CN1995794A - 万向力平衡式波纹补偿器及制备方法 - Google Patents

Abstract

万向力平衡式波纹补偿器及制备方法，包括法兰、中间管和碟簧组件，其特征在于在波纹管外轴向上对称安置碟簧筒，波纹管法兰端与固定碟簧筒的螺栓杆构成的连杆结构：中间管两端分别连接波纹管、法兰，四根螺杆分别穿过各碟簧筒内的碟簧组，螺杆端穿过两端法兰的四角螺栓孔，碟簧筒一端与法兰焊接，另一端由锁紧螺母锁紧在螺杆上；螺杆另一端与另一法兰外侧锁定。制备方法，包括波纹管的设计、制造方法，其特征在于根据补偿器受内压产生的推力即盲板力，设计碟簧规格、碟簧组件的数量、碟簧叠合组合形式，采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.199倍，实现在一个补偿器上轴向和横向同时补偿，即节省空间和投资，以提高了设备和系统的安全性和可靠性。

Description

万向力平衡式波纹补偿器及制备方法

技术领域

本发明涉及大型设备间的管线连接偏差补偿，一种万向力平衡式波纹补偿器。

背景技术

大型化工设备、炼油设备、发电设备、高压开关中的封闭式组合电器等采用管线连接的设备，设备在安装时管线与管线之间会有误差。波纹补偿器是应用最广泛的管道补偿器件。按补偿形式分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型。其中轴向型主要用于补偿管线轴线方向上的位移；横向及角向型用于补偿相交管线的轴向位移，但对于补偿器所在的管线称之为“横向”或“角向”补偿，角向补偿器需配对使用，最终也变成横向补偿器。在使用时，由于温度变化带来热胀冷缩，在管线的轴向和径向出现位移偏差(径向是由相交管线引起的轴向位移)。波纹补偿器内压产生的推力很大，有时对相连的设备有致命的破坏作用，影响设备的安全运行。设计要求压力平衡型补偿器能够通过自身结构吸收这些“偏差”和“位移”，使内压引起的推力保持平衡，而不作用于或很少作用于相连的设备，以保证设备的安全运行。

常规的压力平衡型补偿器分轴向和横向两大类。轴向压力平衡型补偿器只能补偿轴向位移，横向压力平衡型补偿器只能补偿横向位移。对于有足够空间的使用环境，常规的结构可以满足要求。但对于设备连接空间紧凑的波波纹纹补偿器设计，需要在一个压力平衡补偿器上既有轴向补偿又有横向补偿功能，既节省空间和投资，要保证设备和系统的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种万向力平衡式波纹补偿器及制备方法，补偿器的弹性结构具有轴向和横向补偿功能，能够同时全方位平衡设备内压力。

万向力平衡式波纹补偿器，包括法兰、中间管和碟簧组件，其特征在于在波纹管外轴向上对称安置碟簧筒，波纹管法兰端与固定碟簧筒的螺栓杆构成的连杆结构：中间管两端分别连接波纹管、法兰，四根螺杆分别穿过各碟簧筒内的碟簧组，螺杆端穿过两端法兰的四角螺栓孔，碟簧筒一端与法兰焊接，另一端由锁紧螺母锁紧在螺杆上；螺杆另一端与另一法兰外侧锁定。

制备方法：包括波纹管的设计、制造方法，其特征在于根据补偿器受内压产生的推力即盲板力，设计碟簧规格、碟簧组件的数量、碟簧叠合组合形式。

本发明设计的碟簧组所产生的弹性力总和与盲板力大小相等、方向相反，相互平衡。此种力平衡结构为不完全力平衡结构，在补偿器横向位移时，补偿器轴向方向没有位移，碟簧的压缩量没有发生变化，产生的弹性力也没有变化，横向位移产生的补偿器横向刚度力，与补偿器的内压无关，补偿器横向刚度力非常小，可由设备管道系统承受；而在补偿器轴向位移时，碟簧的压缩量发生变化，产生的弹性力也随之变化，弹性力变化值与碟簧组数(m)成反比，即碟簧组数越多，单个碟簧的位移量越小，碟簧组弹性力变化越小，不平衡的轴向推力越小。反之，即碟簧组数越少，单个碟簧的位移量越大，碟簧组弹性力变化越大，不平衡的轴向推力越大。

附图说明

附图1是万向力平衡式波纹补偿器结构示意图；

附图2是法兰主视图；

附图3是碟簧组件结构示意图；

具体实施方式

万向力平衡式波纹补偿器，见图1-3，包括法兰、中间管和碟簧组件，波纹管2，5、法兰1，6、中间接管3内径相同，其特征在于两个波纹管2，5分别一端插入中间接管3内部，波纹管2，5另一端与各侧法兰1，6采用锁底对接的焊接方式连接，两个法兰1，6之间在四角螺栓孔轴向上分别安置四个碟簧筒11，四根螺杆10分别穿过各碟簧筒11内的碟簧组件9，螺杆10端穿过法兰1，6，碟簧筒11与大球面垫圈7、大锥面垫圈8采用焊接的方式连接。碟簧筒11另一端由锁紧螺母12将螺杆10锁紧，碟簧筒11中的螺杆10穿过法兰1，6，并在法兰6外侧通过锥面垫圈13、球面垫圈14及螺母15锁定。

两片碟簧叠合为一碟簧组4，可60组碟簧装配成一个碟簧组件9。

本发明万向力平衡式波纹补偿器的制备方法，其特征在于结构设计：

根据管道系统的使用状态，提出补偿器的技术要求及材质要求。

根据补偿器使用技术要求的量化数值，先设定波纹管的波形(波距、波高、壁厚)、波数，然后，按行业标准进行设计计算效核。计算效核补偿器的耐压、疲劳寿命是否合格；这个设计过程需要反复设计、求证、计算效核，直至得到对设定波纹管的波形、波数的理想数值。

补偿器的轴向补偿是由中心管两端的两个波纹管共同完成的，在两个波纹管性能完全一致的条件下，各承担50％补偿轴向位移。

补偿器的横向补偿也是由两个波纹管共同完成的，两个波纹管分别产生角向位移，在补偿器整体转化为横向位移。

根据管道系统的使用要求，波纹管的材质可采用不锈钢(304、321、316L)，碟簧材质按标准采用弹簧钢(50CrV、60Si2Mn)，法兰和其他结构件材质采用不锈钢、碳钢(Q235、20g)。

实例1：

万向力平衡式波纹补偿器的技术要求：工作压力P＝0.5Mpa，补偿器的轴向位移X＝±15mm，补偿器的横向位移y＝±5mm，疲劳寿命〔N〕＝20000次，选用波纹管、法兰、中间接管材质：304，碟簧材质：50CrV，碟簧组件材质：Q235-A；

一、根据上述技术要求，按波纹管行业技术标准进行波纹管波形、波数设定和设计计算、效核，得出：内径D＝995mm，波距w＝58mm，波高H＝38mm，壁厚t＝1mm，层数Z＝3，中径Dm＝D+t*Z+H＝1036mm，单个波纹管的波数n＝4，单个波纹管波纹段的长度L_b＝n×w＝232mm，中间接管长度Lz＝420mm，包括中间接管在内，两个靠近端面的波纹端点的间距Lu＝Lz+2L_b＝884mm

$\mathrm{\β}=\frac{{3L}_u^2-{3L}_u{L}_b}{{3L}_u^2-{6L}_u{L}_b+{4L}_b^2}=1.301$

β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数

$e_X=\frac{X}{2n}=3.75$

$e_y=\frac{{\mathrm{\βD}}_{m}y}{2n(L_u-L_b)}=2.95\mathrm{mm}$

e_x-单波轴向位移

e_y-横向位移“y”所引起的单波最大当量轴向位移补偿器单波总位移：e＝e_x+e_y＝6.34mm

内压在波纹管中所产生的环向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{PD}}_m}{2{\mathrm{Zt}}_p}\left(\frac{1}{0.571+2\frac{H}{w}}\right)=46.82\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{\mathrm{PH}}{2{\mathrm{Zt}}_p}=3.23\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力：

${\mathrm{\σ}}_4=\frac{P}{2Z}{\left(\frac{H}{t_p}\right)}^2{C}_p=69.72\mathrm{MPa}$

波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPa

σ₂、σ₃≤[σ]

σ₄≤3[σ]

设计出补偿器耐压合格的理想数值。

位移在波纹管中所产生的径向膜应力： ${\mathrm{\σ}}_5=\frac{E_b{t}_p^{2}e}{{2H}^3{C}_f}=6.67\mathrm{MPa}$

位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力： ${\mathrm{\σ}}_6=\frac{{5E}_b{t}_{p}e}{{3H}^2{C}_d}=601.84\mathrm{MPa}$

总应力σ_R＝0.7(σ₃+σ₄)+(σ₅+σ₆)＝659.58MPa

计算疲劳寿命：

许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/n_f＝39519次

疲劳寿命安全系数n_f＝10

设计出符合上述条件的产品，即补偿器疲劳寿命合格。

二、碟簧组件的设计

根据补偿器受内压产生的推力(盲板力)，设定碟簧规格、碟簧组件的数量、碟簧叠合组合形式。使碟簧组压缩产生的弹性力与盲板力相平衡。

碟簧规格：AI90×46×6.3×8.3

组合形式：两片碟簧叠合组合为一组(i＝2)。

碟簧组件的设计计算：

波纹管受内压产生的轴向推力(盲板力)(由计算得出)

F＝P×A＝421.5KN

A-波纹管的有效面积

$A=\frac{\mathrm{\πDm}}{4}=842965{\mathrm{mm}}^2$

单个碟簧组件与盲板力平衡的弹性力F1＝F/N＝105.4KN

碟簧组件的数量：N＝4，

单个碟簧的压缩量h＝F1/iK＝1.258mm

碟簧的刚度K＝41.9KN/mm

此时，碟簧组的产生的弹性力总和与盲板力大小相等、方向相反，相互平衡。此种力平衡结构为不完全力平衡结构，在补偿器横向位移时，补偿器轴向方向没有位移，碟簧的压缩量没有发生变化，产生的弹性力也没有变化。而在补偿器轴向位移时，碟簧的压缩量发生变化，产生的弹性力也随之变化，弹性力变化值与碟簧组数(m)成反比，即碟簧组数越多，单个碟簧的位移量越小，碟簧组弹性力变化越小，不平衡的轴向推力越小。反之，即碟簧组数越少，单个碟簧的位移量越大，碟簧组弹性力变化越大，不平衡的轴向推力越大。

设定1：

设碟簧组数m＝60

单个碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.25mm

碟簧组件弹性力变化值ΔF1＝Δ×2K＝20.95KN

不平衡的轴向推力

ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN

不平衡的轴向推力与原来盲板力之比＝ΔF/F＝0.199

采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.199倍，补偿器的轴向推力由421.5KN降低为83.8KN。

设定2：

设碟簧组数m＝30

单个碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.5mm

碟簧组件弹性力变化值ΔF1＝Δ×2K＝41.9KN

不平衡的轴向推力

ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN

不平衡的轴向推力与原来盲板力之比＝ΔF/F＝0.398

采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.398倍，补偿器的轴向推力由421.5KN降低为167.6KN。

多个碟簧组成碟簧组件，每个补偿器通常至少设计三组以上碟簧组件。将碟簧筒内的碟簧组预压至一定位置，使几个碟簧组的弹性力总和等于盲板力，用锁紧螺母锁紧。也可以用其它弹性元件，经过计算满足力平衡要求即可。使用时，将补偿器连接在设备之间，将补偿器内部压力升至工作压力时，手动操作松开锁紧螺母，碟簧组的弹性力通过碟簧筒与螺杆传递至两侧法兰，碟簧组产生的弹性力与设备内压产生的推力(盲板力)相平衡。

实例2：

补偿器的技术要求

工作压力P＝0.45Mpa

补偿器的轴向位移X＝±10mm

补偿器的横向位移y＝±20mm

疲劳寿命〔N〕＝10000次

波纹管材质：304，碟簧材质：50CrV，法兰、中间接管、碟簧组件材质：Q235-A

波纹管的波形：

内径D＝705mm，

波距w＝55mm，

波高H＝38mm，

壁厚t＝0.5mm，

层数Z＝5

中径Dm＝D+t*Z+H＝745.5mm

单个波纹管的波数n＝4

单个波纹管波纹段的长度L_b＝n×w＝220mm

中间接管长度Lz＝320mm

包括中间接管在内，两个靠近端面的波纹端点的间距

Lu＝Lz+2L_b＝760mm

$\mathrm{\β}=\frac{{3L}_u^2-{3L}_u{L}_b}{{3L}_u^2-{6L}_u{L}_b+{4L}_b^2}=1.334$

β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数

$e_X=\frac{X}{2n}=2.5$

$e_y=\frac{\mathrm{\β}{D}_{m}y}{2n(L_u-L_b)}=9.21\mathrm{mm}$

e_x-单波轴向位移

e_y-横向位移“y”所引起的单波最大当量轴向位移

补偿器单波总位移：e＝e_x+e_y＝11.71mm

内压在波纹管中所产生的环向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{PD}}_m}{{2\mathrm{Zt}}_p}\left(\frac{1}{0.571+2\frac{H}{w}}\right)=35.33\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{\mathrm{PH}}{2{\mathrm{Zt}}_p}=3.52\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力：

${\mathrm{\σ}}_4=\frac{P}{2Z}{\left(\frac{H}{t_p}\right)}^2{C}_p=126.08\mathrm{MPa}$

波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPa

σ₂、σ₃≤[σ]

σ₄≤3[σ]

补偿器耐压合格。

位移在波纹管中所产生的径向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_5=\frac{E_b{t}_p^{2}e}{2H^3{C}_f}=5.72\mathrm{MPa}$

位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力：

${\mathrm{\σ}}_6=\frac{{5E}_b{t}_{p}e}{{3H}^2{C}_d}=666.8\mathrm{MPa}$

总应力

σ_R＝0.7(σ₃+σ₄)+(σ₅+σ₆)＝763.24MPa

计算疲劳寿命：

许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/n_f＝13963次

疲劳寿命安全系数n_f＝10

补偿器疲劳寿命合格。

碟簧组件的设计

碟簧规格：AI90×46×6.3×8.3

组合形式：单片碟簧为一组(i＝1)。

波纹管受内压产生的轴向推力(盲板力)

F＝P×A＝196.43KN

A-波纹管的有效面积

$A=\frac{{\mathrm{\πD}}_m^2}{4}={436501\mathrm{mm}}^2$

单个碟簧组件与盲板力平衡的弹性力

F1＝F/N＝49.11KN

碟簧组件的数量：N＝4

单个碟簧的压缩量

h＝F1/iK＝1.172mm

碟簧的刚度K＝41.9KN/mm

设碟簧组数m＝80

单个碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.125mm

碟簧组件弹性力变化值ΔF1＝Δ×K＝5.24KN

不平衡的轴向推力ΔF＝ΔF1×N＝20.96KN

不平衡的轴向推力与原来盲板力之比＝ΔF/F＝0.107

采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.107倍，补偿器的轴向推力由196.43KN降低为20.96KN。

补偿器不平衡的轴向推力由设备管道系统提出要求，或者按补偿器不平衡的轴向推力来设计设备管道系统。

Claims (4)

1、万向力平衡式波纹补偿器，包括法兰、中间管和碟簧组件，其特征在于在波纹管外轴向上对称安置碟簧筒，波纹管法兰端与固定碟簧筒的螺栓杆构成的连杆结构：中间管两端分别连接波纹管、法兰，四根螺杆分别穿过各碟簧筒内的碟簧组，螺杆端穿过两端法兰的四角螺栓孔，碟簧筒一端与法兰焊接，另一端由锁紧螺母锁紧在螺杆上；螺杆另一端与另一法兰外侧锁定。

2、根据权利要求1所述的万向力平衡式波纹补偿器，其特征在于螺杆端穿过法兰的四角螺栓孔，碟簧筒与大球面垫圈、锥面垫圈焊接，碟簧筒另一端由锁紧螺母将螺杆锁紧；碟簧筒中的螺杆另一端穿过另一法兰，在外侧通过锥面垫圈、球面垫圈及螺母锁定。

3、制备万向力平衡式波纹补偿器的方法，包括波纹管的设计、制造方法，其特征在于：根据补偿器使用技术要求数值，按波纹管行业技术标准进行波纹管波形、波数设定和设计计算、效核，得出：内径D＝995mm，波距w＝58mm，波高H＝38mm，壁厚t＝1mm，层数Z＝3，中径Dm＝D+t*Z+H＝1036mm，单个波纹管的波数n＝4，单个波纹管波纹段的长度L_b＝n×w＝232mm，中间接管长度Lz＝420mm

包括中间接管在内，两个靠近端面的波纹端点的间距

Lu＝Lz+2L_b＝884mm

$\mathrm{\β}=\frac{{3L}_u^2-{3L}_u{L}_b}{{3L}_u^2-{6L}_u{L}_b+{4L}_b^2}=1.301$

β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数

$e_X=\frac{X}{2n}=3.75$

$e_y=\frac{{\mathrm{\βD}}_{m}y}{2n(L_u-L_b)}=2.59\mathrm{mm}$

e_X-单波轴向位移

e_y-横向位移“y”所引起的单波最大当量轴向位移补偿器单波总位移：e＝e_x+e_y＝6.34mm

内压在波纹管中所产生的环向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{PD}}_m}{{2\mathrm{Zt}}_p}\left(\frac{1}{0.571+2\frac{H}{W}}\right)=46.82\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向膜应力：

${\mathrm{\σ}}_3=\frac{\mathrm{PH}}{{2\mathrm{Zt}}_p}=3.23\mathrm{MPa}$

内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力：

${\mathrm{\σ}}_4=\frac{P}{2Z}{\left(\frac{H}{t_p}\right)}^2{C}_p=69.72\mathrm{MPa}$

波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPa

σ₂、σ₃≤[σ]

σ₄≤3[σ]

设计出补偿器耐压合格的理想数值

位移在波纹管中所产生的径向膜应力： ${\mathrm{\σ}}_5=\frac{E_b{t}_p^{2}e}{{2H}^3{C}_f}=6.67\mathrm{MPa}$

位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力： ${\mathrm{\σ}}_6=\frac{{5E}_b{t}_{p}e}{{3H}^2{C}_d}=601.84\mathrm{MPa}$

总应力σ_R＝0.7(σ₃+σ₄)+(σ₅+σ₆)＝659.58MPa

计算疲劳寿命：

许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/n_f＝39519次

疲劳寿命安全系数n_f＝10

补偿器疲劳寿命合格；

二、碟簧组件的设计

根据补偿器受内压产生的推力即盲板力，设定碟簧规格、碟簧组件的数量、碟簧叠合组合形式：

碟簧规格：AI90×46×6.3×8.3

组合形式：两片碟簧叠合组合为一组i＝2

碟簧组件的设计计算：

波纹管受内压产生的轴向推力

F＝P×A＝421.5KN

A-波纹管的有效面积

$A=\frac{{\mathrm{\πD}}_m^2}{4}={842965\mathrm{mm}}^2$

单个碟簧组件与盲板力平衡的弹性力F1＝F/N＝105.4KN

碟簧组件的数量：N＝4，

单个碟簧的压缩量h＝F1/iK＝1.258mm

碟簧的刚度K＝41.9KN/mm

设定1：

设碟簧组数m＝60

单个碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.25mm

碟簧组件弹性力变化值ΔF1＝Δ×2K＝20.95KN

不平衡的轴向推力

ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN

不平衡的轴向推力与原来盲板力之比＝ΔF/F＝0.199采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.199倍，补偿器的轴向推力由421.5KN降低为83.8KN。

4、根据权利要求3所述的制备万向力平衡式波纹补偿器的方法，其特征在于：碟簧组件的设计：

设定2：补偿器的技术要求

工作压力P＝0.45Mpa

补偿器的轴向位移X＝±10mm

补偿器的横向位移y＝±20mm

疲劳寿命〔N〕＝10000次

波纹管材质：304，碟簧材质：50CrV，法兰、中间接管、碟簧组件材质：Q235-A

波纹管的波形：内径D＝705mm，波距w＝55mm，波高H＝38mm，壁厚t＝0.5mm，层数Z＝5，中径Dm＝D+t*Z+H＝745.5mm，单个波纹管的波数n＝4，单个波纹管波纹段的长度L_b＝n×w＝220mm，中间接管长度Lz＝320mm，按波纹管行业技术标准进行波纹管波形、波数设定和设计计算.  效核波纹管耐压、疲劳寿命合格。

碟簧组件的设计

碟簧规格：AI90×46×6.3×8.3

组合形式：单片碟簧为一组(i＝1)。

波纹管受内压产生的轴向推力(盲板力)

F＝P×A＝196.43KN

A-波纹管的有效面积

$A=\frac{{\mathrm{\πD}}_m^2}{4}={436501\mathrm{mm}}^2$

单个碟簧组件与盲板力平衡的弹性力

F1＝F/N＝49.11KN

碟簧组件的数量：N＝4

单个碟簧的压缩量

h＝F1/iK＝1.172mm

碟簧的刚度K＝41.9KN/mm

设碟簧组数m＝80

单个碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.125mm

碟簧组件弹性力变化值ΔF1＝Δ×K＝5.24KN

不平衡的轴向推力ΔF＝ΔF1×N＝20.96KN

不平衡的轴向推力与原来盲板力之比＝ΔF/F＝0.107

采用此种力平衡结构后，补偿器不平衡的轴向推力为原来盲板力的0.107倍，补偿器的轴向推力由196.43KN降低为20.96KN。

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