管材的線膨脹與伸縮量的計(jì)算

1、第一節(jié)管材的線膨脹及伸縮量的計(jì)算一、熱膨脹量的計(jì)算管道安裝完畢投入運(yùn)行時(shí)，常因管內(nèi)介質(zhì)的溫度與安裝時(shí)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(huì)引起管道的伸縮。實(shí)驗(yàn)證明，溫度變化而引起管道長(zhǎng)度成比例的變化。管道溫度升高，由于膨脹，長(zhǎng)度增加；溫度下降，則由于收縮，長(zhǎng)度縮短。溫度變化1度相應(yīng)的長(zhǎng)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 X10 6/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(jìn)行計(jì)算：=L = : 1 -t 2 L式中L 管道熱膨脹伸長(zhǎng)m);?管材的線膨

2、脹系數(shù)1 / K)或(1 /C )；t 2管道運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)溫度(C )；ti管道安裝時(shí)的溫度C),安裝在地下室或室內(nèi)時(shí)取t1=5C；當(dāng)室外架空敷 設(shè)時(shí)，t1應(yīng)取冬季采暖室外計(jì)算 溫度；L計(jì)算管段的長(zhǎng)財(cái))。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)& (X 10 6/ C)管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)& (X 106/0碳素鋼12純銅(紫銅)16.4鑄鐵11.1黃銅18.4中銘鋼11.4鋁23.6不銹鋼10.3聚氯乙烯80鍥鋼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(yīng)用最廣，其伸長(zhǎng)量的計(jì)算公式為12 10A M-t2 L根據(jù)式(2 2)制成管道

3、的熱伸長(zhǎng)量溫度下相應(yīng)管長(zhǎng)的熱伸長(zhǎng)量。例有一段室內(nèi)熱水采暖碳素鋼管道，管長(zhǎng) 此段管道的熱伸長(zhǎng)量。解根據(jù)鋼管的熱膨脹伸長(zhǎng)量計(jì)算式=12由已知管長(zhǎng)及送水溫度，直接查表式中12X 10 一 6常用鋼管的線膨脹系數(shù)(1 /) 0L表(見表2 2),由表中可直接查出不同70m，輸送熱水溫度為95 C,試計(jì)算(2 2)_ 6L=12 X 10 (t 1 t 2)LX 10 6( 95+5 )X 70=0.084m2 2,也可得管道的熱伸長(zhǎng)量4Lo如果管道中通過(guò)介質(zhì)的溫度低于環(huán)境溫度，則計(jì)算出來(lái)的是縮短量表2 - 2水和蒸汽管道的熱 伸長(zhǎng)量AL表(m)管段熱水溫度/C長(zhǎng)60708090951001101201

4、30140143151158164170175179183L/m蒸汽表壓/MPa0.0490.0980.1760.2650. 2940. 3920.490. 5880.68607840.8820.985-4566678899101010111111241108910111213141516181819202121XX231511131517181921232426272830313233333420151820232425283033353638404143444546251922252830313438414445475051535556573023263034363841454953545

5、760蹈6466679352631354042444853576163667072747779印40303540454850556065707276肋8285889092453440455154566268737981859093%991011035038445057606369758l8889959910310611011211455414855626669768389%9910410911311712012312660455360687175839098105107114119123128131134137654957657477818998106114116123129133138142

6、14514870536270798388961051131231251321391441491541571607556667585899410311312213113414214815415916416817280607080909510011012013014014315215816417017518018385647585%101106117128138149152161168174180186190194906879901021071131241351461571611711781851911972002059571839510711311913014315416617018018819

7、5202208212217100758810011311912513715016317517919019820521221922422910579921091191251311441581701841881992082152232302352401108396110124131138151165180194197208218226234240246252二、熱應(yīng)力計(jì)算如果管道兩端不固定，允許它自由伸縮，則熱伸縮量對(duì)管予的強(qiáng)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(shí)在管道內(nèi)部將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的計(jì)算式為:- = E 匚式中b 管材受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(mn / m。；E管

8、材的彈性模量(MN / mi),碳素鋼的彈性模量E=20 .104 X 104MN /吊； 管段的相對(duì)變形懦，=AL/L為管段的熱膨脹量(m) ； 1為在室溫下安裝的管段原長(zhǎng)度(m)。由上式可見，管道受熱時(shí)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(zhǎng)度及管道受熱時(shí)溫度的變化幅度有關(guān)，而與管徑大小及管壁厚薄無(wú)關(guān)。如果將式(2 1)代人& = AL/L中，那么& = :t,則熱應(yīng)力的計(jì)算式可寫成為b =E A t從而可知，當(dāng)管道材質(zhì)確定以后，溫度差A(yù) t是決定熱應(yīng)力的最主要的因素。對(duì)于碳素 鋼管，線膨脹系數(shù)取12X10 6m/(mC ),彈性模量取20.104 X 104MN/吊。那么

9、，鋼管的熱 應(yīng)力計(jì)算式可簡(jiǎn)化為b =2.4125 t禾U用式，可以很容易地計(jì)算出鋼管受熱時(shí)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(shí)室溫為一 5C,投入運(yùn)行后管子溫度為130 C,求該管道由于熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。(5)=135 C解管道投入運(yùn)行后與安裝時(shí)的溫度差 t=130 因此，熱膨脹應(yīng)力d =2.4125 t=2.4125 X 135=325.69MN/ mi由以上計(jì)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(guò)了鋼管及接頭等配件的容 2許應(yīng)力（異岡=129.45MN /m）,要想阻止管道的伸縮，任何固定支架及構(gòu)筑物都是無(wú)能為力的，只有選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置,任其自由伸縮，消除熱應(yīng)力，

10、才能確保管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。第二節(jié)管道的固定支架及自然補(bǔ)償一、管道的固定支架為了防止管道受熱后上下左右移動(dòng)，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(zhǎng)量由管道本身的彎曲部件或管道中設(shè)置的伸縮器進(jìn)行補(bǔ)償。只有當(dāng)鋼管的溫度變化（山小于32C時(shí)，管道的熱應(yīng)力不超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力，才不考慮補(bǔ)償?shù)膯栴}。管道安裝中應(yīng)盡量利用其本身彎曲部件的補(bǔ)償能力。由固定點(diǎn)起，允許不裝伸縮器的直管段長(zhǎng)度L見表2 3,該表同時(shí)適用于帶有支管的干管，如圖2- 1所示。表2 3由固定點(diǎn)起，允許不裝伸縮器的直管段的最大長(zhǎng)度（m）房屋 種類熱水溫度/C607080909510011012013015115

11、8170175179183蒸汽表壓/MPa民用建筑5545403533322625222222工業(yè)建筑4655750424037323027527272525242424其固定支架間的最大間距見表相等，四周空隙用150號(hào)碎石400mmX300mr 方孔，然后在預(yù)圖21帶白支管的干管1固定點(diǎn)2干管3支管當(dāng)受熱管段本身彎曲部件的補(bǔ)償能力不能滿足要求時(shí)，在管道中必須設(shè)置補(bǔ)償裝置，2 4。固定支架安裝時(shí)，一般直接栽人墻內(nèi)或固定在柱子上，具埋人墻內(nèi)的深度最好與壁厚 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(shí)，在安裝位置預(yù)留留位置固定好需設(shè)置的固定支架，再用碎石混凝土灌注搗實(shí)表2 4熱力管

12、道固定支架間的最大間距管道公稱直徑DN / mm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸地溝或架空3035455055圃6570809010111314161820宿器敷設(shè)/ mG505000方形伸無(wú)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(shè)/ mG505000方形伸無(wú)地溝敷沒/4

13、55C55606570709090111111121212宙鋁1300555二、自然補(bǔ)償管道系統(tǒng)中彎曲部件的轉(zhuǎn)角不大于15 0。時(shí)，均可做為自然補(bǔ)償裝置。具優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠。但彎管轉(zhuǎn)角大于150。時(shí)；不能做為自然補(bǔ)償裝置， 否則會(huì)產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)過(guò)多的現(xiàn)象， 嚴(yán)重時(shí)使管道系統(tǒng)損壞。止匕外，在自然補(bǔ)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?yàn)橛蟹ㄌm連接方式的接頭時(shí)，由于管道 熱膨脹自然補(bǔ)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(bǔ)償部件有L形和Z形兩種。 1. L形管段的自然補(bǔ)償 如圖2 2所示的L形管段。11為其短臂，L1為長(zhǎng)臂， 其夾角為90

14、 ?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(yīng)力得到減小，從而起到一定的自然補(bǔ)償作用。同時(shí)，管段兩邊固定點(diǎn) A、B處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力， 其中短臂固定點(diǎn)A處的彎曲應(yīng)力最大，需要通過(guò)計(jì)算加以校 核，看其是否超過(guò)管材許用彎曲應(yīng)力。在實(shí)際工作中，常常根據(jù)長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量和管材的許用彎曲應(yīng)力反求出短臂的最小長(zhǎng)度，看其是否合適。如果短臂長(zhǎng)度小于最小長(zhǎng)度，則可適當(dāng)調(diào)整兩固定點(diǎn)的位置，增加短壁長(zhǎng)度或減小長(zhǎng)臂長(zhǎng)度，使兩臂長(zhǎng)度相適應(yīng)。 對(duì)于兩臂夾角為90鞏形碳素鋼管，當(dāng)已知長(zhǎng)臂的 長(zhǎng)度并計(jì)算出 其熱伸長(zhǎng)量時(shí)，可用下式粗略地計(jì)算出自然補(bǔ)償所需短臂的長(zhǎng)度。LD wL1 -1.1 , .00圖2 - 2

15、 L形管段的自然補(bǔ)償式中L1 短臂長(zhǎng)度（m）；L 長(zhǎng)臂上的熱伸長(zhǎng)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(zhǎng)臂長(zhǎng)度L=20m，溫差41=200 C,求自然補(bǔ)償所需短臂的長(zhǎng)度L1解由式(2 2)可知，長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量為L(zhǎng) 二 0. 012 ATL=0 . 012 X 200 X 20=48mm將A L之值代人式(2 5),則所需短臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)r =1.1 ALDW =1.1 嚴(yán)幻 59 =5.55m 300.300Z形管段的自然補(bǔ)償線所本的怦性變形，借以減小管段的熱應(yīng)力，從而起到一定的補(bǔ)償作用圖2 3 Z形管段的凡然補(bǔ)償在管道上的兩固定點(diǎn)之間，由兩

16、個(gè) 90。角組成的Z形管段，受熱后產(chǎn)生如圖2 3中虛根據(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(zhǎng)L的計(jì)算公L = 6 LEDw忡 1 +12k )式中L垂直臂長(zhǎng)腳)； L熱伸長(zhǎng)量， L=A LI+ AL2(cm)；Z材料的彈性模郎a) Da管子外得皿)；d管子的彎曲許用應(yīng)力 k短臂與垂直臂長(zhǎng)之比，當(dāng)實(shí)際垂直臂長(zhǎng)小于計(jì)算出來(lái)的上值;時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整兩平行管段的長(zhǎng)度，即縮短 k=L1/L。長(zhǎng)臂，加長(zhǎng)短臂，使其總長(zhǎng)不變?；蛘哌m當(dāng) 加長(zhǎng)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(shí)，在直管道上每隔一定距離應(yīng)設(shè)置伸縮器。補(bǔ)償?shù)姆?/p>

17、法是：用固定支架將直管路按所選伸縮器的補(bǔ)償能力分成若干段，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，具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(gè)90。彎管組成。彎管應(yīng)盡量用無(wú)縫鋼管煨制，組成方形伸縮器的彎 管其彎曲半徑取R 4D,在乎臺(tái)上進(jìn)行組對(duì)，四個(gè)彎曲角應(yīng)在同一平面上。方形伸縮器制作維修方便，補(bǔ)償能力大，運(yùn)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(diǎn)受限制時(shí)，才選用其它類型的伸縮器。方形伸縮器根據(jù)邊長(zhǎng)和臂長(zhǎng)的比值不同而分為四種類型，如圖 2 4 所示。選用時(shí)先根據(jù)管段長(zhǎng)度和輸送介質(zhì)溫度及管徑，從表2 2中查出熱伸長(zhǎng)量A L,再

18、由表2 5介紹的各I型（B -什型（召二口類型方形伸縮器的尺寸和補(bǔ)償能力直接選型。譏型型居0）圖2 4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，并牢固固定后才進(jìn)行安裝。吊裝時(shí)，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(bǔ)償量的一 半（即A L/2）,偏差不應(yīng)大于土 10mm 以充分利用其補(bǔ)償能力。預(yù)拉伸焊縫位置應(yīng)選擇在距伸縮器彎曲起點(diǎn)2? 2.51m處。常用如圖2 5所示的拉管器進(jìn)行預(yù)拉。操作方法有兩種：一種是利用一個(gè)拉管器進(jìn)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(yù)留A L/2的間隙，然后把拉管器安裝在待

19、焊的接口上，擰緊拉管器螺栓，拉開伸縮器到管子接口處對(duì)齊焊好。另一種是利用兩個(gè)拉管器分別安裝在伸縮器兩側(cè)接口處同時(shí)進(jìn)行冷拉，每側(cè)拉伸量L / 4,如圖2 7所示吟2 5年管器1 止滑環(huán) 2角鋼 3螺栓 4 法蘭AL/2圖26利用一個(gè)拉管器冷拉示意圖2 8所不。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，具安裝坡度應(yīng)與連接管道相同，以利于介質(zhì)流過(guò)，不應(yīng)有 橫向傾斜或垂直安裝時(shí)，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，為避免焊縫產(chǎn)生拉開、裂紋缺陷，一定要注意待焊縫完 預(yù)拉器具拆除。橫向傾斜。全冷卻后,當(dāng)必須方可將二、套管式伸縮器套管式伸縮器有鑄鐵制和鋼制兩種，如圖2 9所

20、示。通常用在管徑大于100mm,且工A L/4A L/4圖27利用兩個(gè)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(zhǎng)臂撐開來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)拉，如圖作壓力小于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(bǔ)償 能力，占地小, 安裝簡(jiǎn)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(xiǎn)的場(chǎng)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，檢查內(nèi)部零件及填料是否齊備，質(zhì)量是否符合要求。安裝時(shí)，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(gè)導(dǎo)向支架（導(dǎo)向支架可參照弧形板滑動(dòng)支架形式進(jìn)行制作），以免管道運(yùn)行時(shí)偏離中心位置。套管式伸縮器在安裝時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉，其預(yù)拉后的安裝長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)管段受熱后的 最大伸縮量來(lái)確定。 同時(shí)還應(yīng)考慮到管道在低于安裝溫度下運(yùn)行的可能性，其導(dǎo)管支撐環(huán)和外殼支撐環(huán)之間，應(yīng)