管材的线膨胀及伸缩量的计算.docx
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管材的线膨胀及伸缩量的计算
第一节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：
式中△L——管道热膨胀伸长量（m）；
——管材的线膨胀系数（1／K）或（1／℃）；
t2——管道运行时的介质温度（℃）；
tl——管道安装时的温度（℃），安装在地下室或室内时取t1=—5℃；当室外架空敷设时，t1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
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
在管道工程中，碳素钢管应用最广，其伸长量的计算公式为
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。
如果管道中通过介质的温度低于环境温度，则计算出来的是缩短量。
表2—2水和蒸汽管道的热伸长量△L表（m）
二、热应力计算
如果管道两端不固定，允许它自由伸缩，则热伸缩量对管予的强度没有什么影响。
若在管子的两端加以限制，阻止管子伸缩，这时在管道内部将产生很大的热应力，热应力的计算式为
式中σ——管材受热时所产生的热应力（MN／m2）；
E——管材的弹性模量（MN／m2），碳素钢的弹性模量E=20．104×104MN／m2；
ε——管段的相对变形量，ε=△L/L为管段的热膨胀量（m）；L为在室温下安装的管段原长度（m）。
由上式可见，管道受热时所产生的热应力，仅与管材的弹性模量、线膨胀系数、管段的长度及管道受热时温度的变化幅度有关，而与管径大小及管壁厚薄无关。
如果将式（2—1）代人ε=△L/L中，那么ε=△t，则热应力的计算式可写成为
σ=E△t
从而可知，当管道材质确定以后，温度差△t是决定热应力的最主要的因素。
对于碳素钢管，线膨胀系数取12×10—6m／（m℃），弹性模量取×104MN／m2。
那么，钢管的热应力计算式可简化为
σ=△t
利用式，可以很容易地计算出钢管受热时所产生的热应力。
例有一段两端固定的碳素钢管，安装时室温为—5℃，投入运行后管子温度为130℃，求该管道由于热膨胀所产生的热应力。
解管道投入运行后与安装时的温度差
△t=130—（—5）=135℃
因此，热膨胀应力
σ=△t=×135=／m2
由以上计算可以看出，管道受热后所产生的热应力远远超过了钢管及接头等配件的容许应力（σ钢=／m2），要想阻止管道的伸缩，任何固定支架及构筑物都是无能为力的，只有选用适当的补偿装置，任其自由伸缩，消除热应力，才能确保管道系统的安全运行。
第二节管道的固定支架及自然补偿
一、管道的固定支架
为了防止管道受热后上下左右移动，在管道系统中普遍设置固定支架。
固定支架间的管道因受热膨胀所产生的伸长量由管道本身的弯曲部件或管道中设置的伸缩器进行补偿。
只有当钢管的温度变化（△t）小于32℃时，管道的热应力不超过钢材的许用应力，才不考虑补偿的问题。
管道安装中应尽量利用其本身弯曲部件的补偿能力。
由固定点起，允许不装伸缩器的直管段长度L见表2—3，该表同时适用于带有支管的干管，如图2—1所示。
表2—3由固定点起，允许不装伸缩器的直管段的最大长度（m）
房屋
种类
热水温度/℃
60
70
80
90
95
100
110
120
130
151
158
170
175
179
183
蒸汽表压/MPa
民用建筑
55
45
40
35
33
32
26
25
22
22
22
工业建筑
65
57
50
45
42
40
37
32
30
27
27
27
25
25
24
24
24
24
图2—1带有支管的干管
1—固定点2—千管3—支管
当受热管段本身弯曲部件的补偿能力不能满足要求时，在管道中必须设置补偿装置，其固定支架间的最大间距见表2—4。
固定支架安装时，一般直接栽人墙内或固定在柱子上，其埋人墙内的深度最好与壁厚相等，四周空隙用150号碎石混凝土灌注。
在地沟墙上安装较大管道固定支架，可在砌筑地沟时，在安装位置预留400mmX300mm方孔，然后在预留位置固定好需设置的固定支架，再用碎石混凝土灌注捣实。
表2—4热力管道固定支架间的最大间距
管道公称直径
DN／mm
25
32
40
5C
70
80
100
125
150
200
250
3012
350
400
450
500
600
方形伸
宿器
地沟或架空
敷设／m
30
35
45
50
55
圃
65
70
80
90
10G
115
130
145
160
180
200
方形伸
宙铝
无地沟
敷没／m
45
5C
55
60
65
70
70
90
90
1113
110
110
125
125
125
管道公称直径
DN／mm
25
32
40
5C
70
80
100
125
150
200
250
3012
350
400
450
500
600
方形伸
宿68
地沟或架空
敷设／m
30
35
45
50
55
圃
65
70
80
90
10G
115
130
145
160
180
200
方形伸
宙铝
无地沟敷没／
m
45
5C
55
60
65
70
70
90
90
1113
110
110
125
125
125
二、自然补偿
管道系统中弯曲部件的转角不大于150°时，均可做为自然补偿装置。
其优点是简单、可靠。
但弯管转角大于150°时；不能做为自然补偿装置，否则会产生侧向移动过多的现象，严重时使管道系统损坏。
此外，在自然补偿管段的拐弯处附近，最好采用焊接，不应采用法兰连接接头，尤其不能采用法兰连接的弯头。
因为有法兰连接方式的接头时，由于管道热膨胀自然补偿产生的剪切力的作用，法兰处容易发生事故。
常见的自然补偿部件有L形和Z形两种。
1．L形管段的自然补偿
如图2—2所示的L形管段。
11为其短臂，L1为长臂，其夹角为90°～150°。
受热后，产生如图2—2中虚线所示的变形，使管段内的热应力得到减小，从而起到一定的自然补偿作用。
同时，管段两边固定点A、B处产生弯曲应力，其中短臂固定点A处的弯曲应力最大，需要通过计算加以校核，看其是否超过管材许用弯曲应力。
在实际工作中，常常根据长臂的热伸长量和管材的许用弯曲应力反求出短臂的最小长度，看其是否合适。
如果短臂长度小于最小长度，则可适当调整两固定点的位置，增加短壁长度或减小长臂长度，使两臂长度相适应。
对于两臂夹角为90°的L形碳素钢管，当已知长臂的长度并计算出其热伸长量时，可用下式粗略地计算出自然补偿所需短臂的长度。
图2—2L形管段的自然补偿
式中L1——短臂长度（m）；
△L——长臂上的热伸长量（mm）；
DW——管子外径（mm）。
例已知外径为159mm的碳素钢管直角L形管段，其长臂长度L=20m，温差△t=200℃，求自然补偿所需短臂的长度L1。
解由式（2—2）可知，长臂的热伸长量为△L二0．012△TL=0．012×200×20=48mm
将△L之值代人式（2—5），则所需短臂的长度为
2．Z形管段的自然补偿
在管道上的两固定点之间，由两个90°角组成的Z形管段，受热后产生如图2—3中虚线所示的弹性变形，借以减小管段的热应力，从而起到一定的补偿作用。
图2—3Z形管段的自然补偿
根据该管段所产生的弯曲应力不应大于管材的许用弯曲应力的要求，可以推算出其垂直臂长L的计算公式
式中L——垂直臂长度（删）；
△L——热伸长量，△L=△LI+△L2（cm）；
Z——材料的弹性模量（Pa）；
DW——管子外径（恤）；
σ——管子的弯曲许用应力（h）；
k——短臂与垂直臂长之比，k=L1/L。
当实际垂直臂长小于计算出来的上值时，应适当调整两平行管段的长度，即缩短长臂，加长短臂，使其总长不变。
或者适当加长垂直臂。
第三节伸缩器的选用和安装
当利用管道中的弯曲部件不能吸收管道因热膨胀所产生的变形时，在直管道上每隔一定距离应设置伸缩器。
补偿的方法是：
用固定支架将直管路按所选伸缩器的补偿能力分成若干段，每段管道中设置一伸缩器，吸收热伸缩，减小热应力。
常用的伸缩器有方形、套管式及波形等几种，其选用和安装方法分述如下：
一、方形伸缩器
方形伸缩器由四个90°弯管组成。
弯管应尽量用无缝钢管煨制，组成方形伸缩器的弯管其弯曲半径取R≥4D，在乎台上进行组对，四个弯曲角应在同一平面上。
方形伸缩器制作维修方便，补偿能力大，运行可靠，在供热管网中得到广泛应用。
只有当安装地点受限制时，才选用其它类型的伸缩器。
方形伸缩器根据边长和臂长的比值不同而分为四种类型，如图2—4所示。
选用时先根据管段长度和输送介质温度及管径，从表2—2中查出热伸长量△L，再由表2—5介绍的各类型方形伸缩器的尺寸和补偿能力直接选型。
图2—4方形伸缩器的类型
伸缩器应在两固定支架间的管道安装完毕，并牢固固定后才进行安装。
吊装时，应使其受力均匀，起吊应平稳，防止变形。
吊装就位后，必须将两臂预拉或预撑其补偿量的一半（即△L/2），偏差不应大于±10mm，以充分利用其补偿能力。
预拉伸焊缝位置应选择在距伸缩器弯曲起点2～处。
常用如图2—5所示的拉管器进行预拉。
操作方法有两种：
一种是利用一个拉管器进行冷拉，如图2—6所示；先将未拉伸的伸缩器的一端与管道找平焊牢固定，另一端与直管末端预留△L/2的间隙，然后把拉管器安装在待焊的接口上，拧紧拉管器螺栓，拉开伸缩器到管子接口处对齐焊好。
另一种是利用两个拉管器分别安装在伸缩器两侧接口处同时进行冷拉，每侧拉伸量为△L／4，如图2—7所示。
图2—5拉管器
1—止滑环2—角钢3—螺栓4—法兰
图2—6利用一个拉管器冷拉示意图
图2—7利用两个拉管器冷拉示意图
另一种方法是用千斤顶把伸缩器的两长臂撑开来实现预拉，如图2—8所示。
图2—8利用千斤顶冷拉方形伸缩器示意图
方形伸缩器一般水平安装，其安装坡度应与连接管道相同，以利于介质流过，不应有横向倾斜。
当必须横向倾斜或垂直安装时，则应在易积水处装设排水阀。
方形伸缩器与管道连接好后，为避免焊缝产生拉开、裂纹缺陷，一定要注意待焊缝完全冷却后，方可将预拉器具拆除。
二、套管式伸缩器
套管式伸缩器有铸铁制和钢制两种，如图2—9所示。
通常用在管径大于l00mm，且工作压力小于1．568MPa（钢制）及1．274MPa（铸铁制）的管路中。
套管式伸缩器有较大的补偿能力，占地小，安装简单，但易漏水，需要经常检修更换填料。
因此，在遇水能发生危险的场合，以及埋地敷设的管道上，不能安装这种伸缩器。
套管式伸缩器分单向和双向伸缩两种。
单向伸缩器应安装在固定支架旁边的平直管道上，双向伸缩器应安装在两固定支架的中间。
安装前应将伸缩器拆开，检查内部零件及填料是否齐备，质量是否符合要求。
安装时，要求伸缩器中心线和直管段中心线一致，不得偏斜，并在靠近伸缩器的两侧各设置一个导向支架（导向支架可参照弧形板滑动支架形式进行制作），以免管道运行时偏离中心位置。
套管式伸缩器在安装时，也应进行预拉，其预拉后的安装长度，应根据管段受热后的最大伸缩量来确定。
同时还应考虑到管道在低于安装温度下运行的可能性，其导管支撑环和外壳支撑环之间，应留有一定间隙。
其预留间隙的最小尺寸可参考表2—6，也可按下列公式进行计算。
图2—9套管式伸缩器
1—填料2—外壳支撑环3—导管支撑环
表2—6套管式伸缩器的安装间隙（△值）
△=△1（t2－t1）/（t3-t1）
式中△——导管支撑环与外壳支撑环间剩余的可缩长度（mm）；
△1——伸缩器最大的可伸缩范围（mm）；
tl——室外最低计算温度（℃）；
t2——安装时气温（℃）；
t3——管内输送介质的最高温度（℃）。
三、波形伸缩器
波形伸缩器一般用3—4mm厚的钢板制成，因其强度较低，补偿能力小，通常只用于工作压力不大于0．7MPa的气体管道或管径大于150mm的低压管道上。
波形伸缩器的结构如图2—10所示，由波节和内衬套筒组成，内衬套筒一端与波壁焊接，另一端可以自由移动。
安装时应注意使管道内输送介质的流动方向为从焊接端流向自由端，并与管道的坡向一致，防止凹槽内大量积水；同时还需在波峰的下端设置放水装置。
波形伸缩器的中心线不得偏离管道中心线。
在吊装波形伸缩器过程中，不得将吊绳绑扎在波节上，更不能在波节上焊接支架或别的附件。
波形伸缩器安装时，也需用拉管器在平地上进行预拉（或预压），拉伸（或压缩）长度为伸缩量的1／2。
预拉时，其偏差不大于5nlill。
作用力要分2～3次逐次加大，尽量图2—10波形伸缩器
使每个波节的四周受力均匀。
当拉伸（或压缩）到所要求的1—波节2—内衬套筒
量时立即安装固定。
装有波形伸缩器的管路在水压试验时，决不允许超过规定的试验压力，以免伸缩节被过分拉长而失去弹性。
为避免拉过头，一般在试压前，将伸缩器用固定架夹牢。
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