CN110378043B - 一种金属软管长度的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属软管的长度设计方法，包括：获取金属软管的安装方式，和金属软管的基本参数；根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数建立金属软管的安装模型；获取金属软管安装好后的安装状态参数；根据金属软管的安装模型和金属软管安装好后的安装状态参数确定金属软管总长度。本发明所述金属软管的长度设计方法减少了金属软管的长度设计误差并保证了金属软管在各种工况下的安全，有效防止因金属软管破坏导致的设备冷水失水事故，同时对其他类似设计具有参考价值和指导意义，提高了电厂的可靠性、安全性和经济性。

Description

一种金属软管长度的设计方法
技术领域
本发明属于管道设计技术领域，具体涉及一种金属软管长度的设计方法。
背景技术
在核电站中，设备管道与管道之间、能动设备与管道之间，以及非能动设备/移动设备与管道之间，都需要利用金属软管将其连接起来，金属软管在轴向拉力或压力作用下可以伸长或缩短，具有绕曲的作用，能保证介质在管路系统中正常的工作。
在核电厂中使用的核级金属软管在设计时主要考虑的是，核级金属软管必须起到吸收往复运动、吸收热膨胀，以及吸收振动和管路安装偏差的作用，如果金属软管的布置长度不足就会导致一些核电站的输水系统的管道破裂失水，反之如果金属软管的长度超出实际运行时所需长度过多，则会浪费材料，提高设备成本，同时，金属软管需要占用更多的空间，过多弯曲的金属软管还会增加运行阻力，增加运行所需能量，提高运行成本，因此金属软管的长度设计至关重要。
现有的金属软管长度设计主要依赖于施工人员的主观经验，或者通过简单的计算推导得出预留的金属软管长度，如此得到的金属软管长度会存在一定的误差，无法满足在核电站复杂工况下精确计算金属软管长度的需求，同时存在因现场施工问题而导致的管道安装偏差后金属软管长度无法校验的问题，不能保证金属软管能有效抵御地震等各种工况的冲击。
发明内容
为了至少部分解决现有技术中存在的无法精确计算金属软管长度及有效校验金属软管长度的技术问题而完成了本发明。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种金属软管的长度设计方法，包括：
获取金属软管的安装方式，和金属软管的基本参数；
根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数建立金属软管的安装模型；
获取金属软管安装好后的安装状态参数；
根据金属软管的安装模型和金属软管安装好后的安装状态参数确定金属软管总长度。
进一步的，所述金属软管的安装方式包括：直线形、L形和U形安装方式；所述直线形安装方式包括：轴向位移安装、径向位移安装和轴对轴侧偏移安装。
进一步的，所述金属软管的L形和U形安装方式转化成直线形安装方式的方法为：通过增加相应的刚性弯头将L形和U形安装方式转化成直线形安装方式。
进一步的，所述金属软管的安装模型为：根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数所确定的金属软管实际运行方式的形状和状态。
进一步的，所述金属软管安装好后的安装状态参数包括：金属软管的位移、弯曲半径及刚性段长度。
进一步的，所述金属软管的位移的获取方式为：通过管道力学报告结果获取金属软管的位移。
进一步的，所述金属软管的弯曲半径的获取方式为：根据金属软管的通径结合GB/T14525-2010的规定获取金属软管的弯曲半径。
进一步的，所述金属软管的安装方式为轴向位移安装时，所述轴向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(1)计算得出：
Figure BDA0002140685330000021
在公式(1)中，L为金属软管总长度；S为金属软管安装好后的轴向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。
进一步的，所述金属软管的安装方式为径向位移安装时，所述径向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(2)计算得出：
Figure BDA0002140685330000031
在公式(2)中，L为金属软管总长度；Sx为金属软管安装好后的径向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。
进一步的，所述金属软管的安装方式为轴对轴侧偏移安装时，金属软管长度既包含轴向位移又包含径向位移；
所述轴对轴侧偏移安装的金属软管总长度L通过以下步骤获取：
创建一个辅助安装状态，其表示将实际安装状态下的金属软管长度等效成只包括径向位移的金属软管长度的状态；
根据实际安装状态下的金属软管的通径确定金属软管的最小弯曲半径R1，并预设辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径R2与R1的关系，再根据R1以及R2与R1的关系得出R2；
由以下公式(3)计算得出金属软管的计算长度L′：
Figure BDA0002140685330000032
再由以下公式(4)和(5)计算得出金属软管的轴向位移Sy：
Figure BDA0002140685330000041
Sy＝2×R2sin C-2×R1(sin A+sin B) (5)
如果Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果不相同，则重新设定R2与R1的关系，并再次求解Sy，直到得出Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果相同，或者直到得出的Sy为已知力学报告计算的轴向位移结果的1～1.05倍，则根据当前的R2计算得出的金属软管计算长度L′作为最佳的金属软管总长度L；
在公式(3)至(5)中，L为金属软管总长度；I为金属软管安装好后的径向位移；A为实际安装状态下的金属软管的回落段弯曲弧度；B为实际安装状态下的金属软管的拱起段弯曲弧度；C为辅助安装状态下的金属软管的弯曲弧度；H为金属软管中刚性段长度；R1为实际安装状态下金属软管的弯曲半径；R2为辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径；Sy为金属软管安装好后的轴向位移。
有益效果：
本发明所述的金属软管的长度设计方法，根据金属软管安装时的现场环境及管路安装偏差，确定金属软管的安装方式，并设计金属软管安装模型利用模型计算出所需金属软管的长度，从而减少了金属软管的长度设计误差并保证了金属软管在各种工况下的安全，有效防止因金属软管破坏导致的设备冷水失水事故，同时对其他类似设计具有参考价值和指导意义，提高了电厂的可靠性、安全性和经济性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的金属软管的长度设计方法的流程图；
图2为本发明实施例二提供的金属软管轴向位移安装模型简图；
图3为本发明实施例三提供的金属软管径向位移安装模型简图；
图4为本发明实施例四提供的包含辅助状态的金属软管轴对轴侧偏移安装模型简图；
图5为本发明实施例四提供的不包含辅助状态的金属软管轴对轴侧偏移安装模型简图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
金属软管主要由三部分组成，即波纹管、网套、接头(含接管)；波纹管是金属软管的主体，起可挠曲的作用，钢丝网套紧贴波纹管外部编织，起承压和保护的作用，接头起连接的作用，通过这三部分的不同组合，就形成的不同类型的金属软管，在管路系统中发挥着各自的作用。
波纹管是一种具有横向波纹的圆柱形的薄壁壳体，在轴向拉力或压力作用下可以伸长或缩短，波纹管的性能取决于波纹管自身的几何参数。
钢丝网套是由相互交叉的若干股金属丝按一定顺序以规定的角度编织而成，它安装在金属波纹管的外表面，起到分担金属软管在轴向径向上的静负荷，还在流体沿管道流动产生压力的条件下保证金属软管安全可靠地工作，同时还能保证软管波纹部分不直接受到相对摩擦、撞击等方面的机械损伤。
接头是将金属软管与其他管件、设备相连接的部件，它保证介质在管路系统中正常的工作，接头可以有多种形式，大体上可分为螺纹连接、法兰连接、快速接头连接及焊接式连接四大类。
金属软管在安装过程中除了需要避免机械损伤外，防止金属软管扭曲外，还特别需要注意在设计时计算好金属软管的长度，防止长度不足导致的软管破裂和长度过长时增加运行阻力，占用空间的问题。
实施例一
针对上述问题，如图1所示，本发明提供一种金属软管的长度设计方法，包括：
步骤S1：获取金属软管的安装方式，和金属软管的基本参数；
步骤S2：根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数建立金属软管的安装模型；
步骤S3：获取金属软管安装好后的安装状态参数；
步骤S4：根据金属软管的安装模型和金属软管安装好后的安装状态参数确定金属软管总长度。
金属软管弯曲时设计长度如果过短会产生过度弯曲，长度过长会占用空间并增加介质运行阻力，在金属软管设计时根据现场环境及工作要求预先确定好金属软管的安装方式，并确定金属软管的性能参数，其中金属软管的性能参数中最主要的是金属软管的通经，随后将金属软管的运行方式和弯曲状态建立成金属软管的安装模型，并得出金属软管的安装后的安装状态参数，根据数学模型得出金属软管长度的方程式，获得金属软管的最佳设计长度。
进一步的，所述金属软管的安装方式包括：直线形、L形和U形安装方式；所述直线形安装方式包括：轴向位移安装、径向位移安装和轴对轴侧偏移安装。
金属软管布置一般分为直线形、L形、U形，金属软管安装需避免金属软管与非软管固体物摩擦，例如应避免软管与墙壁、地面等其他物体的摩擦，并保证软管与非软管固体物的有效距离>100mm。
进一步的，所述金属软管的L形和U形安装方式转化成直线形安装方式的方法为：通过增加相应的刚性弯头将L形和U形安装方式转化成直线形安装方式。
由于核电工况复杂，L形和U形对管道提前弯曲安装，不利于金属软管寿命，应将金属软管保持在自由状态下直线安装,不应强行轴向拉伸或压缩，所以L形、U形安装都可以通过增加刚性弯头来转化成直线形安装。
进一步的，所述金属软管的安装模型为：根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数所确定的金属软管实际运行方式的形状和状态。
金属软管安装模型可以确定金属软管在安装后的形态和位置，方便确定金属软管的计算方程式，从而精确设计金属软管的长度。
进一步的，所述金属软管安装好后的安装状态参数包括：金属软管的位移、弯曲半径及刚性段长度。
进一步的，所述金属软管的位移的获取方式为：通过管道力学报告结果获取金属软管的位移。
金属软管的位移根据现场安装环境及金属软管性能，通过力学软件计算得出，所述力学计算软件为核电管道通用力学计算软件SYSPIPE。
进一步的，所述金属软管的弯曲半径的获取方式为：根据金属软管的通径结合GB/T14525-2010的规定获取金属软管的弯曲半径。
金属软管弯曲安装时，长度如果过短会产生过度弯曲，因此，金属软管的长度要长短合适，并且应大于最小弯曲半径安装，GB/T14525-2010中规定的金属软管的最小弯曲半径见表1。
表1金属软管的最小弯曲半径
Figure BDA0002140685330000071
Figure BDA0002140685330000081
如果表内未给出管道，可用内插法计算。
当金属软管一端相对另一端频繁进行大位移移动，其弯曲半径应不小于最小弯曲半径的2倍。
设计不允许出现布置金属软管小于最小弯曲半径，必要时安装刚性弯头或滚轮避免金属软管的过度弯曲。
金属软管的运动方向与金属软管轴线应在同一平面内，避免产生扭转应力，发生扭曲损坏。
在实际安装过长中，金属软管有位移需要补偿时布置设计方法包括如下实施例二至实施例四的情况：
实施例二
如图2所示，本实施例所述金属软管的安装方式为轴向位移安装，用于补偿少量的轴向位移，根据其安装方式和金属软管参数建立金属软管安装模型。
所述金属软管的安装方式为轴向位移安装时，所述轴向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(1)计算得出：
Figure BDA0002140685330000091
在公式(1)中，L为金属软管总长度；S为金属软管安装好后的轴向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。其中，金属软管的弯曲半径R根据安装情况进行取值，但其最小值应不小于GB/T14525-2010的规定。
在图2中其余参数为，El：金属软管的投影长度，并且所有金属软管的弯曲弧度θ的弯曲半径都为R。
根据图2可以得出：
Figure BDA0002140685330000092
进一步推导得到：
Figure BDA0002140685330000093
经分析，函数f(x)＝x-sinx在区间[0，π/2]为单调递增函数，可以用二分法求得方程的解，求出θ。
S来源于管道力学计算报告结果提供的轴向位移，力学计算软件为核电管道通用力学计算软件SYSPIPE；R可先按GB/T14525-2010的规定取最小值(前述表1)；最终加上已知刚性段长度H，从而可求出L。
例如：当轴向位移S＝100mm，金属软管通径为DN80时，最小弯曲半径R取480，可以解出：θ＝0.6841(角度39.2°)，加上已知刚性段长度280mm，圆整后可得，金属软管长度为1600mm；而当金属软管通径为DN100时，最小弯曲半径R取600，可以解出：θ＝0.6343(角度36.34°)，加上刚性段长度314mm，圆整后可得，金属软管长度为1850mm。
实施例三
如图3所示，本实施例所述金属软管的安装方式为径向位移安装，用于补偿少量的径向位移，根据其安装方式和金属软管参数建立金属软管安装模型。
所述金属软管的安装方式为径向位移安装时，所述径向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(2)计算得出：
Figure BDA0002140685330000101
在公式(2)中，L为金属软管总长度；Sx为金属软管安装好后的径向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。其中，金属软管的弯曲半径R根据安装情况进行取值，但其最小值应不小于GB/T14525-2010的规定。
通过计算得出L为金属软管总长度。
在图3中其余参数为，El：金属软管的投影长度；ΔL：由于变形引起的偏差值，并且所有金属软管的弯曲弧度θ的弯曲半径都为R。
根据图3可以得出：
Figure BDA0002140685330000102
经变形可得出：
Figure BDA0002140685330000111
Sx来源于管道力学计算报告结果提供的径向位移，力学计算软件为核电管道通用力学计算软件SYSPIPE；R可先按GB/T14525-2010的规定取最小值(前述表1)，由此求得θ；最终加上已知刚性段长度H，从而可求出L。
例如：当位移Sx＝50mm，软管通径为DN80时，最小弯曲半径R取480，刚性段长度280mm，可以解出：θ＝0.3241(18.57°)，L＝591.2mm，最终软管总长圆整为600mm。
实施例四
如图4所示，本实施例所述金属软管的安装方式为轴对轴侧偏移安装，既包含轴向位移又包含径向位移。
所述金属软管的安装方式为轴对轴侧偏移安装时，金属软管长度既包含轴向位移又包含径向位移；
所述轴对轴侧偏移安装的金属软管总长度L通过以下步骤获取：
创建一个辅助安装状态，其表示将实际安装状态下的金属软管长度等效成只包括径向位移的金属软管长度的状态；
根据实际安装状态下的金属软管的通径确定金属软管的最小弯曲半径R1，并预设辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径R2与R1的关系，再根据R1以及R2与R1的关系得出R2；
由以下公式(3)计算得出金属软管的计算长度L′：
Figure BDA0002140685330000112
再由以下公式(4)和(5)计算得出金属软管的轴向位移Sy：
Figure BDA0002140685330000121
Sy＝2×R2sin C-2×R1(sin A+sin B) (5)
如果Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果不相同，则重新设定R2与R1的关系，并再次求解Sy，直到得出Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果相同，或者直到得出的Sy为已知力学报告计算的轴向位移结果的1～1.05倍，则根据当前的R2计算得出的金属软管计算长度L′作为最佳的金属软管总长度L；
在公式(3)至(5)中，L为金属软管总长度；I为金属软管安装好后的径向位移；A为实际安装状态下的金属软管的回落段弯曲弧度；B为实际安装状态下的金属软管的拱起段弯曲弧度；C为辅助安装状态下的金属软管的弯曲弧度；H为金属软管中刚性段长度；R1为实际安装状态下金属软管的弯曲半径；R2为辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径；Sy为金属软管安装好后的轴向位移。
其中R1根据安装情况进行取值，其最小值应不小于GB/T14525-2010的规定；Sy需不小于已知力学报告计算的结果。
金属软管在轴对轴侧偏移安装时，实际安装状态如图5所示，既包括轴向位移又包含径向位移，ΔL为径向位移引起的变形量，直接通过图5无法求取金属软管长度，因此增加等效成只有径向位移时的辅助状态C，形成了图4所示模型。
图4中其余参数：其中，ΔL：由于径向位引起的金属软管偏差值，El1：实际状态金属软管的投影长度，El2：辅助安装状态金属软管的投影长度，并且金属软管所有相同的弯曲弧度对应的弯曲半径都相同。
角度C为辅助的径向位移安装的状态，角度A+B为轴对轴侧偏移安装的实际状态，角度C的状态是用于帮助推导计算的辅助状态，通过对R2的不同的取值计算出Sy，得出计算结果最接近力学报告计算结果的Sy时，确定R2的值。
在图4中，角度C为径向位移安装的状态，根据图4可以得出：
Figure BDA0002140685330000131
对方程组(6)变形后有：
Figure BDA0002140685330000132
角度A+B为轴对轴侧偏移安装的实际状态，有：
Figure BDA0002140685330000133
可知R2一定大于R1，R1根据金属软管通径取为最小弯曲半径；为了求解方便，预设R2为5倍R1，再根据安装时的径向位移I，通过解方程组(6)可求解角C及ΔL；进一步求出L′。
再求解方程组(7)，方程组(7)变形后有：
Figure BDA0002140685330000141
对cosA-cosB和差化积后，有：
Figure BDA0002140685330000142
变形得出：
Figure BDA0002140685330000143
同时由公式(6)和公式(7)可得出：
Sy＝2×R2sin C-2×R1(sin A+sin B) (5)
R1取最小弯曲半径；求出A、B后，继而求出Sy；而得到的Sy大于已知力学报告计算的结果，认为该软管长度可行，但不是最佳的软管长度，当Sy等于已知力学报告计算的结果时，表示此时求得的软管长度为最佳长度，将求取的结果再进行圆整取值。
计算实例：
当已知安装时的径向位移I＝50mm时，DN80的软管R1取最小弯曲半径480mm，R2取480x5＝2400mm，可以解方程组1，解出金属软管长度975.8mm，ΔL为2.41mm；
解方程组3得角A为0.2889(角度16.55°)，角B为0.436(角度24.98°)，且求出Sy为14.56mm，跟力学报告比对，大于报告中Sy值(10mm)；固取R2为2400mm时满足状态，但软管长度不是最佳长度，可以减少R2的值，再重新设定R2循环求解，直到得出Sy＝10mm；R2取1900mm时，Sy＝10mm，再对此时算出软管长度899.8mm进行圆整，取软管长度为900mm。
当然，对于求取的Sy处于力学报告结果的轴向位移的1-1.05倍时，也可以认为此时求取的金属软管长度是满足要求的。
该方法还可用于现场施工偏差导致管道安装偏差后校验软管长度，判断是否该软管可用。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种金属软管的长度设计方法，其特征在于，包括：
获取金属软管的安装方式，和金属软管的基本参数；
根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数建立金属软管的安装模型；
获取金属软管安装好后的安装状态参数；
根据金属软管的安装模型和金属软管安装好后的安装状态参数确定金属软管总长度；
其中，所述金属软管的安装方式包括：直线形；所述直线形安装方式包括：轴对轴侧偏移安装；所述金属软管安装好后的安装状态参数包括：金属软管的位移、弯曲半径及刚性段长度；
所述金属软管的安装方式为轴对轴侧偏移安装时，金属软管长度既包含轴向位移又包含径向位移；
所述轴对轴侧偏移安装的金属软管总长度L通过以下步骤获取：
创建一个辅助安装状态，其表示将实际安装状态下的金属软管长度等效成只包括径向位移的金属软管长度的状态；
根据实际安装状态下的金属软管的通径确定金属软管的最小弯曲半径R1，并预设辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径R2与R1的关系，再根据R1以及R2与R1的关系得出R2；
由以下公式(3)计算得出金属软管的计算长度L′：
Figure FDA0003790025340000011
再由以下公式(4)和(5)计算得出金属软管的轴向位移Sy：
Figure FDA0003790025340000021
Sy＝2×R2 sinC-2×R1(sinA+sinB) (5)
如果Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果不相同，则重新设定R2与R1的关系，并再次求解Sy，直到得出Sy与已知力学报告计算的轴向位移结果相同，或者直到得出的Sy为已知力学报告计算的轴向位移结果的1～1.05倍，则根据当前的R2计算得出的金属软管计算长度L′作为最佳的金属软管总长度L；
在公式(3)至(5)中，L为金属软管总长度；I为金属软管安装好后的径向位移；A为实际安装状态下的金属软管的回落段弯曲弧度；B为实际安装状态下的金属软管的拱起段弯曲弧度；C为辅助安装状态下的金属软管的弯曲弧度；H为金属软管中刚性段长度；R1为实际安装状态下金属软管的弯曲半径；R2为辅助安装状态下的金属软管的弯曲半径；Sy为金属软管安装好后的轴向位移。
2.根据权利要求1所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的安装方式还包括：L形和U形安装方式；所述直线形安装方式还包括：轴向位移安装和径向位移安装。
3.根据权利要求2所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的L形和U形安装方式转化成直线形安装方式的方法为：通过增加相应的刚性弯头将L形和U形安装方式转化成直线形安装方式。
4.根据权利要求1所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的安装模型为：根据金属软管的安装方式和金属软管的基本参数所确定的金属软管实际运行方式的形状和状态。
5.根据权利要求1所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的位移的获取方式为：通过管道力学报告结果获取金属软管的位移。
6.根据权利要求1所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的弯曲半径的获取方式为：根据金属软管的通径结合GB/T14525-2010的规定获取金属软管的弯曲半径。
7.根据权利要求2所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的安装方式为轴向位移安装时，所述轴向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(1)计算得出：
Figure FDA0003790025340000031
在公式(1)中，L为金属软管总长度；S为金属软管安装好后的轴向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。
8.根据权利要求2所述的金属软管的长度设计方法，其特征在于，所述金属软管的安装方式为径向位移安装时，所述径向位移安装的金属软管总长度L通过以下公式(2)计算得出：
Figure FDA0003790025340000032
在公式(2)中，L为金属软管总长度；Sx为金属软管安装好后的径向位移；θ为金属软管的弯曲弧度；R为金属软管的弯曲半径；H为金属软管中刚性段长度。
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