图 1 是常见的管路布置 ,图 1 中压力推力由 2 部分组成 ,第 1 部分为波纹管对固定点推力 ,作用面积是 dp 与 Dn 之间的环形面积;第 2 部分为弯管对固定点 拉力 ,作用面积是管道的流通面积 ,这两部分之和是 波纹管的有效面积。
图 2 为一直管 ,固定点两侧设有波纹补偿器 ,从图 2 可知 ,两个波纹管对固定点产生的压力推力大小相 等 ,方向相反 ,合力为 0。但在两个波纹管之间的直管 上存在一个轴向压缩力 ,数值为图 2 中环形面积与介 质压力的乘积。
图 3 为有大小头的管路 ,管道中有 3 个部分对固 定点产生压力推力 ,即 2 个波纹管和 1 个大小头 ,所对 应的面积为 A1 , A2 , A3 ,其中 A1 , A2 产生的压力推力沿 X 轴正向, A3 产生的压力推力沿 X 轴负向,固定点承 受压力推力的作用面积 Ap 为大波纹管有效面积减去 小波纹管有效面积 ,表示为
从以上分析看出 ,固定点承受弯管、 堵头、 大小头 等部件引起的压力推力 ,其作用面积是用波纹管有效 面积计算的。而固定点两侧等径波纹管只对管材产 生较小的轴向力 ,不对固定点产生压力推力。 一般来讲 ,一段装有轴向波纹补偿器的直管至少 有 2 个固定点承受压力推力
直管压力平衡式波纹补偿器不产生压力推力。 但设计中要避免这样的错误概念 ,即认为仅把直管两 端的轴向型补偿器选为压力平衡型 ,而中间多个补偿 器选为普通轴向型就可以消除压力推力。实际上只 要有普通轴向型补偿器就存在压力推力。只有当直 管路中补偿器都是压力平衡型 ,这段管路才处于压力 平衡状态 ,即没有主固定支架。
图 4 为两段装有直管压力平衡型补偿器的管路和 一段装有普通轴向补偿器的管路。图 4 (a) 中 3 个补 偿器均为压力平衡型 ,固定点不承受压力推力 ,仅承 受弹性力和摩擦力。
图 4(b)中管道两端是压力平衡型补偿器 ,中间是 普通轴向补偿器 ,固定点仍要求受压力推力。与图 4 (c)相比 ,仅是主固定支架的位置不同。
直管压力平衡式补偿器的受力关系比较复杂 ,对 管系进行分析时 ,可将直管压力平衡补偿器简化成 π型补偿器 ,便能方便地对管系进行分析 ,例如将图 4(b)简化成图 5 ,可清楚看出固定支架的位置。
压力推力的特点是没有自限性 ,而弹性力引起固 定支架失效时 ,管道将产生一段位移然后停在某个位 置上 ,而不会无限制地变形下去。压力推力引起固定 支架失效时 ,压力推力并不随着管道的变形而减小 , 整个管系在压力推力作用下连续位移直到整体破坏 , 类似于应力分析中的一次应力。
图 6(a) 是一段轴向波纹补偿器管路。A 和 C 为 主固定支架 ,B 为次固定支架。如果固定支架A 失效 , 作用在左侧直板上的压力推力将左侧波纹管拉长 ,波 纹管拉长后轴向应力成倍增加 ,可能造成爆管破坏。 如果不爆管 ,则压力推力通过左侧波纹管作用在次固 定支架 B 上。次固定支架无法承受压力推力 ,因此被 拉坏。然后 ,再拉直右侧的波纹管 ,直到作用力传到 另一个主固定支架 C 上 ,这种破坏才结束。
因此 ,可 以说主固定支架是轴向补偿器管系的关键部位 ,设计 不当会造成重大损失。 轴向型补偿器管路布置时 ,要求两固定点之间的 管道成直线。这样可以保持管道推力线通过固定点 , 也可以减少不必要的主固定支架。
图 6(a)中 ,A 为主固定支架 ,位于压力推力线上 , 受力合理。
图 6 (b) 中 ,两固定点之间的管段成折线 , A1 偏离了推力线 ,在压力推力作用下固定点承受非常 大的扭矩 ,管材产生很大的一次应力 ,造成设计不合 理。
管道施工中经常遇到障碍 ,需要改变管道走向。 对自然补偿器管道 ,只要处理合适不会产生很大影 响 ,但对轴向补偿器管路影响非常大。某些次固定支 架在管道改变走向后要承受压力推力 ,处置不当很容 易推坏固定支架。 轴向补偿器管路出现折点又无法自然补偿时 ,折 点处应设为主固定支架 ,折点与主固定支架之间的距 离不宜超过 115 倍管径。
波纹补偿器在管系中为柔性元件 ,其刚度远小于 连接管道的刚度。在自然补偿管系中 ,管道变形较为 均匀 ,整个管系都参与补偿变形 ,整体性好 ,可靠性 高。在波纹补偿器管系中 ,由于波纹管刚度小 ,大部 分补偿器变形都发生在波纹管上 ,由于设计不合理或 者意外事故而产生的不利因素也要由波纹管承担 ,波 纹管成了整个管系中最薄弱的环节。
波纹管自身抗扭能力小 ,强度低 ,在立体管系中 应注意管道的布置 ,不要使波纹管产生扭转 ,以免造 成破坏。
