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)境溫度的差別而產(chǎn)生伸縮。另外，由于管道本身工作溫度的高低，也會(huì)引發(fā)管道的伸縮。實(shí)驗(yàn)證明，溫度變化而引發(fā)管道長度成比例的變化。管道溫度升高，由于膨脹，長度增加；溫度下降，則由于收縮，長度縮短。溫度變化1度對(duì)應(yīng)的長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12×10—6／℃，而硬質(zhì)聚氯乙烯管的線膨脹系數(shù)為80X10—6／℃，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：式中△L——管道熱膨脹伸長量(m)；?——管材的線膨脹系數(shù)(1／K)或(1／℃)；t2——管道運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)溫度(℃)；tl——管道安裝時(shí)的溫度(℃)，安裝在地下室或室內(nèi)時(shí)取t1=—5℃；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)算管段的長度(m)。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)?/（×10—6/℃）管道材質(zhì)線膨脹系數(shù)?/（×10—6/℃）碳素鋼鑄鐵中鉻鋼不銹鋼鎳鋼奧氏體鋼1211.111.410.313.117純銅(紫銅)黃銅鋁聚氯乙烯氯乙烯玻璃16.418.423.680105在管道工程中，碳素鋼管應(yīng)用最廣，其伸長量的計(jì)算公式為式中12×10—6——慣用鋼管的線膨脹系數(shù)(1／)。根據(jù)式(2—2)制成管道的熱伸長量△L表(見表2—2)，由表中可直接查出不同溫度下對(duì)應(yīng)管長的熱伸長量。例有一段室內(nèi)熱水采暖碳素鋼管道，管長70m，輸送熱水溫度為95℃，試計(jì)算此段管道的熱伸長量。解根據(jù)鋼管的熱膨脹伸長量計(jì)算式(2—2)△L=12×10—6(t1—t2)L=12×10—6（95+5）×70=0.084m由已知管長及送水溫度，直接查表2—2，也可得管道的熱伸長量△L。如果管道中通過介質(zhì)的溫度低于環(huán)境溫度，則計(jì)算出來的是縮短量。表2—2水和蒸汽管道的熱伸長量△L表(m)管段長L/m熱水溫度／℃6070809095100110120130140143151158164170175179183蒸汽表壓／MPa0.0490．0980.1760.2650．2940．3920.490．5880．68607840．8820.98510152025303540455055606570758085909510010511048111519232630343841454953566064687175798349131822263135404448535762667075798388929651015202530354045505560657075808590951001091106111723283440455157626874798590％1021071131191246121824303642485460667177838995101107113119125131613192531384450566369758188941001061131191251311387142128344148556269768389961031101171241301371441518152330384553606875839098105113120128135143150158165816243341495765738l89981061131221301381461541631701809182635445361707988％1051141231311401491571661751841949182736455463728189991071161251341431521611701791881971019283847576676859510411412313214215216117118019019920810203040506070肋90991091191291391481581681781881982082181021314151跎7282931031131231331441541641741851952052152261121324353647485％10611712813814915917018019120221222323411X3344556677889911012013114215416417518619720821923024011X33455667799010111212313414515716818019020021222423524612233446579印92103114126137148160172183194205217229240252二、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，制止管子伸縮，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)算式為式中σ——管材受熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(MN／m2)；E——管材的彈性模量(MN／m2)，碳素鋼的彈性模量E=20．104×104MN／m2；ε——管段的相對(duì)變形量，ε=△L/L為管段的熱膨脹量(m)；L為在室溫下安裝的管段原長度(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關(guān)。如果將式(2—1)代人ε=△L/L中，那么ε=?△t，則熱應(yīng)力的計(jì)算式可寫成為σ=E?△t從而可知，當(dāng)管道材質(zhì)擬定后來，溫度差△t是決定熱應(yīng)力的最重要的因素。對(duì)于碳素鋼管，線膨脹系數(shù)取12×10—6m／(m℃)，彈性模量取20.104×104MN／m2。那么，鋼管的熱應(yīng)力計(jì)算式可簡化為σ=2.4125△t運(yùn)用式，能夠很容易地計(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—5℃，投入運(yùn)行后管子溫度為130℃，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℃因此，熱膨脹應(yīng)力σ=2.4125△t=2.4125×135=325.69MN／m2由以上計(jì)算能夠看出，管道受熱后所產(chǎn)生的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鋼管及接頭等配件的允許應(yīng)力(σ鋼=129.45MN／m2)，要想制止管道的伸縮，任何固定支架及構(gòu)筑物都是無能為力的，只有選用適宜的賠償裝置，任其自由伸縮，消除熱應(yīng)力，才干確保管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。第二節(jié)管道的固定支架及自然賠償一、管道的固定支架為了避免管道受熱后上下左右移動(dòng)，在管道系統(tǒng)中普遍設(shè)立固定支架。固定支架間的管道因受熱膨脹所產(chǎn)生的伸長量由管道本身的彎曲部件或管道中設(shè)立的伸縮器進(jìn)行賠償。只有當(dāng)鋼管的溫度變化(△t)不大于32℃時(shí)，管道的熱應(yīng)力不超出鋼材的許用應(yīng)力，才不考慮賠償?shù)膯栴}。管道安裝中應(yīng)盡量運(yùn)用其本身彎曲部件的賠償能力。由固定點(diǎn)起，允許不裝伸縮器的直管段長度L見表2—3，該表同時(shí)合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度(m)房屋種類熱水溫度/℃6070809095100110120130151158170175179183蒸汽表壓/MPa民用建筑5545403533322625222222工業(yè)建筑655750454240373230272727252524242424圖2—1帶有支管的干管1—固定點(diǎn)2—千管3—支管當(dāng)受熱管段本身彎曲部件的賠償能力不能滿足規(guī)定時(shí)，在管道中必須設(shè)立賠償裝置，其固定支架間的最大間距見表2—4。固定支架安裝時(shí)，普通直接栽人墻內(nèi)或固定在柱子上，其埋人墻內(nèi)的深度最佳與壁厚相等，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方孔，然后在預(yù)留位置固定好需設(shè)立的固定支架，再用碎石混凝土灌注搗實(shí)。表2—4熱力管道固定支架間的最大間距管道公稱直徑DN／mm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸宿器地溝或架空敷設(shè)／m3035455055圃6570809010G115130145160180200方形伸宙鋁無地溝敷沒／m455C556065707090901113110110125125125管道公稱直徑DN／mm2532405C70801001251502002503012350400450500600方形伸宿68地溝或架空敷設(shè)／m3035455055圃6570809010G115130145160180200方形伸宙鋁無地溝敷沒／m455C556065707090901113110110125125125二、自然賠償管道系統(tǒng)中彎曲部件的轉(zhuǎn)角不不不大于150°時(shí)，均可做為自然賠償裝置。其優(yōu)點(diǎn)是簡樸、可靠。但彎管轉(zhuǎn)角不不大于150°時(shí)；不能做為自然賠償裝置，否則會(huì)產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)過多的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)使管道系統(tǒng)損壞。另外，在自然賠償管段的拐彎處附近，最佳采用焊接，不應(yīng)采使用方法蘭連接接頭，特別不能采使用方法蘭連接的彎頭。由于有法蘭連接方式的接頭時(shí)，由于管道熱膨脹自然賠償產(chǎn)生的剪切力的作用，法蘭處容易發(fā)生事故。常見的自然賠償部件有L形和Z形兩種。1．L形管段的自然賠償如圖2—2所示的L形管段。11為其短臂，L1為長臂，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賠償作用。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，需要通過計(jì)算加以校核，看其與否超出管材許用彎曲應(yīng)力。在實(shí)際工作中，經(jīng)常根據(jù)長臂的熱伸長量和管材的許用彎曲應(yīng)力反求出短臂的最小長度，看其與否適宜。如果短臂長度不大于最小長度，則可適宜調(diào)節(jié)兩固定點(diǎn)的位置，增加短壁長度或減小長臂長度，使兩臂長度相適應(yīng)。對(duì)于兩臂夾角為90°的L形碳素鋼管，當(dāng)已知長臂的長度并計(jì)算出其熱伸長量時(shí)，可用下式粗略地計(jì)算出自然賠償所需短臂的長度。圖2—2L形管段的自然賠償式中L1——短臂長度(m)；△L——長臂上的熱伸長量(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，其長臂長度L=20m，溫差△t=200℃，求自然賠償所需短臂的長度L1。解由式(2—2)可知，長臂的熱伸長量為△L二0．012△TL=0．012×200×20=48mm將△L之值代人式(2—5)，則所需短臂的長度為2．Z形管段的自然賠償在管道上的兩固定點(diǎn)之間，由兩個(gè)90°角構(gòu)成的Z形管段，受熱后產(chǎn)生如圖2—3中虛線所示的彈性變形，借以減小管段的熱應(yīng)力，從而起到一定的賠償作用。圖2—3Z形管段的自然賠償根據(jù)該管段所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不應(yīng)不不大于管材的許用彎曲應(yīng)力的規(guī)定，能夠推算出其垂直臂長L的計(jì)算公式式中L——垂直臂長度(刪)；△L——熱伸長量，△L=△LI+△L2(cm)；Z——材料的彈性模量(Pa)；DW——管子外徑(恤)；σ——管子的彎曲許用應(yīng)力(h)；k——短臂與垂直臂長之比，k=L1/L。當(dāng)實(shí)際垂直臂長不大于計(jì)算出來的上值時(shí)，應(yīng)適宜調(diào)節(jié)兩平行管段的長度，即縮短長臂，加長短臂，使其總長不變?；蛘哌m宜加長垂直臂。第三節(jié)伸縮器的選用和安裝當(dāng)運(yùn)用管道中的彎曲部件不能吸取管道因熱膨脹所產(chǎn)生的變形時(shí)，在直管道上每隔一定距離應(yīng)設(shè)立伸縮器。賠償?shù)霓k法是：用固定支架將直管路按所選伸縮器的賠償能力分成若干段，每段管道中設(shè)立一伸縮器，吸取熱伸縮，減小熱應(yīng)力。慣用的伸縮器有方形、套管式及波形等幾個(gè)，其選用和安裝辦法分述以下：一、方形伸縮器方形伸縮器由四個(gè)90°彎管構(gòu)成。彎管應(yīng)盡量用無縫鋼管煨制，構(gòu)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，賠償能力大，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)邊長和臂長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)管段長度和輸送介質(zhì)溫度及管徑，從表2—2中查出熱伸長量△L，再由表2—5介紹的各類型方形伸縮器的尺寸和賠償能力直接選型。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)，避免變形。吊裝就位后，必須將兩臂預(yù)拉或預(yù)撐其賠償量的二分之一(即△L/2)，偏差不應(yīng)不不大于±10mm，以充足運(yùn)用其賠償能力。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。慣用如圖2—5所示的拉管器進(jìn)行預(yù)拉。操作辦法有兩種：一種是運(yùn)用一種拉管器進(jìn)行冷拉，如圖2—6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△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，拉開伸縮器到管子接口處對(duì)齊焊好。另一種是運(yùn)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)拉伸量為△L／4，如圖2—7所示。圖2—5拉管器1—止滑環(huán)2—角鋼3—螺栓4—法蘭圖2—6運(yùn)用一種拉管器冷拉示意圖圖2—7運(yùn)用兩個(gè)拉管器冷拉示意圖另一種辦法是用千斤頂把伸縮器的兩長臂撐開來實(shí)現(xiàn)預(yù)拉，如圖2—8所示。圖2—8運(yùn)用千斤頂冷拉方形伸縮器示意圖方形伸縮器普通水平安裝，其安裝坡度應(yīng)與連接管道相似，以利于介質(zhì)流過，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、裂紋缺點(diǎn)，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器有鑄鐵制和鋼制兩種，如圖2—9所示。普通用在管徑不不大于l00mm，且工作壓力不大于1．568MPa(鋼制)及1．274MPa(鑄鐵制)的管路中。套管式伸縮器有較大的賠償能力，占地小，安裝簡樸，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)部零件及填料與否齊備，質(zhì)量與否符合規(guī)定。安裝時(shí)，規(guī)定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)立一種導(dǎo)向支架(導(dǎo)向支架可參考弧形板滑動(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)拉后的安裝長度，應(yīng)根據(jù)管段受熱后的最大伸縮量來擬定。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