CN107940154A - 一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节以及平衡方法 - Google Patents

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张道伟
杨玉强
谢晓峰
李世乾
李�杰
闫廷来
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L51/00—Expansion-compensation arrangements for pipe-lines
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Abstract

一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节以及平衡方法，为全新的平衡膨胀节压力推力的思路，本发明通过设置外部液压系统，利用外部液压油缸产生的压力推力来平衡波纹管产生压力推力，并能够抵消波纹管的轴向位移反力。由于液压油缸系统独立于管道工作介质，因此其压力可以根据需要进行调节，并且不受高温、腐蚀等工作介质特性的影响。

Description

一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节以及平衡方法
技术领域
本发明属于波纹管膨胀节应用领域，具体说的是一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节以及平衡方法。
背景技术
现有内压直管压力平衡型膨胀节的结构形式如图1所示。膨胀节由两组工作波纹管和一组平衡波纹管组成，平衡波纹管位于膨胀节的中间，工作波纹管位于平衡波纹管的两侧并对称分布，工作波纹管和平衡波纹管均承受介质内压作用，并且压力相同。平衡波纹管的有效面积为工作波纹管有效面积的2倍（其平均直径为工作波纹管的1.41倍），膨胀节依靠平衡波纹管产生的压力推力平衡工作波纹管的压力推力，实现压力平衡的效果，膨胀节对两端设备或管道支架不产生压力推力，但仍然产生位移反力。
现有外压直管压力平衡型膨胀节的结构形式如图1所示。膨胀节由两组工作波纹管和一组平衡波纹管组成，平衡波纹管位于工作波纹管外部，工作波纹管和平衡波纹管均承受介质外压作用，并且压力相同。平衡波纹管的有效面积为工作波纹管有效面积的2倍（其平均直径为工作波纹管的1.41倍），膨胀节依靠平衡波纹管产生的压力推力平衡工作波纹管的压力推力，实现压力平衡的效果，膨胀节对两端设备或管道支架不产生压力推力，但仍然产生位移反力。
目前的直管压力平衡型膨胀节，不论其具体结构如何，都是通过增加平衡波纹管，利用工作介质压力在平衡波纹管中产生的推力来平衡工作波纹管的压力推力。由于膨胀节由两组工作波纹管和一组平衡波纹管组成，因此，其结构长度很大，在安装长度受限制的场合无法应用。另一方面，为了达到平衡压力推力的效果，平衡波纹管的平均直径必须为工作波纹管的1.41倍，即平衡波纹管的外径比工作波纹管大40%多，再加上外部受力结构件的尺寸，膨胀节的最大外径通常能够达到管道直径的2倍左右，因此，在径向安装空间受限制的场合也无法应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种全新的平衡膨胀节压力推力的思路，本发明通过设置外部液压系统，利用外部液压油缸产生的压力推力来平衡波纹管产生压力推力，并能够抵消波纹管的轴向位移反力。由于液压油缸系统独立于管道工作介质，因此其压力可以根据需要进行调节，并且不受高温、腐蚀等工作介质特性的影响。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节，设有设置在膨胀节外部的外载荷平衡装置，所述的外载荷平衡装置包括多块端板、至少一个液压油缸、液压控制系统和多根拉杆，以两块端板为一组，处于一条直线上的两块端板分别焊接在进口管和出口管上，拉杆的两端分别固定在两块端板上，在拉杆上连接有用于推动拉杆的液压油缸，液压油缸再与液压控制系统连接。
本发明所述的膨胀节为外压直管平衡型膨胀节或内压直管平衡型膨胀节。
本发明所述的拉杆穿过端板通过螺母与端板连接，在螺母与端板之间的拉杆上套设有球面垫圈和锥面垫圈。
一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节的平衡方法，液压油缸对进口管和出口管产生推力，液压控制系统实时监测膨胀节管道实际压力推力和轴向位移量大小，并实时调整液压油缸的推力，使所有液压油缸产生的总推力与膨胀节产生的压力推力及轴向位移反力之和大小相等、方向相反。
本发明有益效果是：本发明改变了以往利用平衡波纹管和管道介质压力提供平衡推力的设计思路，提出了一种全新的平衡膨胀节压力推力的思路，利用外部液压油缸的推力，不但可以平衡波纹管压力推力，而且还可以抵消波纹管位移反力，可以同时补偿轴向位移和横向位移，同时大大减少了直管平衡膨胀节的安装长度和所需的径向安装尺寸。以DN1600，压力0.6MPa、温度200℃，补偿量180mm的膨胀节为例，采用现有内压直管压力平衡型结构，膨胀节的安装长度为2300mm，最大外径为2700mm，最大位移反力约400kN。采用本发明专利，安装长度可以减少到1000mm以内，最大外径可以减少到2000mm以下，在实现膨胀节平衡压力推力，补偿轴向位移的同时，还消除了位移反力，同时大大降低了膨胀节所需的安装空间。
附图说明
图1为现有外压直管压力平衡型膨胀节示意图；
图2为现有内压直管压力平衡型膨胀节示意图；
图3为本发明外压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；
图4为本发明内压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；
图5为本发明端板的结构示意图；
图中：1、进口管，2、平衡波外环板一，3、平衡波纹管，4、工作波外管组件，5、工作波纹管一，6、平衡波内环板，7、平衡波外管，8、工作波纹管二，9、平衡波外环板，10、出口管，11、端板，12、外管，13、限位板组件，14、波纹管，15、液压油缸，16、拉杆，17、端环组件，18、球面垫圈，19、锥面垫圈，20、螺母，21、液压控制系统，22、工作波纹管三，23、拉杆A，24、平衡波纹管二，25、端板一，26、导流筒，27、端板二。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明，但是，本发明并不局限于这些实施例。
一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节，设有设置在膨胀节外部的外载荷平衡装置，所述的外载荷平衡装置包括多块端板11、至少一个液压油缸15、液压控制系统21和多根拉杆16，以两块端板11为一组，处于一条直线上的两块端板分别焊接在进口管1和出口管10上，拉杆16的两端分别固定在两块端板11上，在拉杆16上连接有用于推动拉杆16的液压油缸15，液压油缸15再与液压控制系统21连接。液压控制系统能够根据管道实际压力推力和轴向位移量大小实时调整油缸压力，使膨胀节在管道压力变化时以及在补偿位移过程中始终能够平衡波纹管压力推力，并抵消波纹管轴向位移对设备或管道支架产生的位移反力。
本发明采用的技术方案是：
（1）在波纹管两侧的端管上分别设置一件端板，液压油缸有若干组，位于波纹管外侧。油缸两侧设置拉杆，油缸的有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔。油缸两侧的拉杆通过球面、锥面垫圈及螺母与膨胀节的端板连接，拉杆把油缸产生的推力传递到端板上，所有油缸产生的总推力与波纹管产生的压力推力及位移反力之和大小相等、方向相反。
（2）液压油缸压力的大小由液压控制系统根据管道介质压力的大小和轴向位移量的大小而调节，调节原则是保证所有油缸产生的总推力与波纹管产生的压力推力及位移反力之和大小相等、方向相反，从而实现平衡压力推力、消除位移反力的功能。
（3）液压油缸的数量、大小和最高液压力根据管道直径和压力大小确定。由于液压油缸的压力可以远远高于管道压力，因此，在油缸直径很小的情况下也能达到压力平衡的效果。
拉杆16穿过端板11通过螺母20与端板11连接，在螺母20与端板11之间的拉杆16上套设有球面垫圈18和锥面垫圈19，拉杆16通过球面垫圈18、锥面垫圈19、螺母20与端板11连接，液压油缸产生的压力推力通过拉杆16、螺母20、球面垫圈18和锥面垫圈19传递到端板11上，与波纹管传递过来的压力推力及位移反力平衡。
液压油缸15的压力大小由当液压控制系统21根据管道系统的压力和轴向位移的大小进行自动控制与调节。当膨胀节补偿轴向压缩和拉伸位移时，液压油缸15的活塞及活塞杆随之移动；当膨胀节补偿横向位移时，由于拉杆16与端板11之间设置有球面垫圈18和锥面垫圈19，球面垫圈与锥面垫圈是配合使用的，它们之间可以相对转动与滑动，因此能够补偿横向位移，是膨胀节上一种常用的结构组合件。因此拉杆16可以相对端板12发生转动，从而不影响膨胀节补偿横向补偿。
本发明所述的波纹管14可以是无加强型的，也可以是加强型的；波纹管04可以是一组波纹管，也可以是多组波纹管；波纹管3可以是内压型结构，也可以是外压型结构，这些改变均不影响本发明的应用效果。
实施例1
当膨胀节为外压直管平衡型膨胀节，如图3所示，膨胀节由进口管、出口管、端板、外管、波纹管、限位板阻件、端环组件组成，端管、外管、波纹管、端环组件与限位板组件围成受压区域，在出口管处加入与端板高度相同的另一端板，两块端板上对应开设通孔，长度大于两端板之间的拉杆的两端通过螺母穿过通孔进行固定，在拉杆中间设有用于推动拉杆的液压油缸，液压油缸的有杆腔连接一段拉杆，无杆腔连接另一端，使液压油缸的推力方向与拉杆的轴线重合，压油缸对进口管和出口管产生推力，液压控制系统实时监测膨胀节管道实际压力推力和轴向位移量大小，并实时调整液压油缸的推力，使所有液压油缸产生的总推力与膨胀节产生的压力推力及轴向位移反力之和大小相等、方向相反。
实施例2
当膨胀节为内压直管平衡型膨胀节，如图4所示，膨胀节由进口管、出口管、端板、拉杆、波纹管，两块端板上对应开设通孔，长度大于两端板之间的拉杆的两端通过螺母穿过通孔进行固定，在拉杆中间加设用于推动拉杆的液压油缸，液压油缸的有杆腔连接一段拉杆，无杆腔连接另一端，使液压油缸的推力方向与拉杆的轴线重合，压油缸对进口管和出口管产生推力，液压控制系统实时监测膨胀节管道实际压力推力和轴向位移量大小，并实时调整液压油缸的推力，使所有液压油缸产生的总推力与膨胀节产生的压力推力及轴向位移反力之和大小相等、方向相反。

Claims (4)

1.一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节，其特征在于：设有设置在膨胀节外部的外载荷平衡装置，所述的外载荷平衡装置包括多块端板（11）、至少一个液压油缸（15）、液压控制系统（21）和多根拉杆（16），以两块端板（11）为一组，处于一条直线上的两块端板分别焊接在进口管（1）和出口管（10）上，拉杆（16）的两端分别固定在两块端板（11）上，在拉杆（16）上连接有用于推动拉杆（16）的液压油缸（15），液压油缸（15）再与液压控制系统（21）连接。
2.如权利要求1所述的一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节，其特征在于：所述的膨胀节为外压直管平衡型膨胀节或内压直管平衡型膨胀节。
3.如权利要求1所述的一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节，其特征在于：所述的拉杆（16）穿过端板（11）通过螺母（20）与端板（11）连接，在螺母（20）与端板（11）之间的拉杆（16）上套设有球面垫圈（18）和锥面垫圈（19）。
4.如权利要求1所述的一种依靠外载荷平衡的直管平衡型膨胀节的平衡方法，其特征在于：液压油缸对进口管和出口管产生推力，液压控制系统实时监测膨胀节管道实际压力推力和轴向位移量大小，并实时调整液压油缸的推力，使所有液压油缸产生的总推力与膨胀节产生的压力推力及轴向位移反力之和大小相等、方向相反。
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