CN109723925A - 一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，包括法兰、垫环、金属保护波纹管和弧形挠性接管；弧形挠性接管由外胶层、骨架层和内胶层一体成型，弧形挠性接管的中部向四周鼓起为弯曲部，其两端翻折为翻边部，两端翻边部的内侧与法兰的外端面连接，两端法兰的内端面之间设有垫环和金属保护波纹管，金属保护波纹管套设在弯曲部的外侧，金属保护波纹管的两端分别与垫环连接，垫环与对应侧的法兰连接。通过结构型式创新，充分发挥金属材料和橡胶材料各自的优点，以及两者结合特性，使新型管道补偿装置具有大位移补偿量、耐高温、平衡性能好、低刚度和耐腐蚀的特点，提高补偿装置的效能和使用范围。

Description

一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置

技术领域

本发明属于城镇供热领域，具体说的是一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置。

背景技术

随着城镇供热技术的不断发展，一方面管系要求的补偿位移不断增大，另一方面，对于受力要求苛刻的管线，通常需要一个刚度较低，又能平衡管道压力推力的补偿装置。传统金属直管压力平衡型补偿器，可实现平衡安装使用，但是该型膨胀节重量较重，会对管线产生附加力，刚度大，同时外形尺寸大，安装空间要求苛刻。相比之下，非金属挠性接管补偿装置具有结构紧凑、刚度低及绝热效果好等优点。但是目前非金属挠性接管的耐高温、耐高压强度低，受日照、温度的影响极易老化，不适合在热网上使用。同时，以往挠性接管设计往往忽略了平衡性能的考虑，当工作压力改变时可能使挠性接管自身或对管系产生过大的附加力或附加位移，从而影响系统的正常工作甚至导致严重的事故。

因此对于供热管网管路来说，迫切需要一种结构紧凑，位移补偿能力强，平衡性好、耐高温且耐蚀性优良的补偿装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，通过结构型式创新，充分发挥金属材料和橡胶材料各自的优点，以及两者结合特性，使新型管道补偿装置具有大位移补偿量、耐高温、平衡性能好、低刚度和耐腐蚀的特点，提高补偿装置的效能和使用范围。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，包括法兰、垫环、金属保护波纹管和弧形挠性接管；弧形挠性接管由外胶层、骨架层和内胶层一体成型，弧形挠性接管的中部向四周鼓起为弯曲部，其两端翻折为翻边部，两端翻边部的内侧与法兰的外端面连接，两端法兰的内端面之间设有垫环和金属保护波纹管，金属保护波纹管套设在弯曲部的外侧，金属保护波纹管的两端分别与垫环连接，垫环与对应侧的法兰连接。

进一步，所述的骨架层为防火纤维缠绕在可充压变形的管体上而成。

进一步，防火纤维缠绕层数为一层时，该层无交叉缠绕角度相同，防火纤维缠绕层数大于一层时，单层间无交叉缠绕角度相同，相临层间交叉缠绕方向相垂直。

进一步，防火纤维缠绕而成的层与层之间铺设有薄橡胶片。

进一步，所述的外胶层和内胶层为橡胶层。

进一步，所述的外胶层和内胶层采用的材料为耐候胶。

本发明的有益效果是：

一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，具有结构紧凑，大位移补偿性能，耐高温、耐高压、低刚度、耐腐蚀的性能特点，同时能够平衡管道压力推力，满足平衡性要求，安装方便，密封性能耗。采用金属保护波纹管和弧形挠性接管套接的结构，使装置结构紧凑，充分发挥金属材料和橡胶材料各自的优点，大大降低了新型补偿装置的外形尺寸，节省安装空间。

弧形挠性接管为弧形结构，弧形挠性接管中部为弯曲部，具有一定的曲挠特性，可以调节长度和弯曲变形，以消除刚性管道的安装累计误差及应力，具有良好的减震、抗冲击、大位移补偿性能。弧形挠性接管由外胶层、骨架层、内胶层硫化一体成型。外胶层及内胶层为耐候胶，具有良好的耐高温性能和力学性能，使得本发明可满足在供热管网高温环境条件下使用要求。

弧形挠性接管骨架层采用防火纤维，。骨架层与外胶层、内胶层相结合使弧形挠性接管的补偿性能得到大大提高、重量较轻，并具有超高强度、高弹性模量、耐腐蚀、重量轻等特点。

在每层防火纤维缠绕层上铺设一层薄橡胶片，起到粘合和缓冲作用，大大降低弧形挠性接管刚度。实现挠性接管管体的耐高压、耐疲劳性，保证挠性接管具有优良的力学性能和可靠性能和低刚度性能。

骨架层采用螺旋缠绕形式，给弧形挠性接管提供补偿位移的能力，且相邻两层之间交叉缠绕，当防火纤维严格按照力学平衡角缠绕时，弧形挠性接管的耐压强度最高，在工作压力下，轴向位移为零，避免给所连接的管路或设备带来附加的力和位移，满足平衡性要求。同时，在管系热胀冷缩或受外力需要变形时，挠性接管能够提供相应的补偿能力。

本发明在弧形挠性接管外设置金属保护波纹管，兼具位移补偿功能的同时，可以保护弧形挠性接管外胶层，避免日照老化，提高该新型补偿装置的耐腐蚀性能，更适合热网工况下使用。

法兰为活法兰结构，密封面为刚性密封，不易老化，可实现多次安装拆卸、安装精度要求低，可靠性高，选用适当的密封件可以有效保证连接密封性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、法兰，2、垫环，3、金属保护波纹管，4、外胶层，5、骨架层，6、内胶层，01、弯曲部，02、翻边部。

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。

如图1所示，一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，包括法兰1、垫环2、金属保护波纹管3和弧形挠性接管；弧形挠性接管由外胶层4、骨架层5和内胶层6一体成型，弧形挠性接管的中部向四周鼓起为弯曲部01，其两端翻折为翻边部02，翻边部连接的接管为直段，翻边部为向外翻折，两端翻边部02的内侧与法兰1的外端面连接，翻边部02与法兰1相贴，通过活法兰加紧连接，也可将法兰焊接在翻边部。

两端法兰1的内端面之间设有垫环2和金属保护波纹管3，金属保护波纹管3套设在弯曲部01的外侧，金属保护波纹管3的轴线与弧形挠性接管的轴线重合，金属保护波纹管3的两端分别与垫环2连接，该连接可采用其它连接件进行连接，为减小尺寸可采用焊接，垫环2与对应侧的法兰1连接，该连接可采用其它连接件进行连接，为减小尺寸可采用焊接。金属保护波纹管，具有位移补偿功能，同时，可以保护弧形挠性接管外胶层，避免日照老化，提高该新型补偿装置的耐腐蚀性能。

骨架层5为防火纤维缠绕在可充压变形的管体上而成。骨架层5先经防火纤维缠绕在管体成为直管，再经充压变形为中部弯曲的结构。即此种结构下，内腔层位于管体的内壁上，外腔层位于纺火纤维的外表面上。

防火纤维可采用凯夫拉纤维帘线，利用凯夫拉纤维帘线的弹性模量与基体橡胶弹性模量的比值约为1×10⁵，在变形不大的情况下，可以忽略橡胶的影响，内压主要由纤维帘线承载。凯夫拉纤维帘线具有超高强度、耐高温、耐酸、耐碱和抗老化等性能特点，通过硫化工艺，实现凯夫拉纤维帘线与内、外胶层的良好结合。防火纤维在缠绕时，线与线相贴缠绕，缠绕无间隙。

防火纤维缠绕层数为一层时，该层无交叉缠绕角度相同，防火纤维缠绕层数大于一层时，单层间无交叉缠绕角度相同，相临层间交叉缠绕方向相垂直，防火纤维缠绕层的缠绕角度在弧形挠性接管成型后与管体在工作压力作用下的周向应力与轴向应力的合力方向重合。

防火纤维缠绕而成的层与层之间铺设有薄橡胶片。该薄橡胶片起到粘合和缓冲各层的作用，大大降低弧形挠性接管刚度。当防火纤维缠绕层为一层时，薄橡胶片不再铺设。

外胶层4和内胶层6为橡胶层，橡胶材质制备时充分考虑供热管网环境要求，耐高温性能，耐介质要求以及抗老化、抗疲劳等技术条件，已达到良好的环境适应性和良好的力学性能。例如，可采用耐候胶。

弧形挠性接管材料的成型工艺设计：

所述弧形体挠性接管的成形分为两个步骤: 第一，采用硬芯法，将骨架层5凯夫拉纤维帘线按照一定的缠绕角φs，采用层间交叉、各层单向无交叉的方式缠绕一根相同管径的直管，包外外胶层4及内胶层6，并在两端安装法兰1，进行预硫化； 第二，上成形工装，将直管两端封闭，向内部充气加压膨胀，同时两端向中间挤压，进行硫化定型，从而形成弧形体挠性接管。

弧形挠性接管骨架材料设计：

骨架层5采用凯夫拉纤维帘线螺旋缠绕形式，给弧形挠性接管提供补偿位移的能力，且相邻两层之间交叉缠绕，给挠性接管提供平衡能力，通过缠绕角度的设计和工艺参数的控制，可以实现本补偿装置的平衡性能和补偿位移能力的统一。在每层凯夫拉纤维帘线层铺设一层薄橡胶片，起到粘合和缓冲作用，大大降低弧形挠性接管刚度。

弧形挠性接管骨架层5帘线缠绕角的空间分布是决定管体自身变形的重要因素。通过理论分析，建立管体骨架结构的数学模型，并对其进行力学分析。推导出可实现弧形管体平衡性的骨架层5平衡缠绕角φs的理论轨迹方程：

式中：R_N为公称半径，r 为母线弧半径，L为挠性接管长度，α为母线曲率中心至管体轴线距离，Φs即为方程中得出的φ值。

根据上述公式确定骨架层5的平衡缠绕角φs，使管体在工作压力作用下，其周向应力与轴向应力的合力方向与骨架材料凯夫拉纤维帘线的成形后的缠绕角度重合。当弧形管无轴向伸缩时，中间段管体半径变小，管体伸长，靠近两端的管体半径变大，管体缩短，管体伸长量与缩短量正好相互抵消，从而使得弧形管在工作压力下保持两端法兰无轴向位移，实现平衡性要求。

Claims (6)

1.一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：包括法兰（1）、垫环（2）、金属保护波纹管（3）和弧形挠性接管；弧形挠性接管由外胶层（4）、骨架层（5）和内胶层（6）一体成型，弧形挠性接管的中部向四周鼓起为弯曲部（01），其两端翻折为翻边部（02），两端翻边部（02）的内侧与法兰（1）的外端面连接，两端法兰（1）的内端面之间设有垫环（2）和金属保护波纹管（3），金属保护波纹管（3）套设在弯曲部（01）的外侧，金属保护波纹管（3）的两端分别与垫环（2）连接，垫环（2）与对应侧的法兰（1）连接。

2.如权利要求1所述的一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：所述的骨架层（5）为防火纤维缠绕在可充压变形的管体上而成。

3.如权利要求2所述的一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：防火纤维缠绕层数为一层时，该层无交叉缠绕角度相同，防火纤维缠绕层数大于一层时，单层间无交叉缠绕角度相同，相临层间交叉缠绕方向相垂直。

4.如权利要求2所述的一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：防火纤维缠绕而成的每一层上铺设有薄橡胶片。

5.如权利要求1所述的一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：所述的外胶层（4）和内胶层（6）为橡胶层。

6.如权利要求5所述的一种供热管网用的低刚度平衡型管道补偿装置，其特征在于：所述的外胶层（4）和内胶层（6）采用的材料为耐候胶。