CN102563257A - 管道系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道系统，包括：主管；第一管构件，连接至设备管口，并经由第一波纹管连接至主管的输入端；第二管构件，具有连接至主管的侧部的一端；第三管构件，经由第二波纹管连接至第二管构件的另一端；第一系杆支撑构件，固定至第一和第三管构件；互连第一和第二系杆支撑构件的系杆；和固定器，设置用以将所述主管的靠近第一波纹管的部分设置为固定点。第一和第二系杆支撑构件之间的长度被确定为使得通过设备管口、第一管构件以及主管的位于固定器下面的管构件的热膨胀第一波纹管收缩，并且通过第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的所有管构件的热膨胀，第二波纹管收缩与第一波纹管收缩相等的量。

Description

管道系统

本申请基于并要求2010年10月26日递交的日本专利申请No.2010-239920的优先权权益，通过引用将该日本专利申请的公开内容结合于此。

技术领域

本发明涉及连接至石油化工厂或发电厂中的设备的管道系统。该设备是回转式机械，如从管道配置施加的负荷允许值小的流化催化裂化器(FCC)的膨胀机或高温反应器等。

背景技术

由于FCC的膨胀机具有精确的旋转机构，必须防止向这种类型的设备施加任何多余的力或力矩。因此，在连接到安装在这种设备中的设备管口的金属管道系统中，采取措施来降低管口上的负荷。

传统上所采用的这种措施中的一种是安装在管道系统中安装的数个被系紧的伸缩接头(expansion joint)，以在设备运行期间吸收由设备管口的热位移和管道的热膨胀引起的位移。作为伸缩接头，包括波纹管的波纹管型伸缩接头(参见日本工业标准(Japanese Industrial Standard)(JIS)B 2352)是普遍熟知的。JIS B 2352的表1示出了几种类型的波纹管型伸缩接头。采用它们中的最简单的没有被系紧的波纹管型伸缩接头将管道彼此连接使得能够吸收管道在任意平面中的轴向位移、垂直于轴向的位移和角位移，不包括扭曲。结果，通过将由管道的弯曲引起的大的作用力转换成由波纹管的弯曲引起的小的作用力，可以降低管口上的负荷。

然而，在这种类型的接头中，在使管道彼此分开的方向上由波纹管中的内部压力产生的作用力(以下，称为内部压力推力)施加至设备管口。这使得在管孔或内部压力变大时难以应用简单未被系紧的波纹管型伸缩接头。在这种情况中，使用被系紧的波纹管型伸缩接头，其包括限制波纹管的轴向伸缩部将内部压力推力传递至波纹管的外部的机构。公知类型的被系紧波纹管型伸缩接头包括通过在经由波纹管连接的管端处采用铰链仅吸收一个平面中的角位移的铰链型伸缩接头、不仅吸收一个平面中的角位移而且吸收任意平面中的角位移的万向节型伸缩接头、以及吸收任意平面中的垂直于轴向的位移的万向伸缩接头(参见JP10-141565A)。

在管道系统由于每个管道构件的热膨胀而垂直地移动的情形中，需要一种用于在随着垂直运动的情况下支撑管道重量的专用管道支撑装置。为此目的，通过采用诸如可变弹簧吊架或恒定弹簧吊架之类的弹簧吊架支撑以抬升状态安装管道系统，所述可变弹簧吊架或恒定弹簧吊架具有通过所述运动减小负荷变化的机构。

作为采用波纹管型伸缩接头在不将内部压力推力传递至波纹管型伸缩接头的外部的情况下吸收轴向位移的方法，使用压力平衡型的波纹管型伸缩接头，其还包括用于消除内部压力推力的波纹管和设置为允许在保持平衡的状态下进行轴向位移的系杆或拉杆(tie rod)(参见JP10-141565A的图8或美国专利No.4265472的附图)。

如上所述，在包括数个被系紧的波纹管型伸缩接头的常规管道系统中，可以降低施加在设备管口的负荷。然而，由于近来向较大容量发展的趋势，这种负荷降低措施变得不足。

当管孔随着设备变大而增大时，在波纹管处施加的内部压力推力变大，并且波纹管本身的弹簧常量增加。管道变得更长，因此将被吸收的位移增大。在诸如铰链或万向节之类的滑动部分处的摩擦力增加，由此引起设备管口上的负荷增加。弹簧吊架支撑在滑动部分和弹簧本身处也有摩擦，并且在运动期间产生反作用力。该作用力称为初始运动的负荷，并且它变为支撑负荷的约5％。因此，设备管口上的弹簧吊架支撑中的该作用力的影响不再是可忽略的。例如，在具有φ3500毫米的直径和135毫米的厚度的不锈钢管道的情形中，管道重量为11吨每米。当通过设备管口上的弹簧吊架支撑支撑14米的管道时，总管道重量为150吨，并且初始运动的负荷达到约7.5吨。结果，该负荷变得占优势，超过设备管口负荷的允许值。

为了防止施加包括管道系统的内部压力推力、弹性反作用力和摩擦力的多种负荷，以及设备管口上的吊架支撑的操作阻力，已经在概念上考虑了一种方法，其用于在设备管口和管道构件之间安装压力平衡型的波纹管型伸缩接头，并尽可能近地靠近管道构件的波纹管设置固定点(固定器)以固定管道系统。这种固定器通过刚性地支撑管道而防止任何管道负荷、摩擦力和反作用力从固定器的另一侧传递至设备管口侧。然而，在常规技术中，由于下述原因，该方法存在困难。

在这种情况下，由波纹管的位移引起的内部压力推力和弹性反作用力被施加至设备管口。通过采用上述压力平衡型的波纹管型伸缩接头，可以吸收内部压力推力。然而，当靠近波纹管固定管道构件时，设备管口处的所有的轴向热膨胀必须通过波纹管的压缩位移吸收。当采用压力平衡型的波纹管型伸缩接头时，管孔被加大以增加单个波纹管的弹簧常量，并且附加的压力平衡型波纹管的影响进一步增大弹簧常量。结果，弹性反作用力增大，设备管口上的负荷超过允许值，由此使得在常规技术的范围内将固定器设置在靠近波纹管的管道构件中是不实际的。因此，存在急迫的需求，即以实现一种方法，其通过用新颖的技术改善压力平衡型伸缩接头系统而将固定器设置在靠近波纹管的管道构件。也就是说，平衡由设备管口处的位移引起的主波纹管的弹性反作用力与伸缩接头系统中的管道件处的热位移引起的平衡波纹管的弹性反作用力。

发明内容

考虑到背景技术中的问题研发了本发明，并且本发明的目标是提供一种管道系统，其能够可靠地降低施加至设备管口的负荷，但是管孔由于近来的趋势而被扩大以增加设备增产量。

根据本发明的一个方面，一种管道系统，包括：波纹管型伸缩接头，连接至设备的设备管口；主管；第一管构件，连接至从所述设备延伸的所述设备管口，并经由第一波纹管连接至主管的一端；第二管构件，具有连接至主管的侧部的一端；第三管构件，经由第二波纹管连接至第二管构件的另一端；第一系杆支撑构件(法兰)，固定至第一管构件的外圆周；第二系杆支撑构件(法兰)，固定至第三管构件的外圆周；多个系杆，保持第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间固定的距离；和固定器，设置用以将所述主管的靠近第一波纹管的部分设置为固定点。

在该情况中，第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的管构件的长度被确定为使得第一波纹管由于设备管口、第一管构件以及主管的相对于固定器更靠近设备管口的管构件处的热位移带来收缩，并且通过第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的所有管构件的热膨胀，第二波纹管收缩使得其被与第一波纹管相等地移位(收缩量)。

这种构造采用压力平衡型的波纹管型伸缩接头的结构。因此，可以由第一波纹管和第二波纹管平衡由内部压力产生的内部压力推力。调整位于第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的每个管道构件的长度，并且将两个波纹管总是设置为由于设备管口和所有管道构件的热膨胀的收缩位移都相等。结果，消除了波纹管的弹性反作用力。

因此，根据本发明，在连接了多个比设备管口重且由于内部流体的温度而热膨胀的管的管道系统中，可以降低该设备上的负荷。与其中使用常规铰链型伸缩接头、万向节型伸缩接头和万向伸缩接头的常规设计方法相比，可以更显著地降低从管道系统施加至设备管口的摩擦力或操作阻力，因为固定器组设置为靠近管口。而且，通过利用由该管道系统中的管道构件的热膨胀引起的波纹管的位移，消除了波纹管的弹性反作用力，并且因此与采用常规压力平衡型伸缩接头的情况相比，可以更加明显地降低设备管口上的负荷。

根据接下来参照图示本发明的实施例的附图的描述，本发明的上述和其它目标、特征和优点将变得明显。

附图说明

图1为概括地示出根据本发明的示例性实施方式的管道系统的侧视图；

图2为示出根据本发明的另一个示例性实施方式的管道系统的侧视图；以及

图3为示出根据本发明的又一个示例性实施方式的管道系统的侧视图。

[附图标记说明]

1  弯管(权利要求书中描述的主管)

2  输入端

3  排出端

4  波纹管(权利要求书中描述的第一波纹管)

5  直管(权利要求书中描述的第一管道构件)

6  设备管口

7  直管(权利要求书中描述的第二管道构件)

8  压力平衡型波纹管(权利要求书中描述的第二波纹管)

9  直管(权利要求书中描述的第三管道构件)

10，11 系杆支撑法兰(权利要求书中描述的系杆支撑构件)

12，12A，12B 系杆

13 固定器(固定点)

14 设备

15 设备固定点

21 直管(权利要求书中描述的主管)

22 链接型系板(权利要求书中描述的链接装置)

23 支撑板

24 导管(权利要求书中描述的第二管道构件)

25 凸轮板

具体实施方式

根据本发明的管道系统采用应用压力平衡方法的波纹管型伸缩接头。图1为概括地示出根据示例性实施方式的管道系统的侧视图。如图所示，管道系统的下端连接至设备管口，如回转式机械，并且该管道系统是设计为降低设备管口上的外部作用力(管自重、管的热膨胀、波纹管的弹性反作用力、内部压力推力、其它位置的负荷、摩擦力或操作阻力)的设备。

图1示出了沿水平方向延伸的管连接到设备管口中的实施例。参照图1，弯管(弯管)1具有输入端2和排出端3。弯管1的排出端3连接至沿水平方向延伸的管。弯管1的输入端2经由波纹管4连接至直管5。直管5连接至设备管口6。在弯管1的弧形部表面上，直管7被焊接为与弯管1的直管部串联。直管7与弯管1的内部连通。直管7和弯管1的直径相等。为了将直管7的温度设置为等于弯管1的温度，优选地，连通部的开口形成为大的，使得具有某个温度的内部流体可以充分地流入直管7。因此，弯管1的弯头可以用三通管代替。直管9经由直径等于波纹管4的直径的波纹管8连接至直管7与弯管1相对的一端。直管5和9分别包括系杆支撑法兰10和11。这两个系杆支撑法兰10和11由以等间距设置并且长度相等的多个系杆12互连。在该示例性实施方式中，所述法兰作为系杆支撑构件的例子。然而，系杆支撑构件不限于所述法兰。可以采用其它支撑单元。

弯管1的靠近波纹管4的直管部连接至固定器13。该连接部(即，固定点)不被任何外力移动。固定器13由板材制成，并焊接至弯管1。固定器13的连接部固定至型钢结构，型钢结构直接固定至安装设备14的混凝土基础。设备14被固定为不被任何外力移动。设备的固定点15和管道系统的固定器13(固定点)分别是设备管口和管道系统的热膨胀基点。然而，这些基点不必在图1中示出的设备管口6的中心线上，只要它们位于垂直于设备14的安装表面的直线上。

如上所述，波纹管4设置在设备管口6和连接至设备管口6的弯管1之间，并将弯管1的在制造时尽可能靠近波纹管4的部分通过采用固定器13设置为固定点。因此，防止管道系统的外力直接施加在设备上，同时尽可能多地减少波纹管4的收缩(即，弹性反作用力)。考虑到热影响，或者考虑到对制造或安装的其它限制，从例如离波纹管4和弯管1的连接端(焊接线)的比管厚度大4至5倍的距离可以合适地确定在制造时尽可能靠近波纹管4的部分。

在该管道系统，由于通过弯管1(管内部压力)的流体压力，轴向内部压力推力被施加在波纹管4的两端上。在每个管道构件热膨胀时由波纹管4和波纹管8的位移产生的弹性反作用力施加至设备管口6。然而，当内部压力推力施加至波纹管4时，内部压力推力也施加至波纹管8。波纹管4的向下的内部压力推力传递至直管5，同时波纹管8的向上的内部压力推力传递至直管9。然而，这两个内部压力推力彼此抵消，因为直管5和9通过系杆12互连。因此，波纹管的内部压力推力不施加至设备管口6。

为了容易连接，假设不考虑由系杆支撑法兰10的上端和系杆支撑法兰11的下端之间的热膨胀引起的位移。随后，波纹管4相对于设备管口6的热运动收缩，同时波纹管8膨胀相同的量，因此，波纹管的由这种位移产生的弹性反作用力沿相同方向被施加至设备管口6。

本发明采用下述设计方法以通过消除波纹管4和8的由所述位移引起的弹性反作用力而防止施加负荷至设备管口6。

首先，检查从设备管口6到固定器13的热膨胀。关于设备管口6上方的构件、直管5和弯管部1位于弯管1的固定器13下方的部分的热膨胀，波纹管4收缩并吸收所有构件的热膨胀，因为固定器13是固定的。接下来，检查系杆支撑法兰10和11之间的热膨胀。由于设备管口6的热膨胀，系杆支撑法兰10和11之间的构件作为整体向上移动同时长度维持。由于通过系杆12保持在这些部分之间，波纹管4和波纹管8收缩并吸收弯管1、直管7、离开直管5的系杆支撑法兰10靠近弯管1的构件、以及离开直管9的系杆支撑法兰11靠近直管7的构件的热膨胀。

基于弯管1中存在的固定器13确定波纹管4的收缩量。通过保持系杆支撑法兰10和11之间的收缩量确定波纹管8的收缩量。系杆法兰10和11之间的距离LT0足够长，使得通过系杆法兰之间发生的热膨胀比设备管口6处的位移大，波纹管8的位移也沿收缩方向。而且，如果通过严格的热膨胀、收缩量的计算充分地调整距离LT0，则波纹管4和波纹管8的弹性反作用力引起的收缩量可以相同，因此波纹管4和波纹管8的弹性反作用力可以相等。结果，虽然设备管口6移位，但没有波纹管的弹性反作用力施加至设备管口6。

图1示出了在计算公式中使用的参数，其添加至根据该示例性实施方式的管道系统的结构。设计参数的概述如下：

D1：由设备管口的温度变化引起的位移量[毫米](从设备管口6看的系杆支撑法兰10为正)

L1：从直管5与设备管口6的连接端至系杆支撑法兰10与设备管口6相对的一端的部分的长度[毫米]

LT0：系杆12在系杆支撑法兰10的与设备管口6相对的一端和系杆支撑法兰11的与设备管口6相对的一端之间的长度[毫米]

LT1：从直管5的与系杆支撑法兰10的设备管口6相对的一端到直管5与波纹管4的连接端的长度[毫米]

LB1：波纹管4的轴向长度[毫米]

ΔLB1：波纹管4的轴向位移量[毫米](收缩方向为正)

LT2：弯管1的从弯管1与波纹管4的连接端至固定点(固定器13)的部分的长度[毫米]

LT3：从固定点(固定器13)到波纹管8与直管7的连接端的管部的长度[毫米]

LB2：波纹管8的轴向长度[毫米]

ΔLB2：波纹管8的轴向位移量[毫米](收缩方向为正)

LT4：直管9的从直管9与波纹管8的连接端至系杆支撑法兰11的位于设备管口6侧的一端的部分的长度[毫米]

α(t)：当常温变为至温度t℃时管道构件的热膨胀系数[-]

k(B1，t)：波纹管4在温度t℃处的弹簧常量[N/mm]

k(B2，t)：波纹管8在温度t℃处的弹簧常量[N/mm]

用于设计管道系统的计算公式如下。

在图1中，计算从设备的固定点(固定器15)到固定点(固定器13)的热膨胀。通过将由从设备管口至固定器13的固定点的管部的热膨胀加至设备管口6的从设备的固定点(固定器15)的热膨胀(即，设备管口6的位移量(D1))，计算波纹管4的位移量(收缩)ΔLB1。因此，确定下述公式：

ΔLB1＝D1+α(t)(L1+LT1+LT2)                        ...公式1

在公式1中，假设在该管道系统中，温度分布是均匀的且材料相似，通过在相同温度处的热膨胀系数α(t)计算由各个管部的热膨胀引起的位移。然而，当温度和材料在不同的管部之间彼此不同时，必须为每个管壁改变热膨胀系数，以进行计算。

在图1中，当假设系杆的温度不变时，系杆12在系杆支撑法兰10的与设备管口6相对的一端和系杆支撑法兰11的在设备管口6侧的一端之间的长度LT0变为固定，而不管其它管部的温度变化。因此由其间的所有管部的热膨胀引起的位移的和等于波纹管4和波纹管8的位移(收缩量)的和。因此，确定下述公式2：

α(t)(LT1+LT2+LT3+LT4)＝ΔLB1+ΔLB2               ...公式2

假设波纹管4和波纹管8的弹簧常量由于温度分布条件而相等，则当两个波纹管的位移相等时，这两个波纹管的弹性反作用力可能相等。当波纹管4和波纹管8的收缩位移总是等于由设备管口6和所有的管部的热膨胀引起的位移时，波纹管的弹性反作用力总是彼此抵消，因此防止波纹管的弹性反作用力施加在设备管口6上。因此，在公式2中，当波纹管4和8的位移相等时，ΔLB2可以用ΔLB1代替。因此，可以确定下述公式3：

2·ΔLB1＝α(t)(LT1+LT2+LT3+LT4)                  ...公式3

如上所述，系杆支撑法兰10的上端和系杆支撑法兰11的下端之间的距离LT0比常规的压力平衡型波纹管型伸缩接头中的长。这是因为在公式2中，左侧的热膨胀的总位移量设置为大，并且如在ΔLB1的情况中一样，ΔLB2的值为正(即，收缩)。为了使该间距的长度与该公式相匹配，适合调整图1中的LT3的尺寸。

当从公式1和3中删除ΔLB1以导出用于计算LT3的公式时，确定下述公式4：

LT3＝2·D1/α(t)+2·L1+LT1+LT2-LT4                 ...公式4

在根据图1中示出的示例性实施方式的管道系统中，假设由公式4计算的LT3的尺寸使得能够吸收设备管口6的位移D1(仅沿垂直方向)的运动，该位移D1是由于温度变化引起的设备管口6的热膨胀引起的，并且在这种情况中能够消除波纹管4和8的弹性反作用力。根据该示例性实施方式的管道系统具有压力平衡型的波纹管型伸缩接头的结构，因此也可以消除由内部压力产生的内部压力推力。结果，可以尽可能多地抑制从管道系统施加在设备管口上的外力。

计算示例如下：

D1＝50[毫米]

L1＝500[毫米]

LT1＝LT2＝LT4＝500[毫米]

LB1＝LNB2＝1000[毫米]

α(t)＝0.01392[-](当管材为不锈钢304H，且温度从约20℃改变至约750℃时)

LT3＝2·50/0.01392+2·500+500+500-500＝8684[毫米]

LT0＝500+1000+500+8684+1000+500＝12184[毫米]

ΔLB1＝ΔLB2＝50+0.01392·(500+500+500)＝71[毫米]

在根据该示例性实施方式的管道系统中，将弯管用作主管。然而，可以采用三通管代替。

基于各个管部的热膨胀系数都等于α(t)的假设导出公式1、2、3和4。能够处理热膨胀系数由于多个管部之间的温度和材料的不同而不同的情况的更通用的公式1a、2a、3a、4a和5如下。在这些公式中，在每个管部处，例如，在图5中示出的直管5的尺寸L1处的热膨胀系数为α_(L1，t)。

ΔLB1＝D1+α_(L1，t)·L1+α_(LT1，t)·LT1+α_(LT2，t)·LT2   公式1a

α_(LT1，t)·LT1+α_(LT2，t)·LT2+α_(LT3，t)·LT3+α_(LT4，t)·LT4＝ΔLB1+ΔLB2    公式2a

当波纹管的温度和材料彼此不同时，不能建立当波纹管的位移相等时波纹管的弹性反作用力相等的理论。因此，必须考虑波纹管在各个温度处的弹簧常量和由波纹管本身的热膨胀引起的弹性反作用力的增加。为此原因，当波纹管4和波纹管8的弹性反作用力彼此相等时的条件可以由下述公式5表示：

k_(B1，t)·(ΔLB1+α_(LB1，t)·LB1)＝k_(B2，t)·(ΔLB2+α_(LB2，t)·LB2)-F    公式5

在公式5中，调节作用力F设置为使得从设备管口看系杆支撑法兰10的方向(在图1中向上)为正。当波纹管4和波纹管8的弹性反作用力被平衡为完全相等时，调节作用力F为零。当平衡被打破时，通过考虑吊架的摩擦力或阻力来平衡弹性反作用力，使用它的值。

当从公式2a和公式5中删除ΔLB2时，获得下述公式3a：

(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·ΔLB1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LB1，t)·LB1-α_(LB2，t)·LB2+1/k_{(B2， t)}·F＝α_(LT1，t)·LT1+α_(LT2，t)·LT2+α_(LT3，t)·LT3+α_(LT4，t)·LT4   公式3a

当从公式3a和公式1a中删除ΔLB1并且将LT3保留在左侧时，得出下述公式4a：

LT3＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·(D1/α_(LT3，t)+α_(L1，t)/α_(LT3，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT3， t)}·LT1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT3，t)·LT2-α_(LT4，t)/α_(LT3，t)·LT4+1/k_(B2，t)/α_(LT3，t)·F+k_(B1，t)/k_{(B2， t)}·α_(LB1，t)/α_(LT3，t)·LB1-α_(LB2，t)/α_(LT3，t)·LB2   ...公式4a

(其它实施方式)

图1中的管道系统构造为使得主管波纹管4和压力平衡型波纹管8位于垂直直线上，并且该管从设备管口6开始延伸，并在弯管1处弯曲，以沿水平方向弯曲。然而，该管可以沿垂直方向直线延伸而不弯曲。图2和3示出了构造为沿垂直方向配置为直的管道系统。在图2和3中，功能上与图1中示出的部件相似的部件由相似的附图标记表示。

参照图2，沿垂直方向(图2中示出的垂直方向)设置的直管21具有输入端2和排出端3。直管21的排出端3连接至沿垂直方向延伸的管。直管21的输入端2经由波纹管4(主管波纹管)连接至直管5。直管5连接至设备管口6。在直管21的上表面上，直管7被焊接成以沿垂直于直管21的延伸方向的方向延伸。直管7与直管21的内部连通。直管9经由直径等于波纹管4的波纹管8(压力平衡型波纹管)连接至直管7的与直管21相对的一端。直管5和9分别包括系杆支撑法兰10和11。以相等间距设置的多个系杆12A连接至系杆支撑法兰10，并且以相等间距设置的多个系杆12B连接至系杆支撑法兰11。系杆12A和系杆12B沿彼此正交的方向延伸，并连接至装配在连接至设置在直管21中的系板22的轴中的凸轮板25。因此，即使波纹管4(主管波纹管)和波纹管8(压力平衡型波纹管)不沿直线，其内部压力推力也可以被平衡。热膨胀的直管21和不热膨胀的系杆12A之间的尺寸差异可以通过旋转凸轮板25传递至系杆支撑法兰11。然而，系板22固定至直管21，并且足够坚固，以接受改变由内部压力产生的内部压力推力的方向的作用力。为了维持应用公式2、3和4，系板22被绝缘，以抑制直管21的温度带来的热膨胀，并且LT02的长度必须保持不变。

直管21的靠近波纹管4的直管部连接至固定器13。该连接部设置为不被任何外力移动的位置(固定点)。如在图1中示出的示例一样，通过直接固定至安装设备14的混凝土基础的型钢结构固定固定器13。

因此，在管道系统中，如在图1中示出的示例中，通过调整管部的尺寸可以消除波纹管的弹性反作用力。

在图2中示出的示例中，公式4中的尺寸LT3对应于LT31+LT32：LT31为从固定点(固定器13)到系板22的旋转轴线(凸轮板25的中心)的管部的长度[毫米]，LT32为从系板22的旋转轴线25中的靠近第二波纹管8的一个旋转轴线(图2中示出的左侧凸轮板25的中心)到第二波纹管和第二管构件7的连接端的长度[毫米]。换句话说，通过恰当地除以公式4的右侧(2·D1/α_(t)+2·L1+LT1+LT2-LT4)的计算结果，可以确定尺寸LT31和尺寸LT32。通过采用确定的尺寸LT31和LT32构建图2中示出的管道系统，相对于由于温度变化引起的设备管口6的热膨胀引起的位移(仅沿垂直方向)，可以消除设备管口6的运动，并且此时可以消除波纹管4的弹性反作用力。该管道系统也具有压力平衡型的波纹管型伸缩接头的结构，并且因此可以消除由内部压力产生的内部压力推力。结果，可以尽可能多地减小从管道系统施加在设备管口上的外力。

当管道系统中的温度分布均匀时，波纹管4和波纹管8的弹簧常量彼此相等，由下述公式6计算LT31的尺寸：

LT31＝2·D1/α_(t)+2·L1+LT1+LT2-LT4-LT32        公式6

当管部的温度或材料不相等但热膨胀系数不同时，由下述公式7计算LT31的尺寸(通过用α_(LT31，t)·LT31+α_(LT32，t)·LT32)替换公式2a中的α_(LT31，t)·LT31进行计算)：

LT31＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·(D1/α_(LT31，t)+α_(L1，t)/α_(LT31，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT31， t)}·LT1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT31，t)·LT2-α_(LT4，t)/α_(LT31，t)·LT4+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LB1，t)/α_{(LT31， t)}·LB1-α_(LB2，t)/α_(LT31，t)·LB2+1/k_(B2，t)/α_(LT31，t)·F-α_(LT32，t)/α_(LT31，t)·LT3    公式7

管沿垂直方向直线延伸的另一个示例是包括多个图3中示出的压力平衡型波纹管的管道系统。

滑轮和链条可以用来代替凸轮板25以及系杆12A和12B。所有的系杆可以由链条代替，或部分系杆可以由链条代替。

参照图3，在直管21的上表面上，支撑板23焊接成以沿垂直于直管21的延伸方向的方向延伸。两个管7固定在支撑板23的上表面上，并平行设置，将直管21夹在中间。每个直管7经由每个导管24与直管7的内部连通。

直管9经由波纹管8(压力平衡型波纹管)连接至每个管7的与支撑板23相对的一端，波纹管8的横截面积(即相等的内部压力反作用力)和波纹管弹性反作用力在直管21两侧的两个位置之和等于波纹管4。为了更好地理解为更具体地描述，单个波纹管8的横截面积比波纹管4的横截面积大1/2倍，因此其直径大1/√2倍(有效波纹管直径：波纹管的底部和顶端之间的中间直径)。当波纹管横截面形状类似时，弹簧常量与该直径成比例，约为1√2倍。因此，通过将波纹管的底部至顶端高度调整为较大，并且将弹簧常量设置为比波纹管4的弹簧常量大1/2倍，在两个位置处可以由波纹管8与波纹管4保持平衡。直管5和9分别包括系杆支撑法兰10和11。这两个系杆支撑法兰10和11由以相等间距布置并且长度相等的多个系杆12互连。直管21的靠近波纹管4的直管部连接至固定器13。该连接部设置为不被任何外力移动的位置(固定点)。如在图1中示出的示例一样，由直接固定至安装设备14的混凝土基础的型钢结构固定固定器13。

因此，在该管道系统中，通过采用公式6和7，通过调整管部的尺寸，可以消除波纹管的弹性反作用力。在该管道系统中，没有类似于图2中示出的链接型凸轮板，因此可以更大地降低摩擦力和阻力。

然而，在图3中，通过孔比直管21相对小的导管24建立直管7和9的连通，并且该结构在管7和9的外面闭合。因此，内部流体的流动在此停止。通过管构件从直管21传导的热量的流动结构比图1和2中示出的小，因此难以在直管7和9与直管21之间维持相等的温度。这需要使用与直管21的热膨胀系数不同的热膨胀系数的值α(t)。例如，当直管7和9与波纹管8的温度未增加时，不引起热膨胀，公式7中α_(LT32，t)、α_(LB2，t)和α_(LT4，t)变为零。相应地该公式被简化，并且由下述公式8计算LT31的尺寸：

LT31＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·(D1/α_(LT31，t)+α_(L1，t)/α_(LT31，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT31， t)}·LT1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT31，t)·LT2+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LB1，t)/α_(LT31，t)·LB1+1/k_(B2，t)/α_{(LT31， t)}·F                       ...公式8

当直管5和21的温度、材料和热膨胀系数相等时，α_(L1，t)、α_(LT1，t)、α_(LT2，t)和α_(LT31，t)相同。因此，通过代表性地使用α_(L1，t)，由下述公式9计算LT31的尺寸：

LT31＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·(D1/α_(L1，t)+L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·(LT1+LT2)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_{(LB1， t)}/α_(L1，t)·LB1+1/k_(B2，t)·/α_(L1，t)·F          ...公式9

虽然图1-3未示出任何吊架支撑，例如在图1中，位于波纹管4下方的直管5和系杆支撑法兰10、位于压力平衡型波纹管8上方的直管9和系杆支撑法兰11以及系杆12的重量必须由弹簧支撑(或在由运动引起的负荷波动方面较少的常数弹簧吊架)。管道系统在用于水平管时必须在管的中心高度处被支撑。在这种情况中，必须尽可能大地降低摩擦力和操作阻力。为简单起见，未示出这种管支撑。

这种常数弹簧吊架的安装需要检查常数弹簧吊架的初始负荷。然而，根据本发明，波纹管4上的管构件由固定器13固定为不移动。因此，没有限制由用于降低设备管口6上负荷的常数弹簧吊架抬升的负荷至系杆12和由系杆连接的管构件。作为弯管1和直管12的主管和连接至主管的管的负荷由固定器13支撑。因此，与在常规类型的管道系统中常数弹簧吊架抬升几乎整个管道系统的情况相比，可以更加大地降低负荷，并且可以极大地降低常数弹簧吊架的初始负荷。结果，即使管的较大的孔伴随着管负荷的增加，也可以比常规管道系统中更大地降低设备管口上的负荷。

已经参照附图描述了本发明的示例性实施方式。然而，本发明决不仅限于如图所示的接入设备管口6中的垂直地(沿垂直方向)延伸的管道系统。可以沿设备管口的延伸方向应用本发明的管道系统。

虽然已经采用特定术语描述了本发明的优选实施方式，但这种描述仅仅是说明性的，并且应当理解，在不偏离接下来的权利要求的精神或范围的条件下可以进行改变和变化。

Claims (9)

1.一种管道系统，包括：

波纹管型伸缩接头，连接至设备的设备管口；

主管；

第一管构件，连接至从所述设备延伸的所述设备管口，并经由第一波纹管连接至主管的一端；

第二管构件，具有连接至所述主管的侧部的一端；

第三管构件，经由第二波纹管连接至第二管构件的另一端；

第一系杆支撑构件(法兰)，固定至第一管构件的外圆周；

第二系杆支撑构件(法兰)，固定至第三管构件的外圆周；

系杆，保持第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的固定的距离；和

固定器，设置用于将所述主管的靠近第一波纹管的部分设置为固定点，

其中第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的管构件的长度被确定为使得通过设备管口的热膨胀、第一管构件的热膨胀以及主管的、设备管口比固定器更靠近的管构件的热膨胀第一波纹管收缩，并且通过第一系杆支撑构件和第二系杆支撑构件之间的所有管构件的热膨胀，第二波纹管收缩以便与第一波纹管相等地移位(收缩量)。

2.根据权利要求1所述的管道系统，其中满足下述公式：

LT3＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·(D1/α_(LT3，t)+α_(L1，t)/α_(LT3，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT3， t)}·LT1+k_(B，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT3，t)·LT2-α_(LT4，t)/α_(LT3，t)·LT4+1/k_(B2，t)/α_(LT3，t)·F+k_(B1，t)/k_{(B2， t)}·α_(LB1，t)/α_(LT3，t)·LB1-α_(LB2，t)/α_(LT3，t)·LB2，

D1：由设备管口的温度变化引起的位移量[毫米]；

L1：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的长度[毫米]；

α_(L1，t)：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT1：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的长度[毫米]；

α_(LT1，t)：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT2：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的长度[毫米]；

α_(LT2，t)：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT3：从固定器到第二波纹管的管部的长度[毫米]；

α_(LT3，t)：从固定器到第二波纹管的管部的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT4：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端到第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的长度[毫米]；

α_(LT4，t)：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端到第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

k_(B1，t)：第一波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

k_(B2，t)：第二波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

F[N]：用于抬升管道系统的调节作用力；

3.根据权利要求1或2所述的管道系统，其中主管为弯管或三通管。

4.根据权利要求1所述的管道系统，其中主管包括直管。

5.根据权利要求4所述的管道系统，

其中第二管构件连接至主管的与固定器的设备管口侧相对的侧面，并且沿相对于主管的延伸方向具有预定角度的方向延伸，

并且通过采用系板和凸轮板或平板形凸轮将系杆布置为具有所述角度。

6.根据权利要求5所述的管道系统，其中满足下述公式：

LT31＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·(D1/α(_LT31，t)+α_(L1，t)/α_(LT31，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT31， t)}·LT1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT31，t)·LT2+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LB1，t)/α_(LT31，t)·LB1+1/k_(B2，t)/α_{(LT31， t)}·F，

D1：由设备管口的温度变化引起的位移量[毫米]；

L1：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的长度[毫米]；

α_(L1，t)：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT1：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的长度[毫米]；

α_(LT1，t)：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT2：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的长度[毫米]；

α_(LT2，t)：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT31：从固定器到设置在系板中的旋转轴线的部分的长度[毫米]，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

α_(LT31，t)：从固定器到设置在系板中的旋转轴线的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

LT32：从设置在系板中且更靠近第二波纹管的旋转轴线至第二波纹管与第二管构件的连接端的部分的长度[毫米]，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

α_(LT32，t)：从设置在系板中且更靠近第二波纹管的旋转轴线至第二波纹管与第二管构件的连接端的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

LT4：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端至第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的长度[毫米]；

α_(LT4，t)：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端至第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

k_(B1，t)：第一波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

k_(B2，t)：第二波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

F[N]：用于抬升管道系统的调节作用力。

7.根据权利要求5或6所述的管道系统，其中使用滑轮和链条代替凸轮板或平板形凸轮和部分或所有系杆。

8.根据权利要求4所述的管道系统，还包括固定至主管的侧面并沿垂直于主管的延伸方向的方向延伸的支撑板，

其中第二管构件的所述一端连接至支撑板的与设备管口侧相对的一侧，至少两个所述第二管构件彼此平行地布置在主管中，并且第二波纹管的有效直径处的面积总和等于第一波纹管的有效直径处的面积。

9.根据权利要求8所述的管道系统，其中满足下述公式：LT31＝(1+k_(B1，t)/k_(B2，t))·(D1/α(_LT31，t)+α_(L1，t)/α_(LT31，t)·L1)+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT1，t)/α_{(LT31， t)}·LT 1+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LT2，t)/α_(LT31，t)·LT2-α_(LT4，t)/α_(LT31，t)·LT4+k_(B1，t)/k_(B2，t)·α_(LB1，t)/α_{(LT31， t)}·LB1-α_(LB2，t)/α_(LT31，t)·LB2+1/k_(B2，t)/α_(LT31，t)·F-α_(LT32，t)/α_(LT31，t)·LT32，

D1：由设备管口的温度变化引起的位移量[毫米]；

L1：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的长度[毫米]；

α_(L1，t)：第一管构件的从与设备管口的连接端到第一系杆支撑构件的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT1：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的长度[毫米]；

α_(LT1，t)：第一管构件的从第一系杆支撑构件的与设备管口侧相对的一端到第一波纹管的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT2：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的长度[毫米]；

α_(LT2，t)：主管的从主管与第一波纹管的连接端到固定器的管部的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

LT31：从固定器到用于将第二管构件固定至主管的支撑构件的部分的长度[毫米]，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

α_(LT31，t)：从固定器到用于将第二管构件固定至主管的支撑构件的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

LT32：从用于将第二管构件固定至主管的支撑构件到第二波纹管的部分的长度[毫米]，所述部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

α_(LT32，t)：从用于将第二管构件固定至主管的支撑构件到第二波纹管的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数，该部分包括在从固定器到第二波纹管的管部中；

LT4：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端到第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的长度[毫米]；

α_(LT4，t)：第三管构件的从第三管构件与第二波纹管的连接端到第二系杆支撑构件位于设备管口侧的一端的部分的从常温改变至某个温度时的热膨胀系数；

k_(B1，t)：第一波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

k_(B2，t)：第二波纹管在某个温度的弹簧常量[N/mm]；

F[N]：用于抬升管道系统的调节作用力。

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