專利名稱:萬向力平衡式波紋補償器及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大型設備間的管線連接偏差補償，一種萬向力平衡式波紋補償器。
背景技術：
大型化工設備、煉油設備、發(fā)電設備、高壓開關中的封閉式組合電器等采用管線連接的設備，設備在安裝時管線與管線之間會有誤差。波紋補償器是應用最廣泛的管道補償器件。按補償形式分為軸向型、橫向型、角向型及壓力平衡型。其中軸向型主要用于補償管線軸線方向上的位移；橫向及角向型用于補償相交管線的軸向位移，但對于補償器所在的管線稱之為“橫向”或“角向”補償，角向補償器需配對使用，最終也變成橫向補償器。在使用時，由于溫度變化帶來熱脹冷縮，在管線的軸向和徑向出現(xiàn)位移偏差(徑向是由相交管線引起的軸向位移)。波紋補償器內(nèi)壓產(chǎn)生的推力很大，有時對相連的設備有致命的破壞作用，影響設備的安全運行。設計要求壓力平衡型補償器能夠通過自身結構吸收這些“偏差”和“位移”，使內(nèi)壓引起的推力保持平衡，而不作用于或很少作用于相連的設備，以保證設備的安全運行。
常規(guī)的壓力平衡型補償器分軸向和橫向兩大類。軸向壓力平衡型補償器只能補償軸向位移，橫向壓力平衡型補償器只能補償橫向位移。對于有足夠空間的使用環(huán)境，常規(guī)的結構可以滿足要求。但對于設備連接空間緊湊的波波紋紋補償器設計，需要在一個壓力平衡補償器上既有軸向補償又有橫向補償功能，既節(jié)省空間和投資，要保證設備和系統(tǒng)的安全性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種萬向力平衡式波紋補償器及制備方法，補償器的彈性結構具有軸向和橫向補償功能，能夠同時全方位平衡設備內(nèi)壓力。
萬向力平衡式波紋補償器，包括法蘭、中間管和碟簧組件，其特征在于在波紋管外軸向上對稱安置碟簧筒，波紋管法蘭端與固定碟簧筒的螺栓桿構成的連桿結構中間管兩端分別連接波紋管、法蘭，四根螺桿分別穿過各碟簧筒內(nèi)的碟簧組，螺桿端穿過兩端法蘭的四角螺栓孔，碟簧筒一端與法蘭焊接，另一端由鎖緊螺母鎖緊在螺桿上；螺桿另一端與另一法蘭外側鎖定。
制備方法包括波紋管的設計、制造方法，其特征在于根據(jù)補償器受內(nèi)壓產(chǎn)生的推力即盲板力，設計碟簧規(guī)格、碟簧組件的數(shù)量、碟簧疊合組合形式。
本發(fā)明設計的碟簧組所產(chǎn)生的彈性力總和與盲板力大小相等、方向相反，相互平衡。此種力平衡結構為不完全力平衡結構，在補償器橫向位移時，補償器軸向方向沒有位移，碟簧的壓縮量沒有發(fā)生變化，產(chǎn)生的彈性力也沒有變化，橫向位移產(chǎn)生的補償器橫向剛度力，與補償器的內(nèi)壓無關，補償器橫向剛度力非常小，可由設備管道系統(tǒng)承受；而在補償器軸向位移時，碟簧的壓縮量發(fā)生變化，產(chǎn)生的彈性力也隨之變化，彈性力變化值與碟簧組數(shù)(m)成反比，即碟簧組數(shù)越多，單個碟簧的位移量越小，碟簧組彈性力變化越小，不平衡的軸向推力越小。反之，即碟簧組數(shù)越少，單個碟簧的位移量越大，碟簧組彈性力變化越大，不平衡的軸向推力越大。
附圖1是萬向力平衡式波紋補償器結構示意圖；附圖2是法蘭主視圖；附圖3是碟簧組件結構示意圖；具體實施方式
萬向力平衡式波紋補償器，見圖1-3，包括法蘭、中間管和碟簧組件，波紋管2，5、法蘭1，6、中間接管3內(nèi)徑相同，其特征在于兩個波紋管2，5分別一端插入中間接管3內(nèi)部，波紋管2，5另一端與各側法蘭1，6采用鎖底對接的焊接方式連接，兩個法蘭1，6之間在四角螺栓孔軸向上分別安置四個碟簧筒11，四根螺桿10分別穿過各碟簧筒11內(nèi)的碟簧組件9，螺桿10端穿過法蘭1，6，碟簧筒11與大球面墊圈7、大錐面墊圈8采用焊接的方式連接。碟簧筒11另一端由鎖緊螺母12將螺桿10鎖緊，碟簧筒11中的螺桿10穿過法蘭1，6，并在法蘭6外側通過錐面墊圈13、球面墊圈14及螺母15鎖定。
兩片碟簧疊合為一碟簧組4，可60組碟簧裝配成一個碟簧組件9。
本發(fā)明萬向力平衡式波紋補償器的制備方法，其特征在于結構設計
根據(jù)管道系統(tǒng)的使用狀態(tài)，提出補償器的技術要求及材質要求。
根據(jù)補償器使用技術要求的量化數(shù)值，先設定波紋管的波形(波距、波高、壁厚)、波數(shù)，然后，按行業(yè)標準進行設計計算效核。計算效核補償器的耐壓、疲勞壽命是否合格；這個設計過程需要反復設計、求證、計算效核，直至得到對設定波紋管的波形、波數(shù)的理想數(shù)值。
補償器的軸向補償是由中心管兩端的兩個波紋管共同完成的，在兩個波紋管性能完全一致的條件下，各承擔50％補償軸向位移。
補償器的橫向補償也是由兩個波紋管共同完成的，兩個波紋管分別產(chǎn)生角向位移，在補償器整體轉化為橫向位移。
根據(jù)管道系統(tǒng)的使用要求，波紋管的材質可采用不銹鋼(304、321、316L)，碟簧材質按標準采用彈簧鋼(50CrV、60Si2Mn)，法蘭和其他結構件材質采用不銹鋼、碳鋼(Q235、20g)。
實例1萬向力平衡式波紋補償器的技術要求工作壓力P＝0.5Mpa，補償器的軸向位移X＝±15mm，補償器的橫向位移y＝±5mm，疲勞壽命〔N〕＝20000次，選用波紋管、法蘭、中間接管材質304，碟簧材質50CrV，碟簧組件材質Q235-A；一、根據(jù)上述技術要求，按波紋管行業(yè)技術標準進行波紋管波形、波數(shù)設定和設計計算、效核，得出內(nèi)徑D＝995mm，波距w＝58mm，波高H＝38mm，壁厚t＝1mm，層數(shù)Z＝3，中徑Dm＝D+t*Z+H＝1036mm，單個波紋管的波數(shù)n＝4，單個波紋管波紋段的長度Lb＝n×w＝232mm，中間接管長度Lz＝420mm，包括中間接管在內(nèi)，兩個靠近端面的波紋端點的間距Lu＝Lz+2Lb＝884mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.301]]>β-橫向位移所引起的單波當量軸向位移的相關系數(shù)
eX=X2n=3.75]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=2.95mm]]>ex-單波軸向位移ey-橫向位移“y”所引起的單波最大當量軸向位移補償器單波總位移e＝ex+ey＝6.34mm內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的環(huán)向膜應力σ2=PDm2Ztp(10.571+2Hw)=46.82MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力σ3=PH2Ztp=3.23MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ4=P2Z(Htp)2Cp=69.72MPa]]>波紋管材質的許用應力[σ]＝137MPaσ2、σ3≤[σ]σ4≤3[σ]設計出補償器耐壓合格的理想數(shù)值。
位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力σ5=Ebtp2e2H3Cf=6.67MPa]]>位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ6=5Ebtpe3H2Cd=601.84MPa]]>總應力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝659.58MPa計算疲勞壽命 許用疲勞壽命[Nc]＝Nc/nf＝39519次疲勞壽命安全系數(shù)nf＝10設計出符合上述條件的產(chǎn)品，即補償器疲勞壽命合格。
二、碟簧組件的設計根據(jù)補償器受內(nèi)壓產(chǎn)生的推力(盲板力)，設定碟簧規(guī)格、碟簧組件的數(shù)量、碟簧疊合組合形式。使碟簧組壓縮產(chǎn)生的彈性力與盲板力相平衡。
碟簧規(guī)格AI90×46×6.3×8.3組合形式兩片碟簧疊合組合為一組(i＝2)。
碟簧組件的設計計算波紋管受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向推力(盲板力)(由計算得出)F＝P×A＝421.5KNA-波紋管的有效面積A=πDm4=842965mm2]]>單個碟簧組件與盲板力平衡的彈性力F1＝F/N＝105.4KN碟簧組件的數(shù)量N＝4，單個碟簧的壓縮量h＝F1/iK＝1.258mm碟簧的剛度K＝41.9KN/mm
此時，碟簧組的產(chǎn)生的彈性力總和與盲板力大小相等、方向相反，相互平衡。此種力平衡結構為不完全力平衡結構，在補償器橫向位移時，補償器軸向方向沒有位移，碟簧的壓縮量沒有發(fā)生變化，產(chǎn)生的彈性力也沒有變化。而在補償器軸向位移時，碟簧的壓縮量發(fā)生變化，產(chǎn)生的彈性力也隨之變化，彈性力變化值與碟簧組數(shù)(m)成反比，即碟簧組數(shù)越多，單個碟簧的位移量越小，碟簧組彈性力變化越小，不平衡的軸向推力越小。反之，即碟簧組數(shù)越少，單個碟簧的位移量越大，碟簧組彈性力變化越大，不平衡的軸向推力越大。
設定1設碟簧組數(shù)m＝60單個碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.25mm碟簧組件彈性力變化值ΔF1＝Δ×2K＝20.95KN不平衡的軸向推力ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN不平衡的軸向推力與原來盲板力之比＝ΔF/F＝0.199采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.199倍，補償器的軸向推力由421.5KN降低為83.8KN。
設定2設碟簧組數(shù)m＝30單個碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.5mm碟簧組件彈性力變化值ΔF1＝Δ×2K＝41.9KN不平衡的軸向推力ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN不平衡的軸向推力與原來盲板力之比＝ΔF/F＝0.398采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.398倍，補償器的軸向推力由421.5KN降低為167.6KN。
多個碟簧組成碟簧組件，每個補償器通常至少設計三組以上碟簧組件。將碟簧筒內(nèi)的碟簧組預壓至一定位置，使幾個碟簧組的彈性力總和等于盲板力，用鎖緊螺母鎖緊。也可以用其它彈性元件，經(jīng)過計算滿足力平衡要求即可。使用時，將補償器連接在設備之間，將補償器內(nèi)部壓力升至工作壓力時，手動操作松開鎖緊螺母，碟簧組的彈性力通過碟簧筒與螺桿傳遞至兩側法蘭，碟簧組產(chǎn)生的彈性力與設備內(nèi)壓產(chǎn)生的推力(盲板力)相平衡。
實例2補償器的技術要求工作壓力P＝0.45Mpa補償器的軸向位移X＝±10mm補償器的橫向位移y＝±20mm疲勞壽命〔N〕＝10000次波紋管材質304，碟簧材質50CrV，法蘭、中間接管、碟簧組件材質Q235-A波紋管的波形內(nèi)徑D＝705mm，波距w＝55mm，波高H＝38mm，壁厚t＝0.5mm，層數(shù)Z＝5中徑Dm＝D+t*Z+H＝745.5mm單個波紋管的波數(shù)n＝4單個波紋管波紋段的長度Lb＝n×w＝220mm中間接管長度Lz＝320mm包括中間接管在內(nèi)，兩個靠近端面的波紋端點的間距Lu＝Lz+2Lb＝760mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.334]]>β-橫向位移所引起的單波當量軸向位移的相關系數(shù)
eX=X2n=2.5]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=9.21mm]]>ex-單波軸向位移ey-橫向位移“y”所引起的單波最大當量軸向位移補償器單波總位移e＝ex+ey＝11.71mm內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的環(huán)向膜應力σ2=PDm2Ztp(10.571+2Hw)=35.33MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力σ3=PH2Ztp=3.52MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ4=P2Z(Htp)2Cp=126.08MPa]]>波紋管材質的許用應力[σ]＝137MPaσ2、σ3≤[σ]σ4≤3[σ]補償器耐壓合格。
位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力
σ5=Ebtp2e2H3Cf=5.72MPa]]>位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ6=5Ebtpe3H2Cd=666.8MPa]]>總應力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝763.24MPa計算疲勞壽命 許用疲勞壽命[Nc]＝Nc/nf＝13963次疲勞壽命安全系數(shù)nf＝10補償器疲勞壽命合格。
碟簧組件的設計碟簧規(guī)格AI90×46×6.3×8.3組合形式單片碟簧為一組(i＝1)。
波紋管受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向推力(盲板力)F＝P×A＝196.43KNA-波紋管的有效面積A=πDm24=436501mm2]]>單個碟簧組件與盲板力平衡的彈性力F1＝F/N＝49.11KN碟簧組件的數(shù)量N＝4
單個碟簧的壓縮量h＝F1/iK＝1.172mm碟簧的剛度K＝41.9KN/mm設碟簧組數(shù)m＝80單個碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.125mm碟簧組件彈性力變化值ΔF1＝Δ×K＝5.24KN不平衡的軸向推力ΔF＝ΔF1×N＝20.96KN不平衡的軸向推力與原來盲板力之比＝ΔF/F＝0.107采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.107倍，補償器的軸向推力由196.43KN降低為20.96KN。
補償器不平衡的軸向推力由設備管道系統(tǒng)提出要求，或者按補償器不平衡的軸向推力來設計設備管道系統(tǒng)。
權利要求
1.萬向力平衡式波紋補償器，包括法蘭、中間管和碟簧組件，其特征在于在波紋管外軸向上對稱安置碟簧筒，波紋管法蘭端與固定碟簧筒的螺栓桿構成的連桿結構中間管兩端分別連接波紋管、法蘭，四根螺桿分別穿過各碟簧筒內(nèi)的碟簧組，螺桿端穿過兩端法蘭的四角螺栓孔，碟簧筒一端與法蘭焊接，另一端由鎖緊螺母鎖緊在螺桿上；螺桿另一端與另一法蘭外側鎖定。
2.根據(jù)權利要求
1所述的萬向力平衡式波紋補償器，其特征在于螺桿端穿過法蘭的四角螺栓孔，碟簧筒與大球面墊圈、錐面墊圈焊接，碟簧筒另一端由鎖緊螺母將螺桿鎖緊；碟簧筒中的螺桿另一端穿過另一法蘭，在外側通過錐面墊圈、球面墊圈及螺母鎖定。
3.制備萬向力平衡式波紋補償器的方法，包括波紋管的設計、制造方法，其特征在于根據(jù)補償器使用技術要求數(shù)值，按波紋管行業(yè)技術標準進行波紋管波形、波數(shù)設定和設計計算、效核，得出內(nèi)徑D＝995mm，波距w＝58mm，波高H＝38mm，壁厚t＝1mm，層數(shù)Z＝3，中徑Dm＝D+t*Z+H＝1036mm，單個波紋管的波數(shù)n＝4，單個波紋管波紋段的長度Lb＝n×w＝232mm，中間接管長度Lz＝420mm包括中間接管在內(nèi)，兩個靠近端面的波紋端點的間距Lu＝Lz+2Lb＝884mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.301]]>β-橫向位移所引起的單波當量軸向位移的相關系數(shù)eX=X2n=3.75]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=2.59mm]]>eX-單波軸向位移ey-橫向位移“y”所引起的單波最大當量軸向位移補償器單波總位移e＝ex+ey＝6.34mm內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的環(huán)向膜應力σ2=PDm2Ztp(10.571+2HW)=46.82MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力σ3=PH2Ztp=3.23MPa]]>內(nèi)壓在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ4=P2Z(Htp)2Cp=69.72MPa]]>波紋管材質的許用應力[σ]＝137MPaσ2、σ3≤[σ]σ4≤3[σ]設計出補償器耐壓合格的理想數(shù)值位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向膜應力σ5=Ebtp2e2H3Cf=6.67MPa]]>位移在波紋管中所產(chǎn)生的徑向彎曲應力σ6=5Ebtpe3H2Cd=601.84MPa]]>總應力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝659.58MPa計算疲勞壽命 許用疲勞壽命[Nc]＝Nc/nf＝39519次疲勞壽命安全系數(shù)nf＝10補償器疲勞壽命合格；二、碟簧組件的設計根據(jù)補償器受內(nèi)壓產(chǎn)生的推力即盲板力，設定碟簧規(guī)格、碟簧組件的數(shù)量、碟簧疊合組合形式碟簧規(guī)格AI90×46×6.3×8.3組合形式兩片碟簧疊合組合為一組i＝2碟簧組件的設計計算波紋管受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向推力F＝P×A＝421.5KNA-波紋管的有效面積A=πDm24=842965mm2]]>單個碟簧組件與盲板力平衡的彈性力F1＝F/N＝105.4KN碟簧組件的數(shù)量N＝4，單個碟簧的壓縮量h＝F1/iK＝1.258mm碟簧的剛度K＝41.9KN/mm設定1設碟簧組數(shù)m＝60單個碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.25mm碟簧組件彈性力變化值ΔF1＝Δ×2K＝20.95KN不平衡的軸向推力ΔF＝ΔF1×N＝83.8KN不平衡的軸向推力與原來盲板力之比＝ΔF/F＝0.199采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.199倍，補償器的軸向推力由421.5KN降低為83.8KN。
4.根據(jù)權利要求
3所述的制備萬向力平衡式波紋補償器的方法，其特征在于碟簧組件的設計設定2補償器的技術要求工作壓力P＝0.45Mpa補償器的軸向位移X＝±10mm補償器的橫向位移y＝±20mm疲勞壽命〔N〕＝10000次波紋管材質304，碟簧材質50CrV，法蘭、中間接管、碟簧組件材質Q235-A波紋管的波形內(nèi)徑D＝705mm，波距w＝55mm，波高H＝38mm，壁厚t＝0.5mm，層數(shù)Z＝5，中徑Dm＝D+t*Z+H＝745.5mm，單個波紋管的波數(shù)n＝4，單個波紋管波紋段的長度Lb＝n×w＝220mm，中間接管長度Lz＝320mm，按波紋管行業(yè)技術標準進行波紋管波形、波數(shù)設定和設計計算. 效核波紋管耐壓、疲勞壽命合格。碟簧組件的設計碟簧規(guī)格AI90×46×6.3×8.3組合形式單片碟簧為一組(i＝1)。波紋管受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向推力(盲板力)F＝P×A＝196.43KNA-波紋管的有效面積A=πDm24=436501mm2]]>單個碟簧組件與盲板力平衡的彈性力F1＝F/N＝49.11KN碟簧組件的數(shù)量N＝4單個碟簧的壓縮量h＝F1/iK＝1.172mm碟簧的剛度K＝41.9KN/mm設碟簧組數(shù)m＝80單個碟簧的位移量Δ＝X/m＝±0.125mm碟簧組件彈性力變化值ΔF1＝Δ×K＝5.24KN不平衡的軸向推力ΔF＝ΔF1×N＝20.96KN不平衡的軸向推力與原來盲板力之比＝ΔF/F＝0.107采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.107倍，補償器的軸向推力由196.43KN降低為20.96KN。
專利摘要
萬向力平衡式波紋補償器及制備方法，包括法蘭、中間管和碟簧組件，其特征在于在波紋管外軸向上對稱安置碟簧筒，波紋管法蘭端與固定碟簧筒的螺栓桿構成的連桿結構中間管兩端分別連接波紋管、法蘭，四根螺桿分別穿過各碟簧筒內(nèi)的碟簧組，螺桿端穿過兩端法蘭的四角螺栓孔，碟簧筒一端與法蘭焊接，另一端由鎖緊螺母鎖緊在螺桿上；螺桿另一端與另一法蘭外側鎖定。制備方法，包括波紋管的設計、制造方法，其特征在于根據(jù)補償器受內(nèi)壓產(chǎn)生的推力即盲板力，設計碟簧規(guī)格、碟簧組件的數(shù)量、碟簧疊合組合形式，采用此種力平衡結構后，補償器不平衡的軸向推力為原來盲板力的0.199倍，實現(xiàn)在一個補償器上軸向和橫向同時補償，即節(jié)省空間和投資，以提高了設備和系統(tǒng)的安全性和可靠性。
文檔編號F16L51/02GK1995794SQ200610135166
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日
發(fā)明者楊知我, 邱廣濤, 劉敏慨, 嵇向偉, 王記兵, 丁艷萍 申請人:沈陽儀表科學研究院, 沈陽匯博熱能設備有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan