導軌比例連桿膨脹節的設計應用

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生的二次應力在許可范圍內，保障裝置的安全穩定運行。但是，對于有些高溫管線受限于設備布置和工藝介質的影響，此類管道不宜采用自然補償的方式，只能通過設置膨脹節來吸收管道的熱應力。

本文結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(見圖1)，該種型式的膨脹節可以吸收兩直連設備管口之間由于熱膨脹產生的巨大推力，同時，膨脹節的盲板力由膨脹節的導軌吸收，較現有型式的膨脹節結構簡單，省去拉桿機構。膨脹節的導軌在設計時按照系統的最大壓力確定，膨脹節產生的盲板力由其吸收，避免了因通用型膨脹節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

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

根據管徑和管道系統中可能出現的最大壓力來確定系統的盲板力，根據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為穩定安全系數，在靜載荷下，nst一般取1.25～2.5[1]。

1.3 導軌的設計

導軌的材質采用Q238B，導軌的長度根據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滑落的外形結構。

2 比例連桿的設計

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

3 波紋管的設計

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

4 設計實例

4.1 設計參數

管道系統為工藝氣管道，管道材質為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的方案，圖4為采用自然補償的方案。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方案的經濟性。

圖2 管道模型

圖3 CAESARII模型(膨脹節)

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。同時，應考慮盲板力對波紋管組件的影響[4]。

該管道系統的盲板力：

F=P·A=0.3×106×0.785×0.5842

=80 319 N

若采用通用型膨脹節，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，既能消除膨脹節的盲板力，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)比例連桿的結構設計。管道系統的總位移量為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。首先將系統產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GB/T 12777—2008《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》設計的最終參數見表1。

表1 波紋管技術參數

注：波紋管材質Inconel625，接管材質07Cr19Ni10，內筒/保護罩材質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時設備管口受力。

由表2中的數據可以看出，采用自然補償的方式和采用比例連桿膨脹節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的方式時，其受力和力矩較采用自然補償的方式小，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)導軌比例膨脹節方案見圖3，導軌比例膨脹節價格約為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方案較自然補償方案節省成本約3.4912萬元。

5 結語

導軌比例連桿膨脹節的優點突出，結構簡單，可以應用在很多溫度高、設備布置緊湊、管道直連的場合。該種型式的膨脹節由導軌和比例連桿協同作用，保證了波紋管變形協調的一致性，波紋管的使用壽命延長。導軌的結構形式起到了導塊的限位作用，同時替代了現有膨脹節拉桿的作用，較現有膨脹節結構簡單。導軌設置了導向裝置，使其穩定可靠。