彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的選型應(yīng)用

張愛琴，張國(guó)鋒，占豐朝，汪為所

（1. 洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471001；2. 洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471023；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司大連石化分公司，遼寧 大連 116000；4. 中國(guó)石油化工股份有限公司安慶分公司，安徽 安慶 246001）

一般說來(lái)，每個(gè)獨(dú)立的膨脹管段可能有多個(gè)補(bǔ)償方案，應(yīng)從管系整體造價(jià)、空間限制、滿足受力和疲勞壽命（補(bǔ)償量）要求統(tǒng)籌考慮，對(duì)各種方案進(jìn)行對(duì)比后，確定固定管架的位置和膨脹節(jié)的型式。例如長(zhǎng)直管段可以選用外壓軸向型膨脹節(jié)（減少中間固定管架的個(gè)數(shù)）；也可以通過增設(shè)П 形彎，選用三鉸鏈型補(bǔ)償；還可以通過增設(shè)中間固定管架，用多個(gè)單式軸向型膨脹節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于L 形管段，GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》[1]附錄E“選型”給出了多種可選擇的補(bǔ)償方案；選用彎管壓力平衡型膨脹節(jié)來(lái)補(bǔ)償管段的軸向、橫向組合位移是其中的可選方案之一，這樣利用一個(gè)彎管壓力平衡型膨脹節(jié)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向組合位移的補(bǔ)償，可以簡(jiǎn)化管段的布置，減少現(xiàn)場(chǎng)的膨脹節(jié)安裝施工工作量和安裝難度。為了促進(jìn)彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的正確選用，本文對(duì)該型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)以及選型應(yīng)用場(chǎng)合和注意事項(xiàng)做以介紹，供大家參考。

1 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)

1.1 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)

彎管壓力平衡型膨脹節(jié)由一個(gè)工作波紋管或中間管所連接的兩個(gè)工作波紋管和一個(gè)平衡波紋管及彎頭或三通、封頭、拉桿、端板和球面與錐面墊圈等結(jié)構(gòu)件組成，其常規(guī)結(jié)構(gòu)見圖1a、b，彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的受力結(jié)構(gòu)件也可以采用鉸鏈?zhǔn)剑鐖D1c 所示。

圖1 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)常規(guī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Conventional structure of elbow pressure balanced expansion joint

1.2 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的功能特點(diǎn)

（1）彎管壓力平衡型膨脹節(jié)屬于能夠自身平衡波紋管壓力推力的約束型膨脹節(jié)，主要用于吸收軸向與橫向組合位移。工作時(shí)，工作波紋管和平衡波紋管需分別滿足膨脹節(jié)所要求的軸向位移，工作波紋管還可同時(shí)吸收橫向位移，平衡波不吸收橫向位移?？梢愿鶕?jù)需要補(bǔ)償?shù)妮S向、橫向位移的大小，確定工作波紋管的組數(shù)與波數(shù)，膨脹節(jié)設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12777—2019。

（2）彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的剛度

① 整體軸向剛度等于工作波紋管與平衡波紋管的軸向剛度之和。

② 整體橫向剛度等于一組或兩組工作波紋管的橫向剛度。

（3）彎管壓力平衡型膨脹節(jié)用于介質(zhì)流向改變處，需要根據(jù)所在管線內(nèi)介質(zhì)流速的不同選用彎頭或三通，以減少流阻保證流場(chǎng)平穩(wěn)。

（4）當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)妮S向位移較大時(shí)，在保證有效面積一致的情況下，工作波紋管和平衡波紋管可以采用不同的內(nèi)外壓結(jié)構(gòu)。

2 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的選型與應(yīng)用場(chǎng)合

彎管壓力平衡型膨脹節(jié)用于管線介質(zhì)流向改變處，常應(yīng)用于以下四種管線類型，其選型布置如下。

2.1 與設(shè)備相連的L形、Z形管段的選型布 置

彎管壓力平衡型膨脹節(jié)一般用于泵、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和汽輪機(jī)等敏感設(shè)備的有限空間，靠近與設(shè)備相連的L 管段，用于補(bǔ)償軸向與橫向組合位移，隔離設(shè)備振動(dòng)，滿足設(shè)備管口受力要求。彎管壓力平衡型膨脹節(jié)在設(shè)備管口布置的形式，如圖2～5所 示。

圖2 設(shè)備管口上方L 形管段補(bǔ)償Fig.2 Compensation of L shaped pipe section above the nozzle of the equipment

2.2 兩設(shè)備之間管段的選型布置

布置在兩設(shè)備之間的彎管壓力平衡型膨脹節(jié)一般水平布置，如圖6 ～ 7 所示。

圖3 設(shè)備管口下方豎直布置的L 形管段補(bǔ)償Fig.3 Compensation of L shaped pipe section arranged vertically below the nozzle of the equipment

圖4 設(shè)備管口側(cè)向水平布置的L 形管段Fig.4 The L shaped pipe section which horizontally arranged on the side of the nozzle of equipment

圖5 設(shè)備管口側(cè)面豎直布置Z 形管段Fig.5 The Z shaped pipe section which vertically arranged on the side of the nozzle of the equipment

圖6 布置在平行布置的立式設(shè)備之間Fig.6 Arranged between vertical equipment with parallel Settings

圖7 布置在上下布置的豎直設(shè)備之間Fig.7 Arranged between vertical equipment with upper and lower Settings

2.3 管線中L形管段的選型布置

應(yīng)用于管線中的彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，其常見布置形式見圖8 ～ 10 所示。

圖8 上部L 形管段補(bǔ)償Fig.8 Compensation of upper L shaped section

圖9 不規(guī)則L 形管段補(bǔ)償Fig.9 Compensation of irregular L shaped section

圖10 下部L 形管段補(bǔ)償Fig.10 Compensation of lower part L shaped section

2.4 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)補(bǔ)償長(zhǎng)直管段的創(chuàng)新應(yīng) 用

基于彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將兩個(gè)彎管壓力平衡型膨脹節(jié)組合起來(lái)用于長(zhǎng)直管線的軸向位移，可采用如圖11 所示的結(jié)構(gòu)，代替三鉸鏈組成的π 彎（如圖12 所示），簡(jiǎn)化管線布置難度，節(jié)省空間，減少支架設(shè)置，需要說明的的是因需要補(bǔ)償?shù)妮S向位移較大，膨脹節(jié)工作波紋管和平衡波紋管采用外壓結(jié)構(gòu)。

圖11 長(zhǎng)管段的補(bǔ)償Fig.11 Compensation of long section

圖12 π 形管段補(bǔ)償方式Fig.12 Compensation of π shaped section

3 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)補(bǔ)償?shù)膹澢芏喂芗艿氖芰τ?jì)算

彎管壓力平衡型膨脹節(jié)為約束型膨脹節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償彎曲管段的組合位移，其所補(bǔ)償?shù)膹澢芏蝺啥说墓潭ü芗転橹虚g固定管架，有關(guān)管架的受力計(jì)算詳見《金屬波紋管膨脹節(jié)安全應(yīng)用指南》[2]上冊(cè)第7 章第四節(jié)“彎曲管段的組合位移”，本篇不再贅述。

4 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)選用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）關(guān)于導(dǎo)向管架的設(shè)置，為了保證彎管壓力平衡型膨脹節(jié)能夠有效吸收軸向、橫向組合位移，其前端至少設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向管架，在其三通出口端在空間允許的情況下也建議設(shè)置導(dǎo)向管架，使膨脹節(jié)得到正確的支撐和導(dǎo)向[3-5]。

（2）保證管系和流動(dòng)介質(zhì)的重量由適當(dāng)設(shè)置的支架和吊架承受。同時(shí)較大直徑的彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，當(dāng)兩組工作波紋管之間的中間管較長(zhǎng)時(shí)，建議在工作端設(shè)置比例連桿，協(xié)調(diào)兩組工作波紋管變形，支撐中間管重量[6-7]。

（3）產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，彎管壓力平衡型膨脹節(jié)平衡波紋管的約束條件與兩組工作波紋管不同，平衡波紋管的約束條件為一端固支，一端橫向?qū)?，因此，工作波紋管的最大總波數(shù)不得大于柱失穩(wěn)波數(shù)Nmax，平衡波紋管最大總波數(shù)不得大于Nmax/2。

（4）用于負(fù)壓管線時(shí)，設(shè)計(jì)人員提設(shè)計(jì)條件時(shí)需要注明，拉桿端板內(nèi)外側(cè)均應(yīng)有墊圈，以便于保證膨脹節(jié)兩端頭之間的距離，保證膨脹節(jié)能夠有效補(bǔ)償位移，同時(shí)需要注意校核受力構(gòu)件拉桿或鉸鏈板的壓桿穩(wěn)定性[8-9]。

（5）彎管壓力平衡型膨脹節(jié)應(yīng)用于高流速場(chǎng)合時(shí)，三通部分采用彎頭設(shè)計(jì)，可以使介質(zhì)較平穩(wěn)流動(dòng)。也可以采用不縮頸設(shè)計(jì)，如圖13 所示。

圖13 高流速工況下不縮頸結(jié)構(gòu)Fig.13 No neck shrinkage structure at high flow rate

5 結(jié)論

彎管壓力平衡型膨脹節(jié)是一種可以補(bǔ)償軸向、橫向組合位移的約束型膨脹節(jié)，本文給出了該型膨脹節(jié)常用于設(shè)備、管線及其組合而成的L 形管段選型布置方案，指出了該型膨脹節(jié)是泵、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和汽輪機(jī)等敏感設(shè)備的有限空間L 形管段的補(bǔ)償首選，同時(shí)創(chuàng)新性地提出了該型膨脹節(jié)用來(lái)補(bǔ)償長(zhǎng)直管段的結(jié)構(gòu)方案，并介紹了該型膨脹節(jié)的選用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，供大家參考。