应用波纹补偿器的热力管道固定支架受力计算

应用波纹补偿器的热力管道
固定支架受力计算
王振国
石家庄市热力煤气规划设计院　石家庄市　050031
【摘要】波纹补偿器已在工业和民用的热力
管道上被大量采用,为此,在热力管道上安装着
诸多的固定支架、导向支架和滑动支架。

本文叙
述了固定支架的正确设置和所受轴向水平推力
的计算方法并列出了计算公式。

叙词:热力管道　波纹补偿器　固定支架　水
平推力　内压力　弹性力　摩擦力
一、前 言
波纹补偿器比方形补偿器具有占地空间
小,比套筒补偿器不渗漏等特点,特别是在城镇
集中供热工程中由于受到各种条件的限制,波
纹补偿器得到了广泛的应用。

热力管道固定支架,特别是架空热力管道
固定支架,其受力的大小影响到土建工程量的
大小,影响到整个工程造价,所以正确、准确的
热力管道固定支架轴向水平推力计算,有着非
常重要的经济意义。

目前,有关的专业书籍,对应用波纹补偿器
的固定支架推力计算叙述不详,计算方法也不
一样,厂家提供的产品样本使用说明中,对固定
支架的推力计算,也存在着同样的问题。

本人根
据多年从事热力工程设计工作经验,谈谈如下
看法,供同行们参考。

二、设置和计算的前提条件
进行热力管道固定支架所受水平推力计算
之前,我们必须明确两个问题。

(1)热力管道内介质无论是蒸汽和热水,
启动时是逐步升温的(也称为暖管),所以固定
支架两端的管道温差很小,可以忽略不计。

(2)任何力都有方向性,固定支架两端的
受力方向相反。

但为了有安全裕量,我们设定固
定支架受力等于大的一端推力,减去70%小的
一端推力。

根据专业书籍和不同厂家提供的固定支架
受力计算方法,相同条件下的固定支架,得出的
受力大小竟相差几倍乃至十几倍,实际运行后
有时按受力小建成的固定支架,也没有遭到破
坏,主要原因有:
¹受力大的计算公式有误;
º固定支架另一端所受到的推力起到了抵
消作用。

所以只根据固定支架一端受力大小,而
建成的固定支架过于保守,造成原材料的浪费。

根据热力管道固定支架上述特点,合理的
设置固定支架间距;确定波纹补偿器位置;管道
附件,管道分枝的定位,对安全运行,降低工程
造价有着非常重要的意义。

两端固定的直管段,受热膨胀产生的轴向
应力,用虎克弹性定律求得
R cm=E
X
L
式中　X——管道工作时的总位移量,m m
L——所计算的管段长度,m
E——金属弹性模数,对一般钢管　
E=2×106　kg/cm2
R cm=2×106
Aõ$tõL
L
=24×$t
式中　A——管子线性膨胀系数,碳素钢为11.
7×10-6m/m℃
$t——管道安装与工作时的温度差,℃
从上式可以看出,金属管道的热胀轴向应
力是巨大的,必须用自然补偿或补偿器补偿,使
管子处于安全状态。

与应用波纹补偿器的热力
管道有关的轴向力有
¹波纹补偿器内壁上的内压推力F bP ;º管道盲端的内压推力F N P ;»补偿器的弹性力F M ;¼管道位移时的摩擦力F f 。

三、固定支架的受力分析与计算
图1列出典型的热力管线图来分析一下各固定支架的受力情况(滑动支架和导向滑动支架略)。

因固定支架两端所受到的轴向推力方
图1　热力管线上固定支架布置图
向相反(管道端头固定支架除外),所以各固定支架所受推力F 为
F G 1=F BP +F M +F f +F N P (1)
式中　F BP ——波纹补偿器内压推力,kg
　F BP =P õ(A -A D )式中　P ——管道的工作压力,kg /cm 2
A ——波纹补偿器的有效面积,cm 2
F M ——波纹补偿器的弹性力,kg
F M =K õX
式中　K ——补偿器的刚度系数,kg /mm
X ——管道的热位移量,m m
F f ——管道热位移时产生的摩擦力,
kg
F f =
G .L
式中　G ——从固定支架到补偿器之间的管道总重量,kg
L ——摩擦系数,滑动L =0.3,滚动L
=0.1
F N P ——管道的内压推力,kg
F N P =P õA D
F G 2=F BP +F M -0.7(F BP +F M )(2)注:摩擦力忽略不计F G 3有两种情况:阀门关闭时
F G 3=F BP +F M +F f +F N P (3-1)
阀门打开时
F G 3=F BP +F M +F f -0.7(F BP +F M +
F f )(3-2)
F G 4同F G 2
(4)F G 5=F BP +F M +F f -0.7(F BP +F M +
F f )(5)F
G 6同F G 2
(6)
F G 7假定右侧轴向水平推力大于左侧则 F G 7=F N P +F f +F M +F BP -0.7(F M ′+F f ′)(7)
F M ′=
W õR
L 1
式中　F m ′——自然补偿在水平轴上的弹性
力,kg
W ——管道断面系数,cm 3
R ——管道允许的弯曲应力,R =800
kg /cm
2
L 1——固定支架G 7到弯头之间的管
段长度,m
F f ′——沿
G 7固定支架水平方向的摩擦力,kg F f ′=g L cos A (L 2/2+L 1)
式中　g ——管道单位长度重量,kg /m A ——管道拐弯角度
从上面的热力管线图和各固定支架所受推力计算公式可以看出,合理的设置固定支架和布置附件对减少推力起很大作用。

固定支架G 1处于管道端头,所受推力很大,为减少其所受推力,我们可以布置如图2。

图2　合理的G 3到G 1,固定支架布置图
F G 1=F BP +F M +F N P
假如对于固定支架G 2来说,如图3也不合理。

图3　不合理的固定支架布置图
如G 2固定支架如图4则较合理。

图4　G 2固定支架布置图
假定左侧推力之和大于右侧
F G 2=F BP +F M +F N P -0.7(F f +F BP +F M )(8)
式中　F N P ——管道变截面引起的内压推力,kg
F N P =P õ(A D 1-A D 2)
式中　A D 1——大管道的内截面积,cm 2
A
D 2
——小管道的内截面积,cm
2
其它同上
对于G 7
固定支架来说如下图布置较合理
图5　G 7固定支架布置图
实际应用中如图5右侧推力要大于左侧推力。

如左侧推力大于右侧推力,则波纹补偿器应靠近固定支架G 6。

总之在布置管路时应设法使各固定支架所受推力尽量的小。

现举例说明固定支架所受推力。

例1.　有一末端热力管道固定支架与前一固定支架相距42.0m ,距补偿器40.5m,管径D 219×6,蒸汽压力0.7MPa ,温度250℃,安装温度20℃,冬季采暖计算温度-10℃,热伸长量X =115m m,管道单位重量130kg /m ,求固定支架F G 1所受水平推力?
总重量5265kg ,管子截面A D =336cm 2
,选一轴向型波纹补偿器1.0ZY 200,轴向刚度K =19.5kg /mm ,波纹补偿器有效面积A =769cm 2
,最大补偿量168mm。

图6　例题方案1固定支架布置图
方案1　F G 1=F BP +F M +F f +F N P =P õ
(A -A D )+K õX +G õL +
P õA D =7×(769-336)+19.
5×115+5265×0.3+7×336=9205(kg )
如按图7布置
图7　例题方案2固定支架布置图
方案2　F G 1=F BP +F M +F N P =P õ(A -A D )+K õX +P õA D =7625.
5(kg)
例2.根据例1求固定支架G 2所受推力(见图6)因固定支架G 2两端摩擦推力很小,故可忽略不计
F G 2=F BP +F M -0.7(F BP +F M )=3031+
2242.5-0.7×(3031+2242.5)=1582(kg )
为减小G 1所受推力,布置成图7,求G 2受的推力,假定G 3到G 2间距与G 2到G 1间距相同。

F G 2=F BP +F M +F f -0.7(F BP +F M +
F f )=3031+2242.5+1579.5-0.7×(3031+2242.5+1579.5)=2055.9(kg )
四、结束语
为了计算准确和加快计算速度,本文列出了“热力管道内压力表”(表1);“波纹补偿器弹性力表”(表2);“热力管道位移时摩擦力表(表
3、表4)。

热力管道是集中供热工程中的重要组成部份,波纹补偿器也在热力工程中被大量采用,固定支架是热力管道中的重要环节,正确应用热力管道固定支架,对安全、经济运行具有很重要的意义。

所以我们应当合理设计、精心施工、发挥其应有作用。

表1　热力管道内压力表 (kg)
规格及截面积
(cm2)
压 力 (M Pa)
0.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0
D73×4 336699132165198231264297330 D89×4 52104156208260312364416468520 D108×4 85170255340425510595680765850 D133×4.5 12124236348460572684796810891210 D159×4.5 17735453170888510621239141615931770 D219×6 34068010201360170020402380272030603400 D273×7 531106215932124265531863717424847795310 D325×8 755151022653020377545305285604067957550 D426×9 1307261439215228653578429149104651176313070 D478×9 16623324498666488310997211634132961495816620 D529×10 2035407061058140101751221014245162801831520350表2　波纹补偿器弹性力表 (kg)
管道伸长量
(mm)
刚 度 (kg/mm)
1.0 5.010.015.020.025.030.040.050.0
20.0201002003004005006008001000 40.0402004006008001000120016002000 80.080400800120016002000240032004000 100.01005001000150020002500300040005000 120.01206001200180024003000360048006000 150.01507501500225030003750450060007500 200.0200100020003000400050006000800010000 250.02501250250037505000625075001000012500 300.03001500300045006000750090001200015000 350.035017503500525070008750105001400017500 400.0400200040006000800010000120001600020000
表3　热力管道位移时摩擦力表 (kg) L=0.3
管道规格及单重
(k g/m)
管 道 长 度 (m)
20.025.030.035.040.045.050.060.070.0
D377×9 258.01548.01935.02322.02709.03096.03483.03870.04644.05418.0 D426×9 312.01872.02340.02808.03276.03744.04212.04680.05616.06552.0 D478×9 385.02310.02888.03465.04043.04620.05198.05775.06930.08085.0 D529×10 455.02730.03413.04095.04778.05460.06143.06825.08190.09555.0 管道按蒸汽管道,架空敷设、温度200℃,岩棉保温管壳。

表4　热力管道位移时摩擦力表 (kg) L=0.1
管道规格及单重
(k g/m)
管 道 长 度 (m)
20.025.030.035.040.045.050.060.070.0
D89×4 34.068.085.0102.0119.0136.0153.0170.0204.0338.0
D108×4 46.092.0115.0138.0161.0184.0207.0230.0276.0322.0
D133×4.5 58.0116.0145.0174.0203.0232.0261.0290.0348.0406.0
D159×4.5 72.0144.0180.0216.0252.0288.0324.0360.0432.0504.0
D219×6 120.0240.0300.0360.0420.0480.0540.0600.0720.0840.0
D273×7 164.0328.0410.0492.0574.0656.0738.0820.0984.01148.0
D325×8 202.0404.0505.0606.0707.0808.0909.01010.01212.01414.0
D377×9 258.0516.0645.0774.0903.01032.01161.01290.01548.01806.0
D426×9 312.0624.0780.0936.01092.01248.01404.01560.01872.02184.0
D478×9 385.0770.0963.01155.01348.01540.01733.01925.02310.02695.0
D529×10 455.0910.01138.01365.01593.01820.02048.02275.02730.03185.0
管道按蒸汽管道,架空敷设、温度200℃,岩棉保温管壳。

(收稿日期:1997年3月31日)
本刊下期要目预告
ý城市地下管线阴极保护工程的应用实践与发展ý国内外石油管道输送发展综述
ý缠绕式垫片国家标准综述及贯彻
ý钢筋混凝土架空管道固定支架方式选择
ý玻璃钢管道渗漏原因及对策
ý一般角度的钢制虾米弯头制作中的几个问题ý波纹管换热器的压力检验
ý远场涡流管道综合检测诊断技术与设备简介ý管道泄露及带压处理方法
ý压力管道安全管理与监察规定《管道技术与设备》杂志投稿要求
1.必须附有摘要、叙词,摘要要求200字以内,叙词(即关键词)3～5个;
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