带膨胀节管道进行压力试验时

1、带膨胀节管道进行压力试验时 的加固措施及其力学分析 天钢东移2000mm3高炉工程热风炉冷风管道试压工作于2003年10月进行，冷风管道系统的鼓风机出口压力为o.5mpa，热风炉冷风管道的工作压力为0.37mpa，设计规定强度试验压力为0.456mpa，管道直径最大为1600×14，材质为q235，管道为卷焊管。管道上安装了波纹膨胀节。 <<工业金属管道工程施工及验收规范>>gb5023597中，第7.5节压力试验，第7.5.2条 压力试验前应具备下列条件中，第7.5.2.3款规定：管道上的膨胀节已设置了临时约束装置。为防止膨胀节在试压过程中因为受到管道轴向拉

2、力的作用产生拉伸变形，根据该规定，管道在试压前对波纹膨胀节均进行了加固。 加固的方法如图1所示，用3块厚度(用t表示)为20mm的钢板，加工成高度为(用h表示)1lomm的门形，均布的焊接固定在膨胀节两侧的管道上，使得试压时的拉力由门形钢板承担。在试验压力达到0.28mpa时，3#热风炉冷风支管l600×14上的波纹膨胀节出现了问题，膨胀节出现了拉伸变形（拉长了3065mm），加固的门型钢板产生了弯曲和拉伸塑性变形。 针对这一问题，根据材料力学对加固措施进行理论计算和分析。一、试验压力下的受力计算1.试验产生的轴向拉力管道内截面积s：s=丌/4 ×1602（cm2）=3.1

3、4/4 ×1602= 20096（cm2）试验压力为pl=0.28mpa时的轴向拉力：p1 = pl×s = 0.28mpa ×20096 cm2 = 562688(n)试验压力为p2 = 0.456mpa时的轴向拉力：p2 = p2×s = 0.456mpa×20096 cm2 = 916378(n)2、轴向拉力(p1、p2)对门型加固板产生的拉应力门型加固板截面积a = 110高× 20厚×3块 = 6600mm2pl = pla = 56268.8kg66cm2 = 853kgcm2 = 85.3 mpap2 = p2

4、a = 91637.8kg66cm2 = 1389kgcm2 = 138.9 mpa3、轴向拉力对门型加固板产生的弯矩及弯曲应力(在a-a截面)轴向拉力对门形加固板产生的最大弯矩：m1 = p1÷3×h = 562688n÷3×215mm = 40325973(n mm)m2 = p2÷3×h = 916378n÷3×215mm = 65673757(n mm)截面抗弯摩量wz = t×h2÷6=20×1102÷6=40333(mm3)由m产生的弯曲正应力：ml = m1wz

5、 = 40325973(n mm)40333(mm3) = 999.8 m paml = m2wz=65673757(n mm)40333(mm3) = 1628 m pa4、拉伸和弯曲产生的最大组合应力l = p1+ml = 85.3 mpa + 999.8 mpa = 1085 mpa2 =p2+m2 = 138.9 mpa+1628 mpa = 1767 mpa5、许用拉伸应力 对塑性材料： 许用应力= 0n(极限应力安全系数)= sn对于材质q235 ，s = 235mpa 取n 2= sn = 2352 = 117.5 mpa6、很显然，1、2的数值都远大于许用应力值1 = 1085

6、 mpa >s 235mpa2 = 1767 mpa >s 235mpa二、分析 1、每个膨胀节设置了3块加固板，如果将加固板数量增加到8块并加大截面尺寸至200mm×20mm(h相应增大到250mm)，则：轴向力p = p2 = 916378(n)门型加固板截面积a=200高×20厚×8块 = 32000mm2拉应力p = p2a = 916378n32000mm2 = 28.6 mpa弯矩m = p÷8×h = 916378n÷8×250mm = 28636813(n mm)截面抗弯摩量wz = t×

7、;h2÷6 = 20×2002÷6=133333(mm3)弯曲应力m = mwz = 28636813(n mm)133333(mm3) = 214.8mpa最大组合应力 = p+m = 28.6 mpa + 214.8 mpa = 243 mpa = 243 mpa > s = 235 mpa可见，即使增加了加固板的数量且加大加固板尺寸，技术上也不可取。而且8块加固钢板的重量总共达到350公斤，材料消耗也较大。 2、从上面的数据中可以看出，弯曲应力与拉伸应力的比值分别为：m1p1 = 11.7、m2p2 = 11.7、mp = 7.5，说明：弯矩对加固板的

8、影响要比拉力的影响大的多。 因此，改变加固方法，尽可能不产生弯矩是很重要的。三、采用螺杆连接的加固方法 1、用螺杆拉紧焊接在波纹膨胀节两侧管道上的固定板，螺杆与固定板之间为铰接，管道试压时产生的轴向拉力不会对螺杆产生弯矩，螺杆只承受轴向拉力。对螺杆的强度计算就只计算拉伸应力。如下： 考虑用6条m36螺杆，其有效截面积为s s = 6×817 mm2 = 4902 mm2 轴向拉力 p = 916378(n) 拉应力 = ps = 9163784902 = 187 mpa 安全系数n = s= 235÷1 87 = 1.26倍 2、当已知螺杆尺寸和数量，求能承受的试验压力时，

9、可以参考以下计算方法： 例如：用6条m24螺栓，试压压力最大为多少? 有效截面积为s = 6×3.53 cm2 = 2118 mm2 若取安全系数n = 1.5倍 则p = 235×2118 = 497730(n) = 49773 kgf p = 试压压力×丌×(16002)2 试压压力 = 497730丌×640000 = 0.2477 mpa 结果：仅靠6条m24螺杆，当试压压力达到02477 mpa时，螺杆便产生塑性变形。 四、结论 1、设计有膨胀节的管道进行压力试验时，需要对膨胀节进行加固，推荐采用螺杆连接的加固方法。 压力试验前，对膨胀节进行如上图示方法进行加固，此种结构至少在圆周均布多点，并且对焊缝、筋板、拉杆进行详细的抗剪、抗弯、抗拉强度计算。 2、不应使用的加固方法 在施工中，过去采用如下图示的加固型式，这是不可取的，容易造成事故。除非迫不得已，必须对焊缝及使用的材料有详细的力学计算，并将计算结果及详细资料报公司技术部门审核批准方