管道膨胀量及弯管计算
膨胀节
膨胀节习惯上也叫伸缩节,或波纹管补偿器，是利用波纹管补偿器的弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置，属于一种补偿元件。
可对轴向，横向，和角向位移的的吸收，用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移吸收振动、降低噪音等。
膨胀节为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构。
由于它作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件，工作可靠、性能良好、结构紧凑等优点，已广泛应用在化工、冶金、核能等部门。
在容器上采用的膨胀节，有多种形式，就波的形状而言，以U形膨胀节应用得最为广泛，其次还有Ω形和C形等。
而在管道上采用的膨胀节就结构补偿而言，又有万能式、压力平衡式、铰链式以及万向接头式等。
弯管式膨胀节将管子弯成U形或其他形体（图1），并利用形体的弹性变形能力进行补偿的一种膨胀节。
它的优点是强度好、寿命长、可在现场制作,缺点是占用空间大、消耗钢材多和摩擦阻力大。
这种膨胀节广泛用于各种蒸汽管道和长管道上。
波纹管膨胀节波纹管膨胀节是用金属波纹管制成的一种膨胀节。
它能沿轴线方向伸缩，也允许少量弯曲。
图2为常见的轴向式波纹管膨胀节，用在管道上进行轴向长度补偿。
为了防止超过允许的补偿量，在波纹管两端设置有保护拉杆或保护环，在与它联接的两端管道上设置导向支架。
另外还有转角式和横向式膨胀节，可用来补偿管道的转角变形和横向变形。
这类膨胀节的优点是节省空间，节约材料，便于标准化和批量生产，缺点是寿命较短。
波纹管膨胀节一般用于温度和压力不很高、长度较短的管道上。
随着波纹管生产技术水平的提高，这类膨胀节的应用范围正在扩大。
套管伸缩节套管伸缩节由能够作轴向相对运动的内外套管组成。
内外套管之间采用填料函密封。
使用时保持两端管子在一条轴线上移动。
在伸缩节的两端装设导向支架。
它的优点是对流体的流动摩擦阻力小，结构紧凑；缺点是密封性较差，对固定支架推力较大。
套管伸缩节主要用于水管道和低压蒸汽管道膨胀节标准标准编号:GB/T 12777-1999（新标准GB/T 12777-2008）膨胀节标准名称:金属波纹管膨胀节通用技术条件标准实施日期:2000-3-1 （新标准实施日期2009-02-01）颁布部门:国家质量技术监督局内容简介:本标准规定了金属波纹管膨胀节的定义、分类、要求、试验方法、检验规则、标志及包装、运输、贮存等。
管道的膨胀和支撑
图1.1.8马蹄形
图1.1.9膨胀环焊接点
膨胀环
膨胀环可由一段长度的直管道和焊接弯管制成（见图1.1.9）。图1.1.10显示这样装置可吸收的管道膨胀长度。
由图1.1.9可以看出，膨胀环的深度是宽度的两倍，而宽度在已知膨胀环任一侧的膨胀长度时可由图1.1.10确定。
在实际应用中，管道在冷态下配有隔离件，其长度为管道总膨胀的一半，装在两片法兰之间。当管道全部安装完毕并在两端固定后，撤离隔离件，连接被拉紧（见图1.1.3）。
图1.1.3预载管道以允许膨胀
如果剩余的膨胀不能被管道的自然柔性所吸收，则必须使用膨胀件。
实际应用中，管道膨胀和支撑可以分成三个部分，见图1.1.4。
2、当两根或多根管道在同一个托架上支撑时，支撑距离应根据最小口径管道确定。
3、当出现明显的移动时，如管道超过15 m长时，应使用如前所述的滑轮式支撑。
4、在上升管道的底部应充分支撑，以承受所有垂直管道以及内部流体的重量。垂直管道的分支管道不能作为管道的支撑，因为这样会在接头处施加过大的应力。
5、所有的管道支撑应特别设计以适用于该管道的外径。选型过大的管道托架是不良的做法。
12.8
13.9
14.9
15.8
16.6
17.3
17.9
—
合金钢1%Cr0.5%Mo
13.7
14.5
15.2
15.8
16.4
17.0
17.6
—
不锈钢18%Cr8%Ni
9.4
20.0
20.9
21.2
21.8
22.3
膨胀节基础知识
非
金
• 纤维织物膨胀节由耐高温复合材料 ，即硅橡胶，玻璃纤维，复合无碱
属
布，隔热棉等柔性材料构成
膨
• 主要技术参数：
胀 节
压力： • 温度：-20°-500° • 圆形：DN50-DN5000
膨胀节型号体现措施
• 对于复式自由型膨胀节（代号FZ）和弯管压 力平衡型膨胀节（代号WP），设计位在前，设计横向位移在后，两 个设计位移之间用“/”号连接。在承制方旳 产品样本中，前一种设计位移为单一设计 轴向位移（设计横向位移为零时），后一 种设计位移为单一设计横向位移（设计轴 向位移为零时）。
• 套管伸缩节由能够作轴向相对运
金
动旳内外套管构成。内外套管之 间采用填料函密封。使用时保持
属
两端管子在一条轴线上移动。
膨
胀
节
金
属
膨
胀 节套
筒 式 膨 胀 节
• 产品主要有套筒(芯管),外壳,密封材 料等构成.用于补偿管道旳轴向伸 缩及任意角度旳轴向转动.
金
• 套筒式补偿器旳内套筒与管道连接,采用 高性能自压式动密封旳原理与构造,它能
• 对于膨胀节设计位移，在承制方产品样本 中应明确阐明波纹管旳设计温度、设计疲 劳寿命和材料等设计条件；订购方在规定
膨胀节型号体现实例如下：
• 设计压力为1.6MPa，公称通径为1000mm,设计轴 向位移为205mm，端部连接为焊接型式，波纹管 为无加强U形旳外压单式轴向型膨胀节，其型号体 现为：WZUH1.6-1000-205。 设计压力为0.6MPa，公称通径为800mm，设计轴 向位移（设计横向位移为零时）为35mm，设计横 向位移（设计轴向位移为零时）为10mm,端部连 接为法兰型式，波纹管为∩形旳弯管压力平衡型 膨胀节，在承制方旳产品样本中其型号体现为： wpof0.6-800-35/10.
管道计算
管道计算第一章任务与职责1. 管道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2) 管道接头处泄漏；3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；2. 压力管道柔性设计常用标准和规范1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》10) GB 150-1998《钢制压力容器》3. 专业职责1) 应力分析(静力分析动力分析）2) 对重要管线的壁厚进行计算3) 对动设备管口受力进行校核计算4) 特殊管架设计4. 工作程序1) 工程规定2) 管道的基本情况3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析6) 立体管系可采用公式法进行应力分析7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8) 采用CAESAR II 进行应力分析9) 调整设备布置和管道布置10) 设置、调整支吊架11) 设置、调整补偿器12) 评定管道应力13) 评定设备接口受力14) 编制设计文件15) 施工现场技术服务5. 工程规定1) 适用范围2) 概述3) 设计采用的标准、规范及版本4) 温度、压力等计算条件的确定5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法6) 应用的计算软件7) 需要进行详细应力分析的管道类别8) 管道应力的安全评定条件9) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10)防止法兰泄漏的条件11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12)业主的特殊要求13)计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14)不同专业间的接口关系15)环境设计荷载16)其它要求第二章压力管道柔性设计1. 管道的基础条件包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
管道自然补偿
3．自然补偿3．１利用管道自然弯曲形状（或设计成L或Ｚ管道)所具有的柔性，补偿其管道自身的热胀和端点的位移称之为自然补偿。
蒸汽直埋管道正是在温度变化时,弯管部分塑性变形和一定量的弹性变形实现管道的自然补偿的。
热力管道热伸长量ΔL=a(t2-t1)L ﻩmmａ——管道在相应温度范围内的线胀系数 mｍ/m℃L——管道长度 mｔ1——管道安装温度℃t2——管道设计使用（介质）温度℃上式计算的管道伸长量ΔL是相对保守的，它没有考虑管道与其接触面（保温材料等)摩擦约束作用、相对位移影响等。
３.2 L型自然补偿文献［８]提出Ｌ长≦0.8５Lkp或（L长+L短)/2≦０.85ＬkpL ｋp ——极限臂长，是L弯管的臂长达到Ｌkp时热胀和内压作用弯头处引起综合应力达到安定性变形的极限值2σs。
通常Ｑ23５，σs取80ＭPa。
此与Ｌ=１．1x[（ΔLDw）／300]１／2计算结果基本一致。
对于绝大多数蒸汽直埋保温管多采用钢外套或玻璃钢/钢外套管形式,这不同于架空软质外套保温，要求工作管除自身应力满足安全需要外，外护管还必须有足够空间，保证工作管道的膨胀或位移不受外套管的阻碍、限制，同时保证绝热效果良好。
这就在某些工况下，要求设有补偿直管段(较通常管径扩大的直管段)或补偿弯头（偏心补偿驼背弯头)等。
3．3 Z型自然补偿文献［8］提出最小短臂长度Lｍiｎ概念Lmｉｎ＝0.8x0.65(ΔLDw) 1/2 mﻩﻩＬ长≦０.８5ｌｋpﻩL短≧１.15 Ｌｍin同时满足上两式要求,才能保证管道塑性变形不超过安定范围。
即短臂不过短，刚度不过大，不引起强度破坏或疲劳破坏。
Z型也可按两个L型进行补偿计算。
3.4 图解Ｌ型补偿随着科技进步，蒸汽直埋保温管设计结构有新的发展,可位移固定墩问世应用（1９98)。
文献[5］介绍了在不考虑弯管柔性系数和应力加强系数情况下,利用经验绘制的图表可迅速的对Ｌ管道进行柔性补偿判断，确定长、短臂尺寸。
管材的线膨胀及伸缩量的计算
一、热膨胀量的计算管道安装完毕投入运行时，常因管内介质的温度与安装时环境温度的差异而产生伸缩。
另外，由于管道本身工作温度的高低，也会引起管道的伸缩。
实验证明，温度变化而引起管道长度成比例的变化。
管道温度升高，由于膨胀，长度增加；温度下降，则由于收缩，长度缩短。
温度变化1度相应的长度成比例变化量称为管材的线膨胀系数。
不同材质的材料线膨胀系数也不同。
碳素钢的线膨胀系数为12×10—6／℃，而硬质聚氯乙烯管的线膨胀系数为80X10—6／℃，约为碳素钢的七倍。
管材受热后的线膨胀量，按下式进行计算： ()L t t L 21-=∆α式中△L ——管道热膨胀伸长量(m)；——管材的线膨胀系数(1／K)或(1／℃)；t 2——管道运行时的介质温度(℃)；t l ——管道安装时的温度(℃)，安装在地下室或室内时取t 1=—5℃；当室外架空敷设时，t 1应取冬季采暖室外计算温度；L ——计算管段的长度(m)。
不同材质管材的。
值见表2—1。
表2—1不同材质管材的线膨胀系数在管道工程中，碳素钢管应用最广，其伸长量的计算公式为()L t t L 2161012-⨯=∆- 管道材质线膨胀系数/（×10—6/℃） 管道材质 线膨胀系数/（×10—6/℃） 碳素钢铸铁中铬钢不锈钢镍钢奥氏体钢 12 17 纯铜(紫铜) 黄铜 铝 聚氯乙烯 氯乙烯 玻璃 80 10 5式中12×10—6——常用钢管的线膨胀系数(1／)。
根据式(2—2)制成管道的热伸长量△L表(见表2—2)，由表中可直接查出不同温度下相应管长的热伸长量。
例有一段室内热水采暖碳素钢管道，管长70m，输送热水温度为95℃，试计算此段管道的热伸长量。
解根据钢管的热膨胀伸长量计算式(2—2)△L=12×10—6(t1—t2)L=12×10—6（95+5）×70=由已知管长及送水温度，直接查表2—2，也可得管道的热伸长量△L。
膨胀节分类标准
纹膨胀节
-248 型 65N/mm，横向位移 248mm。实际横向位移 185mm。
许用疲劳寿命 3000 次。
2 横向拉杆型波 YDMH1.6-300 公称压力 1.6MPa，公称直径 DN300，横向刚度
纹膨胀节
-216 型 11N/mm，横向位移 216mm。实际横向位移 120mm。
许用疲劳寿命 3000 次。
机电安装工程施工工艺标准----暖通
直管压力平衡型膨 ZP 胀节
旁通直管压力平衡 PP 型膨胀节 外压轴向型膨胀节 WZ
3.实例图片
拉杆、端板和球面与锥 面垫圈等结构件组成
由位于两端的两个工作 波纹管和位于中间的一 个平衡波纹管及拉杆和 端板等结构件组成
由两个相同的波纹管及 端环、封头、外管等结 构件组成
复式万向铰链型膨 胀节
FW 由中间管所连接的两个 能吸收任一平面内的横向 波纹管及十字销轴、铰 位移并能承受波纹管压力 链板和立板等结构件组 推力的膨胀节 成
弯管压力平衡型膨 胀节
WP 由一个工作波纹管或中 主要用于吸收轴向与横向 间管所连接的两个工作 组合位移并能平衡波纹管 波纹管和一个平衡波纹 压力推力的膨胀节 管及弯头或三通、封头、
FZ 由中间管所连接的两个 主要用于吸收轴向与横向 波纹管及结构件组成 组合位移而不能承受波纹 管压力推力的膨胀节
复式拉杆式膨胀节
FL 由中间管所连接的两个 能吸收任一平面内的横向 波纹管及拉杆、端板和 位移并能承受波纹管压力 球面与锥面垫圈等结构 推力的膨胀节 件组成
பைடு நூலகம்
复式铰链型膨胀节
FJ 由中间管所连接的两个 只能吸收一个平面内的横 波纹管及销轴、铰链板 向位移并能承受波纹管压 和立板等结构件组成 力推力的膨胀节
自适应海底管线膨胀位移的管道终端设计及计算
自适应海底管线膨胀位移的管道终端设计及计算郭磊;段梦兰;李婷婷;程光明【摘要】In order to meet the developing of deeper-water oil & gas fields,a new pipeline end termination (PLET) with a sliding device which could adapt to the instant maximum slide about 1, 5 m caused by pipeline expansion is designed. Because the instant slide displacement caused by 35 km pipeline is 0. 995 m which is smaller than 1. 5 m,so the sliding device could stop the instant slide damaging other structure. The PLET also has a creative structure called force transfer device (FTD) which could effectively disperse the intent force from 1700 m pipeline.%为满足我国深水油气田开发的需求,设计了一种全新的管道终端(PLET).该PLET具有1套快速自适应滑移机构,最大滑移距离为1.5m,能够自适应海底管道的线膨胀位移.滑移机构能在很大程度上缓冲35 km的海底管道累积产生的0.995m瞬间膨胀位移,避免了瞬间滑动对该PLET其他结构造成破坏.此外,该PLET还有1个力转移座,在PLET的第2端安装时,为分散设定的1700m海底管道引起的集中力起到了很好的作用.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2012(041)004【总页数】6页(P25-30)【关键词】深水;管道;PLET;滑移机构,膨胀位移【作者】郭磊;段梦兰;李婷婷;程光明【作者单位】中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE952我国已经在南海开发超过1 500m水深的油气田，这标志着我国的海洋油气开发迈向了深水和超深水。
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主管道存在热膨胀时，为避免系统产生过大应力，连接在主管道上的支管应具有一个最 小无 约束长度，计算如下表(支管最小为DN20)： 支管的影响 直管段总膨胀量 e/mm 516.52 e/in 20.34 支管最小公称直径 D/mm 20 D/in 0.79 最小无约束长度 Lmin/M 12.20
此直管段上各支管的无约束长度要大于计算所得最小无约束长度则视为允许。
计 算 直管段长度 L/M 直管段总膨胀 直管段总膨胀量 量 e/in e/mm 98间管线总膨胀量 计算系数 参考系数 U/ft 321.52 E/mm 516.52 E/in 20.34 7.44 0.03
两固定点间直线距离
弯管宽度 W/M 9.80
对于一般管系，可不进行全面应力分析以节省费用，而进行快速核算来判断未经详细应力分析的管系弹性是否合适 弯管长度快速核算 初始温度 T1/℃ 20 操作温度 T2/℃ 400 d/mm 101.6 管子外径 d/in 4 L1/ft 160.76 分管段长度 L1/M 49.00
实际的弯管高度和宽度大于所要求的最小高度和宽度则视为补偿后的管系符合要求。
胀量和补偿弯管长度计算如
上。 变形，管廊立柱加防火涂料
易燃易爆管线在上层（越危
经详细应力分析的管系弹性是否合适，对于弯管型膨胀节，快速核算如下表：
速核算 弯管最小高度 Hmin/ft 9.89 Hmin/M 3.01 弯管最小宽度 Wmin/ft 4.94 Wmin/M 1.51
要求。
以管道引出点为基准点，采用下表计算 主 管 道 热 膨 胀 量 计 算 初始温度 T1/℃ 20 操作温度 平均膨胀系数 T2/℃ α 400 0.01156 膨胀系数 α 1 0.01167 膨胀系数 α 2 0.01376 每米管长膨胀量 Δ L/mm 5.27
对于一般管系，若计算系数＞0.03，则视其弹性不合适，需做应力分析 管 管线总长度 L/M L/ft 99 324.80315 管路公称直径 D/mm 100.00 D/in 3.94 每米管长膨胀量 Δ L/mm 5.27 系 挠 性 分 析
两固定点间直线距离 U/M 98
弯管长度的确定 管子外径 d/mm 101.6 d/in 4 直管段总膨胀量 e/in 20.34 L1/ft 160.76 弯管长度 L1/M 49.00 弯管高度 H/M 19.60
1、如果安装空间有限，则可根据现场情况追加固定点采用分段补偿，其热膨胀量和补偿弯管长度计算如 上，但要注意尽可能用最少的固定点解决管线的弹性问题 2、另外，弯管的计算方法可根据经验来定，一定要求弯管宽度为管径的5倍以上。 3、管廊布管一般细管在中间，粗管在两侧（重物靠近立柱承重），防止管廊变形，管廊立柱加防火涂料 防热变 4、管廊分层布管时，最底层为消防、不可燃等安全管线，中层为生产管线，易燃易爆管线在上层（越危 险的介质管线布置越往上）。