同一平面上。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)中得到廣泛應用。只有當安裝地點受限制時，才選用其它類型的伸縮器。2 4所示。選用時先根方形伸縮器根據(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中查出熱伸長量厶L,再由表2 5介紹的各類型方形伸縮器的尺寸和補償能力直接選型。I 型= 20型ni 型(B= O.&G

18、)V5!居 0圖24方形伸縮器的類型伸縮器應在兩固定支架間的管道安裝完畢， 并牢固固定后才進行安裝。吊裝時，應使其 受力均勻，起吊應平穩(wěn)，防止變形。吊裝就位后，必須將兩臂預拉或預撐其補償量的一半 （即 L/2），偏差不應大于土 10mm，以充分利用其補償能力。預拉伸焊縫位置應選擇在距伸縮器彎曲起點22.51m處。常用如圖25所示的拉管器進行預拉。操作方法有兩種：一種是利用一個拉管器進行冷拉，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

19、縮器兩側(cè)接口處同時進行冷拉，每側(cè)拉伸量L / 4，如圖2 7所示。1234圖25拉管器1 止滑環(huán)2角鋼3螺栓4 法蘭AL/2圖26利用一個拉管器冷拉示意圖A L/4A L/4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)預拉，如圖2 8所示。千斤頂圖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，其安裝坡度應與連接管道相同，以利于介質(zhì)流過，不應有橫向傾斜。當必須橫向傾斜或垂直安裝時，則應在易積水處裝設排水閥。方形伸縮器與管道連接好后，為避免焊縫產(chǎn)生拉開、 裂紋缺陷，一定要注意待焊縫完全冷卻后，方可將預拉器具拆除。二、套管式伸縮器套管式伸縮器有鑄鐵制和鋼制

20、兩種，如圖2 9所示。通常用在管徑大于 100mm，且工作壓力小于1. 568MPa（鋼制）及1. 274MPa（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。單向伸縮器應安裝在固定支架旁邊的平直管道 上，雙向伸縮器應安裝在兩固定支架的中間。安裝前應將伸縮器拆開，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， 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)各設置一個導向支架（導向支架可參照弧形板滑動支架形式

21、進行制作），以免管道運行時偏離中心位置。套管式伸縮器在安裝時， 也應進行預拉，其預拉后的安裝長度， 應根據(jù)管段受熱后的最 大伸縮量來確定。同時還應考慮到管道在低于安裝溫度下運行的可能性，其導管支撐環(huán)和外殼支撐環(huán)之間，應留有一定間隙。其預留間隙的最小尺寸可參考表2 6，也可按下列公式進行計算。安裝長度一;圖29套管式伸縮器1填料2外殼支撐環(huán)3導管支撐環(huán) 表26套管式伸縮器的安裝間隙（值） = 1 ( t2 t 1)/ ( t3-t 1)式中導管支撐環(huán)與外殼支撐環(huán)間剩余的可縮長度 1伸縮器最大的可伸縮范圍（mm）;ti室外最低計算溫度（C ）;t2安裝時氣溫（C ）；t3管內(nèi)輸送介質(zhì)的最高溫度 （C ）。三、波形伸縮器波形伸縮器一般用 34mm厚的鋼板制成，因其強度 較低，補償能力小，通常只用于工作壓力不大于 0. 7MPa 的氣體管道或管徑大于 150mm的低壓管道上。波形伸縮器的結構如圖 2