民用高层建筑内通用型膨胀节应力与变形研究

王 雪 贺 禹 袁小锋 宋登晶 杨仲卿 孟胜利

(1.中建三局第二建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430070； 2.重庆大学能源与动力工程学院，重庆 400044； 3.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007)

1 概述

在民用建筑管道设计中，膨胀节凭借易变性的挠性结构对于管道在操作工况下产生的变形、位移及管路震动起到良好的补偿作用[1,2]。由于膨胀节本身的薄壁多层结构使得其往往成为管道设计的薄弱环节，尤其是对于其进行研究有相当必要性[3,4]。

纪志远等[5]针对CALM式单点系泊系统中膨胀节内压推力对设备管口影响进行了分析，对CALM系统应用膨胀节提出了相关建议；马丽新等[6]研究了非金属膨胀节的特点、结构及在联合循环余热炉中的应用；何知国等[7]对高层建筑立管膨胀节设置与安装进行了研究，提出了相关建议；潘林斌[8]对城市热力管网中应用自由补偿金属波纹膨胀节进行了相关研究，指出了设计与应用过程中的问题。

随着民用高层建筑大量涌现，相应的暖通管道问题也逐步浮出水面[9]，而其低温高压的设计特点对目前的常规膨胀节提出了挑战。在这之中通用型膨胀节凭借简单经济的特性仍有相当的应用可行性。由于目前国内外基于CAESARⅡ对膨胀节应力与变形的研究较少，本文以CAESARⅡ软件为平台，针对膨胀节应力与变形开展研究，为民用高层建筑管道设计提供参考。

2 工况参数确定与管道建模

2.1 工况参数确定

管道基本参数如下：管道直径(Diameter)219.1 mm，壁厚(Wt/Sch)8.18 mm;管道材质选用CAESARⅡ材料库中的A53 Grand B(对应国标20号钢)；腐蚀裕量(Corrosion)取1.7 mm；流动介质为水，故Fluid Den1一栏确定为0.001 kg/(cu·cm)。

在CAESARⅡ中，膨胀节可以采用expansion joint选项，借由输入轴向、横向、弯曲、扭转刚度与长度进行模拟。本文中采用通用型膨胀节，故输入有效内径以模拟盲板力的影响。膨胀节依照设计手册[10]选取C2.5AW200型通用型膨胀节，具体参数由表1所示。

表1 膨胀节具体参数

由于民用高层建筑低温高压的特点，因此本文管道操作温度设定为40 ℃，安装温度默认为21 ℃。膨胀节压强等级为2.5 MPa，故依照行业通用压力管道分级设定本文取0.25 MPa,0.6 MPa,1.0 MPa,1.6 MPa,2.5 MPa几个压强变量值。应力校核准则选取B31.3。

2.2 载荷工况确定

本文中存在操作温度T1与操作压力P1。为了排除其他因素的干扰，本文忽略附加位移D、集中载荷F、均布载荷U等其他载荷的影响，最终载荷工况确定如表2所示。

表2 管道载荷工况组合

2.3 管道模型建立

本文建立膨胀节组、对照组与热涨对照组三条直管段。三条管道起始点-末位点编号分别为10-220,1010-1220,2010-2220。全局坐标系以起始点指向末位点为X正向，高度方向为Y向，Z向由右手定则确定。管段10-220中，110-120单元为膨胀节建模；管段1010-1220与2010-2220中对应位置单元1110-1120与2110-2120采用等长度管道予以代替。管段10-220与1010-1220在起始点与末位点均设固定支撑以隔绝其他管道对模型的影响。对于管段2010-2220，仅在起始点2010设置固定支撑。除单元110-120，1110-1120，2110-2120采用膨胀节长度外，其余所有单元长度0.5 m，三条直管段均在相同位置添加刚性支吊架。

三条直管段中，10-220直管段模拟采用膨胀节下管段的应力水平与位移情况；1010-1220直管段为未安装膨胀节下管段的应力水平与位移情况，与管段10-220形成对照；2010-2220直管段用以计算管道在操作工况下的自然位移情况。

3 计算结果分析

3.1 膨胀节变形分析

以管道压强为横坐标，膨胀节端点变形量(压缩为正，拉伸为负)为纵坐标，各压强下膨胀节变形情况如图1所示。当压强由0.25 MPa增加至2.5 MPa时，安装态拉伸量由0.114 mm增加到1.148 mm；操作态压缩量由1.972 mm下降至0.936 mm;而操作态变形量与安装态变形量的代数差为2.086 mm，且不随压强变化。

图1表明随着管道压强的上升，作用于膨胀节的盲板力相对于压强呈线性增大，使得安装态下膨胀节拉伸程度逐渐增大。由于操作态温度恒定，因此由安装态到操作态膨胀节所导致的膨胀节变形量是恒定的(误差来源于有效位数选取)。但由于安装态下膨胀节拉伸程度逐渐增大，膨胀节需要克服更多的拉伸量才会转入压缩状态，故操作态压缩量随着压强增大而逐渐减小。值得注意的是，由于操作工况温度较低，压强变化范围内总体变形量远低于膨胀节的许用变形量，膨胀节实际利用程度较低。

3.2 固定支撑受力情况分析

对于通用型膨胀节而言，内压产生的盲板力最终需要被固定支撑承受才能避免被拉脱失效。由于盲板力作用在管道轴线方向，最终体现在固定支撑的受力数值上(模型中为X向)。故以管道压强为横坐标，固定支撑受到的X向应力为纵坐标，各压强下安装态与操作态固定支撑应力情况如图2所示。

当压强由0.25 MPa增加至2.5 MPa时，安装态固定支撑受力由12 667 N线性增长至126 672 N；操作态固定支撑受力由25 527 N线性增长至139 532 N。由图2可知，随着管道压强的不断上升，安装态与操作态固定支撑轴向应力水平呈线性上升。操作态应力水平大于安装态应力水平且二者差值不变。由于安装态下固定支撑轴向应力水平直接代表盲板力大小，图2表明，操作态下固定支撑在承受盲板力的基础上仍需要承受经膨胀节吸收后的残余膨胀应力，而该残余膨胀应力在操作温度恒定下是恒定的，不受管道压强变化的影响。

以管道压强为横坐标，操作态残余膨胀应力与操作态总体应力水平之比为纵坐标，各压强下残余热应力总体占比如图3所示。随着压强的增大，残余膨胀应力占比呈双曲线下降趋势，由0.25 MPa时的50.38%下降至2.5 MPa时的9.22%。图3表明，当操作温度恒定时，压力升高会使得残余膨胀应力占比迅速下降，说明高压力下盲板力将会占据固定支撑受力的主体部分。

图2与图3表明，管道压强的变化不会影响膨胀节的热涨吸收能力，但由压强增大导致的盲板力增大不仅会使得固定支撑承受的应力水平大幅度增加，也会使得盲板力占据支撑受力的过多份额。这对支吊架选用是不利的，也偏离了使用膨胀节的初衷。

3.3 应力削减水平分析

对于膨胀节一个很重要的考察点即为加装膨胀节后对于未加装状态下管道应力水平的削减程度。削减程度越大，膨胀节对管道系统的影响就越小。如果将加装膨胀节后前后固定支撑轴向应力差与加装膨胀节前固定支撑轴向应力之比称为应力削减水平，那么以管道压强为横坐标，应力削减水平为纵坐标，加装膨胀节后的应力削减效果如图4所示。随着压强的增大，应力削减水平由0.25 MPa下的89.52%降低至2.5 MPa下的42.73%。

图4表明，随着管道压强的逐渐上升，膨胀节的应力削减效果逐渐变差，不利于工程上实际应用。

4 结论

本文针对暖通管道内工质压强对通用型膨胀节应力的变化情况，研究了压力变化时膨胀节变形量、固定支撑受力以及应力削减水平的变化规律，得到如下结论：

1)随着压强的逐渐上升,膨胀节安装态拉伸量增大，相对应的工作态压缩量减小，膨胀节变形量受压强变化较小。

2)随着压强的逐渐上升，固定支撑承受的盲板力逐渐上升，而残余膨胀应力不受压强变化，使得固定支撑受力迅速增长的同时残余膨胀应力占比迅速下降。

3)随着压强的逐渐上升，应力削减水平逐渐下降。应力削减水平由0.25 MPa下的89.52%降低至2.5 MPa下的42.73%。