caesar2膨胀节输入分析课件

1、波纹管-膨胀节主讲人：王大辉、金红伟2008第1页，共38页。 Axial Stiffness轴向刚度 Transverse Stiffness横向刚度（往往输入横向刚度，软件计算弯曲刚度） Bending Stiffness弯曲刚度(应用在零长度角式和弯向始终） Torsional Stiffness扭转刚度KTR = (3/2) (KAX) (D/L) 2KBEND =(1/2) (KAX) (D2) (/180)KAX - is the axial stiffness of the expansionD - is the effective diameter of the expansi

2、onL - is the flexible length of the joint.对零长度绞式KBEND = (1/8) (KAX) (D2) (/180)膨胀节刚度第2页，共38页。零长度膨胀节用来模拟绞式和万向型。 完全柔性刚度为1.0, 完全刚性刚度为1.0E12. 所有刚度必须输入。给定长度膨胀节用户定义膨胀节长度用户输入轴向刚度，横向刚度，软件自动计算弯曲刚度。扭转刚度一般膨胀节避免扭转有效内径和盲板力相关 膨胀节刚度第3页，共38页。Simplified Bellow波纹管波纹管长度可为0长度也可为一个定长度。在定长度的条件下，弯曲或横向刚度其一不用输入。推荐不输弯曲刚度，而输入

3、横向刚度。如果输入弯曲刚度，刚度计算有一定要求。波的重量和附件的重量分别加在两侧法兰上。第4页，共38页。Pressure Thrust盲板力的考虑轴向运动可以模拟为一个活塞和一个弹簧的关系“F” = 有效面积 x 内压 + 弹簧刚度*轴向位移行程 活塞的力（内压盲板力）是作用在管道固定点或膨胀节的端板和拉杆上面。一般内压盲板力远远大于波纹管弹性力。第5页，共38页。Simplified Bellow波纹管Tied Bellows单式拉杆型膨胀节Simple建单建模Comples复杂建模Universal Expansion Joints复式拉杆型膨胀节Simple 建单建模Comples 复

4、杂建模Hinged Joint绞式膨胀节Slotted Hinge Joint-轴向补偿绞式膨胀节Slip Joint-轴向补偿套筒型膨胀节Gimbal Joints-万向式膨胀节Dual Gimbal复式万向型膨胀节Pressure-Balanced Tees and Elbows压力平衡型膨胀节波纹管形式第6页，共38页。一、膨胀节的类型及典型管段的补偿设计1.单式轴向型膨胀节由一个波纹管和两个可与相邻管道、设备相接的端管（或法兰）等组成的 挠性装置，主要用于补偿直管段轴向位移，另外也可以吸收少量的横向位移. 图1 是采用轴向型膨胀节设置实例。第7页，共38页。单式轴向波纹管膨胀节应用第8

5、页，共38页。 存在横向位移或存在轴向与横向组合位移的场合，使用单式膨胀节所受到的限制主要是膨胀节吸收横向位移的能力有限。另外在工作压力，温度较高，直径较大或无法在结构物上安设主固定支架或多个导向支架的场合，使用轴向型膨胀节可能行不通。第9页，共38页。2.复式拉杆型波纹管膨胀节 由中间接管连接的两个波纹管及拉杆、端板等组成的挠性装置，以横向位移方式补偿平面或立体弯曲管段的热位移，拉杆装置应能承受压力推力及其附加外力的作用。复式拉杆型膨胀节特别适合吸收横向位移，此外，这种设计形式也可用于吸收轴向位移，角位移以及任意由这三种形式合成的位移，一般用法是将这种带连杆的膨胀节设置在呈90的“Z”形管系

6、的中间管臂内，调整连杆以阻止外部的轴向位移，图2、3 是两个应用实例。第10页，共38页。 复式拉杆型膨胀节主要吸收单平面“Z”形弯管的横向位移，中间管臂连杆以内的热位移用膨胀节的轴向位移来吸收，水平管线的热位移由膨胀节的横向位移来吸收。由于压力推力是由拉杆来承受的，所以两端均使用中间固定支架，由于作用于管线上的轴向力，是膨胀节产生的变形反力，因此只需使用导向支架。中间管臂上位于连杆以外的部分，如两端弯管的热膨胀则由水平管道的弯曲来吸收。第11页，共38页。复式大拉杆波纹管膨胀节的应用第12页，共38页。Tied Bellows单式拉杆型膨胀节简单模型复杂模型近来吸收横向位移，无轴向位移，弯曲

7、和转角吸收功能失效分析时采用拉杆螺栓在外侧，允许拉杆承受拉力条件下，或拉杆螺栓在内外两侧，拉杆可以收押的条件下。管直径大，波数多时采用拉杆螺栓在外侧，仅允许拉杆承受拉力条件下均匀的将荷载分配到拉杆上单拉杆用一个零重量刚性件模拟轴向刚度。刚性件的直径等于拉杆直径，刚性件的壁厚等于杆的直径考虑拉杆的端部摩擦作用，及其它影响恒向变形的因数，建议将横向刚度值增加30%考虑拉杆的端部摩擦作用，及其它影响恒向变形的因数，建议将横向刚度值增加30%第13页，共38页。Universal Expansion Joints复式拉杆型膨胀节简单模型复杂模型考虑拉杆的端部摩擦作用，建议将横向刚度值增加10%第14页

8、，共38页。简单模型-1第15页，共38页。简单模型-2第16页，共38页。复杂模型-1第17页，共38页。复杂模型-2第18页，共38页。3.铰链型膨胀节由一个波纹管、两组与端管相连的铰链板及一对销轴等组成的挠性装置，铰链式膨胀节一般以两、三个作为一组使用，用于吸收单平面管系中一个或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨胀节被它的铰链板所制约，产生纯角位移，然而，被管段分开的每对铰链型膨胀节互相配合可吸收横向位移。给定单个膨胀节的角位移，每对铰链式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间的距离成正比，因此，为了便膨胀节充分发挥应用，应尽量加大这一距离。膨胀节的铰链板通常用于承受作用于膨胀节

9、上的全部压力推力，另外也可以用来承受管道和设备的重量、风载第19页，共38页。 推力是由膨胀节上的铰链板来承受的，只需在管系的两端设置中间固定支架，由于膨胀节受铰链制约只能产生纯角位移，不能伸缩，包含有膨胀节的中间管臂的热膨胀必须由与它相垂直的管臂发生弯曲来吸收，两个长管臂的弯曲挠度由正确设计的导向支架和支架来控制1）图6 是用双铰链系统吸收单平面“Z”形弯管的主要热膨胀.第20页，共38页。第21页，共38页。2) 如果单平面“Z”形管系的中间管臂较长过，可采用三个铰链型膨胀节的系统。图7 表示在单平面弯管中的三铰链型膨胀节系统，竖直管段的热膨胀将由B 和C 两个膨胀节的动作来吸收，水平管段

10、的热膨胀由A 和B 两个膨胀节来吸收，很明显，膨胀节B 的角位移是A 和C 之和。第22页，共38页。第23页，共38页。和前面的示例一样，在管系两端只用中间固定支架来固定，本例中所有的热变形全部被膨胀节所吸收，因管道的热变形作用于固定支架的载荷非常小，如果左侧的固定支架与第一个铰链型膨胀节的间距较大，在靠近膨胀节处应设置导向支架，该支架为以承受膨胀节转动的力，从而减少膨胀节C 至左侧固定支架之间部分管道的弯曲，为了保持管系位于平面内，并消除可能由外载所产生的作用于铰链的弯曲力，可以增设一个或多个导向支架，管系的支撑可以采取多种方式，对膨胀节之间的管道进行支撑而不妨碍其自由移动时，可采取弹簧支

11、吊架。第24页，共38页。3）图8 是弯管角度不等于90时，使用铰链式膨胀节的示例。铰链型膨胀节的主要优点是它的尺寸紧凑，便于安装，而且可以使它的铰链板具有很大的刚度和强度，使用它们通常可以对构形不规则的复杂管线的热膨胀进行补偿，在这样的管线上使用别种膨胀节往往行不通，由于铰链结构能够传递载荷，铰链型膨胀节的管系施加到固定支架的作用力很小，这种系统的支撑点可设在不妨碍系统活动的任何位置上，这给系统的设计带来了很大的自由。第25页，共38页。第26页，共38页。Hinged Joint绞式膨胀节采用零长度膨胀节，横向，周详，扭转刚度均为无穷大。绞方向通过约束和关联节点来定义。限制转动方向永远是转

12、轴的法线方向。第27页，共38页。4.万向铰链型膨胀节由一个波纹管，万向铰链环及两对与万向铰链环和端管相连的铰链板等组成的挠性装置。通常以两个万向铰链型或以两个万向铰链型与一个单式铰链型膨胀节一起配套使用，如图9，两个万向铰链型膨胀节协同动作吸收上、下两个水平管臂的组合位移，铰链型膨胀节则与上部的万向铰链型膨胀节互相配合吸收竖直管臂的位移。用万向铰链型膨胀节构成的系统与上节提到的用铰链型膨胀节构成的系统有类似的优点，但万向铰链型膨胀节的应用具有更大的灵活性，它不限于单平面系统。第28页，共38页。第29页，共38页。Gimbal Joints-万向式膨胀节形式一：仅吸收角变形形式二：即可吸收角

13、变形，也可吸收横向位移形式一形式二第30页，共38页。5.弯管压力平衡型膨胀节 由两个或一个工作波纹管和一个平衡波纹管以及端管，端板、弯头、封头、拉杆等组成的挠性装置，用于补偿管段的轴向位移，横向位移或二者的合成位移，且不使固定管架或相连设备承受压力推动的作用，拉杆装置承受压力推力和其它附加外力的作用。第31页，共38页。弯管压力平衡式膨胀节的主要优点，是它在吸收来自外部的轴向位移时，不会使系统受到内压推力的作用。由波纹管整体刚度造成的力并未消除，实际上这个力一般要超过单式膨胀节位移引起的弹力。因为工作波纹管和平衡波纹管都要受到压缩或拉伸，作用在管道或设备上的力是两者的轴向合力。 图4 是存在

14、轴向与横向组合位移的时使用弯管压力平衡式膨胀节的典型实例，在管道的端部和汽轮机上的支架均为中间固定支架，并且只需要使用导向支架，采用合理的设计可以使汽轮机上方的导向支架承受使膨胀节产生轴向位移的作用力，避免该力作用到汽轮机上，作用在汽轮机上的只有使膨胀节产生横向位移的作用力。第32页，共38页。弯管压力平衡型膨胀节第33页，共38页。 图5 所示为一种常见的非常适于使用弯管压力平衡型膨胀节的场合。 在工艺操作中，容器和竖向管道的膨胀量可能不同，按图示安装一压力平衡式膨胀节，竖直方向的位移差可以由膨胀节的轴向位移吸收，容器中心线到管线之间的热膨胀可由膨胀节的横向位移吸收。第34页，共38页。第3

15、5页，共38页。其他形式还有直通压力平衡式波纹管补偿器。旁流式压力平衡是波纹管补偿器。（振动和压力损失）第36页，共38页。压力平衡式波纹膨胀节 适用于需要平衡波纹管压力推力的管线上。分为 直管式压力平衡型膨胀节、补偿轴向位移直管旁流式压力平衡型膨胀节、补偿轴向位移弯管式压力平衡型膨胀节。补偿横向位移和轴向位移； 主要用于设备进、出口处及设备与设备相连接的管段，如果在一条很长的管线上采用压力平衡型膨胀节来减少对固定支架的推力，必须整个管线全部采用压力平衡型膨胀节。 第37页，共38页。Pressure-Balanced Tees and Elbows压力平衡型膨胀节Pressure balanced tees and elb