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 X 10 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：.丄二二 t2 L式中 L 管道熱膨脹伸長(zhǎng)量(m);«

2、管材的線膨脹系數(shù)(1 /K)或(1 /C )；t2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)度(m)。不同材質(zhì)管材的。值見(jiàn)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)G/ (X 10 6/C)管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)a/ (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(yīng)用最廣，其伸長(zhǎng)量的計(jì)算公式為L(zhǎng) =12 10b -t2 L式

3、中12X 10一6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(zhǎng)量L表(見(jiàn)表2 2)，由表中可直接查出不同溫度下相應(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)70m,輸送熱水溫度為95 C,試計(jì)算此段管道的熱伸長(zhǎng)量。解根據(jù)鋼管的熱膨脹伸長(zhǎng)量計(jì)算式(2 2) 6 L=12 X 10 (t 1 t 2)L=12X 10 6 ( 95+5 )X 70=0.084m由已知管長(zhǎng)及送水溫度，直接查表2 2，也可得管道的熱伸長(zhǎng)量L。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 L表(m)管段熱水溫度/C長(zhǎng)607080909510011

4、0120130140143151158164170175179183L/m蒸汽表壓/MPa0.0490 . 0980.1760.2650. 2940. 3920.490. 5880 . 68607840 . 8820.9854456667889910101011111112108910111213141516181819202121XX23151113151718192123242627283031323333342015182023242528303335363840414344454625192225283031343841444547505153555657302326303436384

5、1454953545760跎6466679352631354042444853576163667072747779印40303540454850556065707276肋8285889092453440455154566268737981859093%99101103503844505760636975818889959910310611011211455414855626669768389%991041091131171201231266045536068717583909810510711411912312813113413765495765747781899810611411612312

6、913313814214514870536270798388961051131231251321391441491541571607556667585899410311312213113414214815415916416817280607080909510011012013014014315215816417017518018385647585%10110611712813814915216116817418018619019490687990102107113124135146157161171178185191197200205957183951071131191301431541661

7、70180188195202208212217100758810011311912513715016317517919019820521221922422910579921091191251311441581701841881992082152232302352401108396110124131138151165180194197208218226234240246252二、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(méi)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 ；式中d 管材受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(

8、MN /m2)；E管材的彈性模量(MN /m2),碳素鋼的彈性模量E=20 . 104X 104MN /m2；£ 管段的相對(duì)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(zhǎng)度(m)。由上式可見(jiàn)，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£ = L/L中，那么£ = : t，則熱應(yīng)力的計(jì)算式可寫(xiě)成為d =E t從而可知，當(dāng)管道材質(zhì)確定以后，溫度差厶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 12 x 106

9、m/(m C )，彈性模量取20.104x 104MN /m2。那么，鋼管的 熱應(yīng)力計(jì)算式可簡(jiǎn)化為d =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。解管道投入運(yùn)行后與安裝時(shí)的溫度差 t= 130 ( 5)=135 C因此，熱膨脹應(yīng)力2d =2.4125 t=2.4125 X 135=325.69MN / m2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 許應(yīng)力(鋼=129.45MN / m2),要想阻止管道的伸縮，任何固定支

10、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，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( t)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?wèn)題。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(jiàn)表2 3,該表同時(shí)適用于帶有支管的干管，如圖21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

11、長(zhǎng)度(m)房屋熱水溫度/ C6070809095100110120130151158170175179183種蒸汽表壓/MPa類民用5545403533322625222222建筑工業(yè)46557504240373230272727252524242424建筑51 固定點(diǎn)2千管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， 其固定支架間的最大間距見(jiàn)表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，其埋人墻內(nèi)的深度最好與壁厚 相等，四周空隙用 150號(hào)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(shí)，在安裝位置預(yù)留 400mmX300mm方

12、孔，然后在預(yù)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6570809010111314161820宿器敷設(shè)/ mG505000方形伸無(wú)地溝455C55606570709090111111121212宙鋁敷沒(méi)/ m1300555管道公稱直徑DN / mm2532405C70801012152025303540455060050001200000方形伸地溝或架空3035455055圃65708090

13、10111314161820宿68敷設(shè)/ mG505000方形伸無(wú)地溝敷沒(méi)/455C55606570709090111111121212宙鋁m1300555二、自然補(bǔ)償管道系統(tǒng)中彎曲部件的轉(zhuǎn)角不大于150。時(shí)，均可做為自然補(bǔ)償裝置。其優(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。此外，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(jiàn)的自然補(bǔ)償部件有 L形和Z形兩種。1. L形管段的

14、自然補(bǔ)償如圖22所示的L形管段。11為其短臂，L1為長(zhǎng)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(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°的L形碳素鋼管，當(dāng)已知長(zhǎng)臂的 長(zhǎng)度并計(jì)算出其熱

15、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。圖22 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t=20 0 C,求自然補(bǔ)償所需短臂的長(zhǎng)度L1。解由式(22)可知，長(zhǎng)臂的熱伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)二0. 012 TL=0 . 012 X 200 X 20=48mm將厶L之值代人式(2 5),則所需短臂的長(zhǎng)度為30048 159 = 5.55m2. Z形管段的自然補(bǔ)償在管道上的兩固定點(diǎn)之間，由兩個(gè)90°角組成的Z形管段，受熱后產(chǎn)生如圖2 3中6 LEDw根據(jù)該管

16、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)算公式L = 衍(1 +12k )式中L垂直臂長(zhǎng)度(刪); L 熱伸長(zhǎng)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(yīng)力 (h);k=L1/L。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)姆椒ㄊ牵河霉潭ㄖЪ軐⒅惫苈钒此x伸縮器的補(bǔ)償能力分成 若

17、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，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(gè) 9 0°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> 4 D，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。2 4所示。選用時(shí)先根方形伸縮器根據(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)量厶L,再由表25介紹的各類型方形伸縮器

18、的尺寸和補(bǔ)償能力直接選型。I 型（B =卄型二口譏型V型居0）圖24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（即厶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)22.51m處。常用如圖25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)留厶 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(kāi)伸縮器到管子

19、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。1234圖25拉管器1 止滑環(huán)2角鋼3螺栓4法蘭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(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)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(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。當(dāng)必須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(kāi)、裂紋缺陷，一定要注意待焊縫完 全冷卻后，方可將預(yù)拉器具拆除。二、套管式伸縮器套管式伸縮

20、器有鑄鐵制和鋼制兩種，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(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(kāi)，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

21、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)留有一定間隙。其預(yù)留間隙的最小尺寸可參考表26，也可按下列公式進(jìn)行計(jì)算。安裝長(zhǎng)度一;圖29套管式伸縮器1 填料2外殼支撐環(huán)3導(dǎo)管支撐環(huán) 表2 6套管式伸縮器的安裝間隙（值） = 1 （ t2 t 1）/ （ t3-t 1）式中導(dǎo)管支撐環(huán)與外殼支撐環(huán)間剩余的可縮長(zhǎng)度 1 伸縮器最大的可伸縮范圍 （mm）;ti室外最低計(jì)算溫度（C ）;t2安裝時(shí)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 3 4mm厚的鋼板制成，因其強(qiáng) 度較低，補(bǔ) 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(jié)構(gòu)如圖210所示，由波節(jié)和內(nèi)襯套筒組成，內(nèi)襯套筒一端與波壁焊接，另一端可以自由 移動(dòng)。安裝時(shí)應(yīng)注意使管道內(nèi)輸送介