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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160014，材质为Q235，管道为卷焊管。管道上安装了波纹膨胀节。 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。
2、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l60014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）=3.14/4 1602= 20096（cm2）试验压力为Pl=0.28MPa时的轴向拉力：P1 = pl
3、S = 0.28MPa 20096 cm2 = 562688(N)试验压力为p2 = 0.456MPa时的轴向拉力：P2 = p2S = 0.456MPa20096 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 = P2A = 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：M
4、1 = P13H = 562688N3215mm = 40325973(N mm)M2 = P23H = 916378N3215mm = 65673757(N mm)截面抗弯摩量Wz = th26=2011026=40333(mm3)由M产生的弯曲正应力：ml = M1Wz = 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 M
5、Pa+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 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200mm20mm(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
6、= 916378N32000mm2 = 28.6 MPa弯矩M = p8H = 916378N8250mm = 28636813(N mm)截面抗弯摩量Wz = th26 = 2020026=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
7、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 = 6817 mm2 = 4902 mm2 轴向拉力 P = 916378(N) 拉应力 = PS = 9163784902 = 187 MPa 安全系数n
8、 = s= 2351 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，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 = 63.53 cm2 = 2118 mm2 若取安全系数n = 1.5倍 则P = 2352118 = 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
9、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可采用。 根据天钢东移2000mm3高炉热风炉冷风管道波纹膨胀节试压时出现的事故，我进行了详细的理论计算和分析，从技术上找到了解决问题得办法，得出上述结论。 关于膨胀节的加固方法，我在机装分公司技术人员培训时，专门编制了培训讲稿，并向技术人员做了讲解。 徐兰柱天津二十冶机装分公司 2005年9月6日