導軌比例連桿膨脹節(jié)的設計應用

孫煥青

(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730000)

在煤化工裝置的管道設計中，有很多高溫高壓的壓力管道，這些管道在設計時必須考慮管道的柔性設計，以保證管道在工作和設計工況下由熱膨脹產(chǎn)生的二次應力在許可范圍內(nèi)，保障裝置的安全穩(wěn)定運行。但是，對于有些高溫管線受限于設備布置和工藝介質(zhì)的影響，此類管道不宜采用自然補償?shù)姆绞?，只能通過設置膨脹節(jié)來吸收管道的熱應力。

本文結(jié)合某項目的高溫管道設計了一種新型的導軌比例連桿膨脹節(jié)(見圖1)，該種型式的膨脹節(jié)可以吸收兩直連設備管口之間由于熱膨脹產(chǎn)生的巨大推力，同時，膨脹節(jié)的盲板力由膨脹節(jié)的導軌吸收，較現(xiàn)有型式的膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，省去拉桿機構(gòu)。膨脹節(jié)的導軌在設計時按照系統(tǒng)的最大壓力確定，膨脹節(jié)產(chǎn)生的盲板力由其吸收，避免了因通用型膨脹節(jié)盲板力無法消除而導致設備管口承受巨大推力的問題，導軌和比例連桿協(xié)同作用，保證了波紋管變形的一致性。

圖1 導軌比例連桿膨脹節(jié)

注：1—導軌；2—滑動塊；3—波紋管；4—比例連桿；5—銷軸I；6—銷軸II；7—立板；8—筋板；9—固定塊；10—加強筋；11—頂板；12—支撐板；13—中間連接管；14—螺母；15—螺柱；16—連接管；17—彎頭(1.5D)

1 導軌的計算

1.1 導軌的計算依據(jù)

根據(jù)管徑和管道系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最大壓力來確定系統(tǒng)的盲板力，根據(jù)盲板力校核導軌的強度。

1.2 強度計算公式

強度校核公式取自材料力學中的強度公式：

(1)

(2)

式中，F(xiàn)為導軌承受的盲板力，A為導軌截面積，σs為材料屈服極限，nst為穩(wěn)定安全系數(shù)，在靜載荷下，nst一般取1.25～2.5[1]。

1.3 導軌的設計

導軌的材質(zhì)采用Q238B，導軌的長度根據(jù)設備管口之間相連直管段的長度確定。導軌需要有能夠限制比例連桿滑塊機構(gòu)滑落的外形結(jié)構(gòu)。

2 比例連桿的設計

比例連桿的材質(zhì)采用Q238B。長度確定依據(jù)是兩設備管口之間相連直管段的長度以及管道系統(tǒng)熱膨脹產(chǎn)生的最大位移量。比例連桿之間通過帶螺紋的圓柱銷連接，設置有滑塊機構(gòu)。

3 波紋管的設計

我國有關(guān)金屬膨脹節(jié)的標準中，波紋管的設計公式是依據(jù)國際原子能工業(yè)報告(AEC)NAA-SR-4527“膨脹節(jié)中的應力分析”中的第一章“設計準則和試驗結(jié)果”所給出的公式，并吸取膨脹節(jié)制造協(xié)會(EJMA)的經(jīng)驗制定[2]，波紋管的剛度和穩(wěn)定性校核見參考文獻[3] 。

4 設計實例

4.1 設計參數(shù)

管道系統(tǒng)為工藝氣管道，管道材質(zhì)為304H，設計溫度為500℃，設計壓力為0.3MPa(g)，管徑為DN600，壁厚為13mm。

圖2為管道模型，圖3為采用導軌比例連桿膨脹節(jié)的方案，圖4為采用自然補償?shù)姆桨?。由于管道溫度高以及設備布置的局限性，筆者對比了自熱補償方案和導軌比例連桿膨脹節(jié)方案的經(jīng)濟性。

圖2 管道模型

圖3 CAESARII模型(膨脹節(jié))

圖4 CAESARII模型(自然補償)

4.2 分析計算

針對管道主要存在的軸線方向位移較大的問題，需要設置自然補償或膨脹節(jié)來吸收軸向位移，徑向方向的位移可以通過設置彈簧架來吸收，保證設備管口的作用力和力矩在允許的范圍內(nèi)。同時，應考慮盲板力對波紋管組件的影響[4]。

該管道系統(tǒng)的盲板力：

F=P·A=0.3×106×0.785×0.5842

=80 319 N

若采用通用型膨脹節(jié)，需要考慮消除盲板力的影響，由于盲板力較大，限位架難以設置，因此，嘗試將該段管道(含兩個彎頭)直接設計成導軌比例連桿膨脹節(jié)，既能消除膨脹節(jié)的盲板力，又能吸收軸向位移，而且便于安裝。

4.2.1 導軌的設計

(1)導軌的長度為管道系統(tǒng)兩焊縫之間的距離(4 476mm)。

(2)導軌的強度校核：由式(1)和(2)可得：

σ<[σ]

由此可以看出，導軌的強度滿足要求。

4.2.2 比例連桿的設計

(1)比例連桿的結(jié)構(gòu)設計。管道系統(tǒng)的總位移量為53.2mm。比例連桿由6塊鋼板組成，厚度為t，寬度為50mm，其中4塊長度為1 006mm，2塊長度2 266mm，鋼板直接通過帶螺紋的圓柱銷連接，兩側(cè)設置導向滑塊，比例連桿之間的銳角角度為20°，比例連桿示意見圖5。

圖5 比例連桿示意

(2)比例連桿厚度t的確定。首先將系統(tǒng)產(chǎn)生的盲板力進行分解，比例連桿承受的拉力為：

F比例連桿=F盲板力/2·cos10°=39 549.39 N

由式(1)可得：

t≥9.89 mm

因此，取鋼板厚度t為10 mm。

4.2.3 波紋管的設計

根據(jù)GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》設計的最終參數(shù)見表1。

表1 波紋管技術(shù)參數(shù)

注：波紋管材質(zhì)Inconel625，接管材質(zhì)07Cr19Ni10，內(nèi)筒/保護罩材質(zhì)07Cr19Ni10/GB9948

4.2.4 管口受力分析

設備管口受力見表2。

表2 設備管口受力

注：工況一為自然補償時設備管口受力，工況二為應用比例連桿膨脹節(jié)時設備管口受力。

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，采用自然補償?shù)姆绞胶筒捎帽壤B桿膨脹節(jié)的方式都能滿足文獻[5] 設備管口的許用載荷，但是采用比例連桿膨脹節(jié)的方式時，其受力和力矩較采用自然補償?shù)姆绞叫?，MZ方向的力矩降低53%，管口的受力和力矩降低明顯。

4.3 自然補償方案和導軌比例連桿膨脹節(jié)方案的成本分析

(1)自然補償方案見圖4，該方案的總成本為：DN600的90°彎頭(R=1.5D)為914mm，將彎頭近似等效為兩段914mm的直管；DN600，壁厚13mm的無縫鋼管單位長度質(zhì)量為190.08kg/m，管道按照36.00元/kg計算。

綜上所述，按照管道材料質(zhì)量計價，總成本約為：

30.828×190.08×36.00=21.0952萬元

(2)導軌比例膨脹節(jié)方案見圖3，導軌比例膨脹節(jié)價格約為16.92萬元，按照管道材料重量計價，總成本約為：

0.5×2×190.08×36.00+169 200=17.604萬元

由此可以看出，采用導軌比例膨脹節(jié)方案較自然補償方案節(jié)省成本約3.4912萬元。

5 結(jié)語

導軌比例連桿膨脹節(jié)的優(yōu)點突出，結(jié)構(gòu)簡單，可以應用在很多溫度高、設備布置緊湊、管道直連的場合。該種型式的膨脹節(jié)由導軌和比例連桿協(xié)同作用，保證了波紋管變形協(xié)調(diào)的一致性，波紋管的使用壽命延長。導軌的結(jié)構(gòu)形式起到了導塊的限位作用，同時替代了現(xiàn)有膨脹節(jié)拉桿的作用，較現(xiàn)有膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡單。導軌設置了導向裝置，使其穩(wěn)定可靠。