导轨比例连杆膨胀节的设计应用

孙焕青

(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州 730000)

在煤化工装置的管道设计中，有很多高温高压的压力管道，这些管道在设计时必须考虑管道的柔性设计，以保证管道在工作和设计工况下由热膨胀产生的二次应力在许可范围内，保障装置的安全稳定运行。但是，对于有些高温管线受限于设备布置和工艺介质的影响，此类管道不宜采用自然补偿的方式，只能通过设置膨胀节来吸收管道的热应力。

本文结合某项目的高温管道设计了一种新型的导轨比例连杆膨胀节(见图1)，该种型式的膨胀节可以吸收两直连设备管口之间由于热膨胀产生的巨大推力，同时，膨胀节的盲板力由膨胀节的导轨吸收，较现有型式的膨胀节结构简单，省去拉杆机构。膨胀节的导轨在设计时按照系统的最大压力确定，膨胀节产生的盲板力由其吸收，避免了因通用型膨胀节盲板力无法消除而导致设备管口承受巨大推力的问题，导轨和比例连杆协同作用，保证了波纹管变形的一致性。

图1 导轨比例连杆膨胀节

注：1—导轨；2—滑动块；3—波纹管；4—比例连杆；5—销轴I；6—销轴II；7—立板；8—筋板；9—固定块；10—加强筋；11—顶板；12—支撑板；13—中间连接管；14—螺母；15—螺柱；16—连接管；17—弯头(1.5D)

1 导轨的计算

1.1 导轨的计算依据

根据管径和管道系统中可能出现的最大压力来确定系统的盲板力，根据盲板力校核导轨的强度。

1.2 强度计算公式

强度校核公式取自材料力学中的强度公式：

(1)

(2)

式中，F为导轨承受的盲板力，A为导轨截面积，σs为材料屈服极限，nst为稳定安全系数，在静载荷下，nst一般取1.25～2.5[1]。

1.3 导轨的设计

导轨的材质采用Q238B，导轨的长度根据设备管口之间相连直管段的长度确定。导轨需要有能够限制比例连杆滑块机构滑落的外形结构。

2 比例连杆的设计

比例连杆的材质采用Q238B。长度确定依据是两设备管口之间相连直管段的长度以及管道系统热膨胀产生的最大位移量。比例连杆之间通过带螺纹的圆柱销连接，设置有滑块机构。

3 波纹管的设计

我国有关金属膨胀节的标准中，波纹管的设计公式是依据国际原子能工业报告(AEC)NAA-SR-4527“膨胀节中的应力分析”中的第一章“设计准则和试验结果”所给出的公式，并吸取膨胀节制造协会(EJMA)的经验制定[2]，波纹管的刚度和稳定性校核见参考文献[3] 。

4 设计实例

4.1 设计参数

管道系统为工艺气管道，管道材质为304H，设计温度为500℃，设计压力为0.3MPa(g)，管径为DN600，壁厚为13mm。

图2为管道模型，图3为采用导轨比例连杆膨胀节的方案，图4为采用自然补偿的方案。由于管道温度高以及设备布置的局限性，笔者对比了自热补偿方案和导轨比例连杆膨胀节方案的经济性。

图2 管道模型

图3 CAESARII模型(膨胀节)

图4 CAESARII模型(自然补偿)

4.2 分析计算

针对管道主要存在的轴线方向位移较大的问题，需要设置自然补偿或膨胀节来吸收轴向位移，径向方向的位移可以通过设置弹簧架来吸收，保证设备管口的作用力和力矩在允许的范围内。同时，应考虑盲板力对波纹管组件的影响[4]。

该管道系统的盲板力：

F=P·A=0.3×106×0.785×0.5842

=80 319 N

若采用通用型膨胀节，需要考虑消除盲板力的影响，由于盲板力较大，限位架难以设置，因此，尝试将该段管道(含两个弯头)直接设计成导轨比例连杆膨胀节，既能消除膨胀节的盲板力，又能吸收轴向位移，而且便于安装。

4.2.1 导轨的设计

(1)导轨的长度为管道系统两焊缝之间的距离(4 476mm)。

(2)导轨的强度校核：由式(1)和(2)可得：

σ<[σ]

由此可以看出，导轨的强度满足要求。

4.2.2 比例连杆的设计

(1)比例连杆的结构设计。管道系统的总位移量为53.2mm。比例连杆由6块钢板组成，厚度为t，宽度为50mm，其中4块长度为1 006mm，2块长度2 266mm，钢板直接通过带螺纹的圆柱销连接，两侧设置导向滑块，比例连杆之间的锐角角度为20°，比例连杆示意见图5。

图5 比例连杆示意

(2)比例连杆厚度t的确定。首先将系统产生的盲板力进行分解，比例连杆承受的拉力为：

F比例连杆=F盲板力/2·cos10°=39 549.39 N

由式(1)可得：

t≥9.89 mm

因此，取钢板厚度t为10 mm。

4.2.3 波纹管的设计

根据GB/T 12777—2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》设计的最终参数见表1。

表1 波纹管技术参数

注：波纹管材质Inconel625，接管材质07Cr19Ni10，内筒/保护罩材质07Cr19Ni10/GB9948

4.2.4 管口受力分析

设备管口受力见表2。

表2 设备管口受力

注：工况一为自然补偿时设备管口受力，工况二为应用比例连杆膨胀节时设备管口受力。

由表2中的数据可以看出，采用自然补偿的方式和采用比例连杆膨胀节的方式都能满足文献[5] 设备管口的许用载荷，但是采用比例连杆膨胀节的方式时，其受力和力矩较采用自然补偿的方式小，MZ方向的力矩降低53%，管口的受力和力矩降低明显。

4.3 自然补偿方案和导轨比例连杆膨胀节方案的成本分析

(1)自然补偿方案见图4，该方案的总成本为：DN600的90°弯头(R=1.5D)为914mm，将弯头近似等效为两段914mm的直管；DN600，壁厚13mm的无缝钢管单位长度质量为190.08kg/m，管道按照36.00元/kg计算。

综上所述，按照管道材料质量计价，总成本约为：

30.828×190.08×36.00=21.0952万元

(2)导轨比例膨胀节方案见图3，导轨比例膨胀节价格约为16.92万元，按照管道材料重量计价，总成本约为：

0.5×2×190.08×36.00+169 200=17.604万元

由此可以看出，采用导轨比例膨胀节方案较自然补偿方案节省成本约3.4912万元。

5 结语

导轨比例连杆膨胀节的优点突出，结构简单，可以应用在很多温度高、设备布置紧凑、管道直连的场合。该种型式的膨胀节由导轨和比例连杆协同作用，保证了波纹管变形协调的一致性，波纹管的使用寿命延长。导轨的结构形式起到了导块的限位作用，同时替代了现有膨胀节拉杆的作用，较现有膨胀节结构简单。导轨设置了导向装置，使其稳定可靠。