王 雪 賀 禹 袁小鋒 宋登晶 楊仲卿 孟勝利

(1.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070； 2.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400044； 3.中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007)

1 概述

在民用建筑管道設(shè)計(jì)中，膨脹節(jié)憑借易變性的撓性結(jié)構(gòu)對(duì)于管道在操作工況下產(chǎn)生的變形、位移及管路震動(dòng)起到良好的補(bǔ)償作用[1,2]。由于膨脹節(jié)本身的薄壁多層結(jié)構(gòu)使得其往往成為管道設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于其進(jìn)行研究有相當(dāng)必要性[3,4]。

紀(jì)志遠(yuǎn)等[5]針對(duì)CALM式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中膨脹節(jié)內(nèi)壓推力對(duì)設(shè)備管口影響進(jìn)行了分析，對(duì)CALM系統(tǒng)應(yīng)用膨脹節(jié)提出了相關(guān)建議；馬麗新等[6]研究了非金屬膨脹節(jié)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及在聯(lián)合循環(huán)余熱爐中的應(yīng)用；何知國(guó)等[7]對(duì)高層建筑立管膨脹節(jié)設(shè)置與安裝進(jìn)行了研究，提出了相關(guān)建議；潘林斌[8]對(duì)城市熱力管網(wǎng)中應(yīng)用自由補(bǔ)償金屬波紋膨脹節(jié)進(jìn)行了相關(guān)研究，指出了設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題。

隨著民用高層建筑大量涌現(xiàn)，相應(yīng)的暖通管道問(wèn)題也逐步浮出水面[9]，而其低溫高壓的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)目前的常規(guī)膨脹節(jié)提出了挑戰(zhàn)。在這之中通用型膨脹節(jié)憑借簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的特性仍有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用可行性。由于目前國(guó)內(nèi)外基于CAESARⅡ?qū)ε蛎浌?jié)應(yīng)力與變形的研究較少，本文以CAESARⅡ軟件為平臺(tái)，針對(duì)膨脹節(jié)應(yīng)力與變形開(kāi)展研究，為民用高層建筑管道設(shè)計(jì)提供參考。

2 工況參數(shù)確定與管道建模

2.1 工況參數(shù)確定

管道基本參數(shù)如下：管道直徑(Diameter)219.1 mm，壁厚(Wt/Sch)8.18 mm;管道材質(zhì)選用CAESARⅡ材料庫(kù)中的A53 Grand B(對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)20號(hào)鋼)；腐蝕裕量(Corrosion)取1.7 mm；流動(dòng)介質(zhì)為水，故Fluid Den1一欄確定為0.001 kg/(cu·cm)。

在CAESARⅡ中，膨脹節(jié)可以采用expansion joint選項(xiàng)，借由輸入軸向、橫向、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度與長(zhǎng)度進(jìn)行模擬。本文中采用通用型膨脹節(jié)，故輸入有效內(nèi)徑以模擬盲板力的影響。膨脹節(jié)依照設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]選取C2.5AW200型通用型膨脹節(jié)，具體參數(shù)由表1所示。

表1 膨脹節(jié)具體參數(shù)

由于民用高層建筑低溫高壓的特點(diǎn)，因此本文管道操作溫度設(shè)定為40 ℃，安裝溫度默認(rèn)為21 ℃。膨脹節(jié)壓強(qiáng)等級(jí)為2.5 MPa，故依照行業(yè)通用壓力管道分級(jí)設(shè)定本文取0.25 MPa,0.6 MPa,1.0 MPa,1.6 MPa,2.5 MPa幾個(gè)壓強(qiáng)變量值。應(yīng)力校核準(zhǔn)則選取B31.3。

2.2 載荷工況確定

本文中存在操作溫度T1與操作壓力P1。為了排除其他因素的干擾，本文忽略附加位移D、集中載荷F、均布載荷U等其他載荷的影響，最終載荷工況確定如表2所示。

表2 管道載荷工況組合

2.3 管道模型建立

本文建立膨脹節(jié)組、對(duì)照組與熱漲對(duì)照組三條直管段。三條管道起始點(diǎn)-末位點(diǎn)編號(hào)分別為10-220,1010-1220,2010-2220。全局坐標(biāo)系以起始點(diǎn)指向末位點(diǎn)為X正向，高度方向?yàn)閅向，Z向由右手定則確定。管段10-220中，110-120單元為膨脹節(jié)建模；管段1010-1220與2010-2220中對(duì)應(yīng)位置單元1110-1120與2110-2120采用等長(zhǎng)度管道予以代替。管段10-220與1010-1220在起始點(diǎn)與末位點(diǎn)均設(shè)固定支撐以隔絕其他管道對(duì)模型的影響。對(duì)于管段2010-2220，僅在起始點(diǎn)2010設(shè)置固定支撐。除單元110-120，1110-1120，2110-2120采用膨脹節(jié)長(zhǎng)度外，其余所有單元長(zhǎng)度0.5 m，三條直管段均在相同位置添加剛性支吊架。

三條直管段中，10-220直管段模擬采用膨脹節(jié)下管段的應(yīng)力水平與位移情況；1010-1220直管段為未安裝膨脹節(jié)下管段的應(yīng)力水平與位移情況，與管段10-220形成對(duì)照；2010-2220直管段用以計(jì)算管道在操作工況下的自然位移情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 膨脹節(jié)變形分析

以管道壓強(qiáng)為橫坐標(biāo)，膨脹節(jié)端點(diǎn)變形量(壓縮為正，拉伸為負(fù))為縱坐標(biāo)，各壓強(qiáng)下膨脹節(jié)變形情況如圖1所示。當(dāng)壓強(qiáng)由0.25 MPa增加至2.5 MPa時(shí)，安裝態(tài)拉伸量由0.114 mm增加到1.148 mm；操作態(tài)壓縮量由1.972 mm下降至0.936 mm;而操作態(tài)變形量與安裝態(tài)變形量的代數(shù)差為2.086 mm，且不隨壓強(qiáng)變化。

圖1表明隨著管道壓強(qiáng)的上升，作用于膨脹節(jié)的盲板力相對(duì)于壓強(qiáng)呈線性增大，使得安裝態(tài)下膨脹節(jié)拉伸程度逐漸增大。由于操作態(tài)溫度恒定，因此由安裝態(tài)到操作態(tài)膨脹節(jié)所導(dǎo)致的膨脹節(jié)變形量是恒定的(誤差來(lái)源于有效位數(shù)選取)。但由于安裝態(tài)下膨脹節(jié)拉伸程度逐漸增大，膨脹節(jié)需要克服更多的拉伸量才會(huì)轉(zhuǎn)入壓縮狀態(tài)，故操作態(tài)壓縮量隨著壓強(qiáng)增大而逐漸減小。值得注意的是，由于操作工況溫度較低，壓強(qiáng)變化范圍內(nèi)總體變形量遠(yuǎn)低于膨脹節(jié)的許用變形量，膨脹節(jié)實(shí)際利用程度較低。

3.2 固定支撐受力情況分析

對(duì)于通用型膨脹節(jié)而言，內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力最終需要被固定支撐承受才能避免被拉脫失效。由于盲板力作用在管道軸線方向，最終體現(xiàn)在固定支撐的受力數(shù)值上(模型中為X向)。故以管道壓強(qiáng)為橫坐標(biāo)，固定支撐受到的X向應(yīng)力為縱坐標(biāo)，各壓強(qiáng)下安裝態(tài)與操作態(tài)固定支撐應(yīng)力情況如圖2所示。

當(dāng)壓強(qiáng)由0.25 MPa增加至2.5 MPa時(shí)，安裝態(tài)固定支撐受力由12 667 N線性增長(zhǎng)至126 672 N；操作態(tài)固定支撐受力由25 527 N線性增長(zhǎng)至139 532 N。由圖2可知，隨著管道壓強(qiáng)的不斷上升，安裝態(tài)與操作態(tài)固定支撐軸向應(yīng)力水平呈線性上升。操作態(tài)應(yīng)力水平大于安裝態(tài)應(yīng)力水平且二者差值不變。由于安裝態(tài)下固定支撐軸向應(yīng)力水平直接代表盲板力大小，圖2表明，操作態(tài)下固定支撐在承受盲板力的基礎(chǔ)上仍需要承受經(jīng)膨脹節(jié)吸收后的殘余膨脹應(yīng)力，而該殘余膨脹應(yīng)力在操作溫度恒定下是恒定的，不受管道壓強(qiáng)變化的影響。

以管道壓強(qiáng)為橫坐標(biāo)，操作態(tài)殘余膨脹應(yīng)力與操作態(tài)總體應(yīng)力水平之比為縱坐標(biāo)，各壓強(qiáng)下殘余熱應(yīng)力總體占比如圖3所示。隨著壓強(qiáng)的增大，殘余膨脹應(yīng)力占比呈雙曲線下降趨勢(shì)，由0.25 MPa時(shí)的50.38%下降至2.5 MPa時(shí)的9.22%。圖3表明，當(dāng)操作溫度恒定時(shí)，壓力升高會(huì)使得殘余膨脹應(yīng)力占比迅速下降，說(shuō)明高壓力下盲板力將會(huì)占據(jù)固定支撐受力的主體部分。

圖2與圖3表明，管道壓強(qiáng)的變化不會(huì)影響膨脹節(jié)的熱漲吸收能力，但由壓強(qiáng)增大導(dǎo)致的盲板力增大不僅會(huì)使得固定支撐承受的應(yīng)力水平大幅度增加，也會(huì)使得盲板力占據(jù)支撐受力的過(guò)多份額。這對(duì)支吊架選用是不利的，也偏離了使用膨脹節(jié)的初衷。

3.3 應(yīng)力削減水平分析

對(duì)于膨脹節(jié)一個(gè)很重要的考察點(diǎn)即為加裝膨脹節(jié)后對(duì)于未加裝狀態(tài)下管道應(yīng)力水平的削減程度。削減程度越大，膨脹節(jié)對(duì)管道系統(tǒng)的影響就越小。如果將加裝膨脹節(jié)后前后固定支撐軸向應(yīng)力差與加裝膨脹節(jié)前固定支撐軸向應(yīng)力之比稱(chēng)為應(yīng)力削減水平，那么以管道壓強(qiáng)為橫坐標(biāo)，應(yīng)力削減水平為縱坐標(biāo)，加裝膨脹節(jié)后的應(yīng)力削減效果如圖4所示。隨著壓強(qiáng)的增大，應(yīng)力削減水平由0.25 MPa下的89.52%降低至2.5 MPa下的42.73%。

圖4表明，隨著管道壓強(qiáng)的逐漸上升，膨脹節(jié)的應(yīng)力削減效果逐漸變差，不利于工程上實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)暖通管道內(nèi)工質(zhì)壓強(qiáng)對(duì)通用型膨脹節(jié)應(yīng)力的變化情況，研究了壓力變化時(shí)膨脹節(jié)變形量、固定支撐受力以及應(yīng)力削減水平的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)隨著壓強(qiáng)的逐漸上升,膨脹節(jié)安裝態(tài)拉伸量增大，相對(duì)應(yīng)的工作態(tài)壓縮量減小，膨脹節(jié)變形量受壓強(qiáng)變化較小。

2)隨著壓強(qiáng)的逐漸上升，固定支撐承受的盲板力逐漸上升，而殘余膨脹應(yīng)力不受壓強(qiáng)變化，使得固定支撐受力迅速增長(zhǎng)的同時(shí)殘余膨脹應(yīng)力占比迅速下降。

3)隨著壓強(qiáng)的逐漸上升，應(yīng)力削減水平逐漸下降。應(yīng)力削減水平由0.25 MPa下的89.52%降低至2.5 MPa下的42.73%。