专利名称: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Lb＝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+2Lb＝884mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.301]]>β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数
eX=X2n=3.75]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=2.95mm]]>ex-单波轴向位移ey-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＝ex+ey＝6.34mm内压在波纹管中所产生的环向膜应力σ2=PDm2Ztp(10.571+2Hw)=46.82MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向膜应力σ3=PH2Ztp=3.23MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ4=P2Z(Htp)2Cp=69.72MPa]]>波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPaσ2、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σ5=Ebtp2e2H3Cf=6.67MPa]]>位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ6=5Ebtpe3H2Cd=601.84MPa]]>总应力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝659.58MPa计算疲劳寿命 许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/nf＝39519次疲劳寿命安全系数nf＝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＝421.5KNA-波纹管的有效面积A=πDm4=842965mm2]]>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Lb＝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+2Lb＝760mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.334]]>β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数
eX=X2n=2.5]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=9.21mm]]>ex-单波轴向位移ey-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＝ex+ey＝11.71mm内压在波纹管中所产生的环向膜应力σ2=PDm2Ztp(10.571+2Hw)=35.33MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向膜应力σ3=PH2Ztp=3.52MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ4=P2Z(Htp)2Cp=126.08MPa]]>波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPaσ2、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
σ5=Ebtp2e2H3Cf=5.72MPa]]>位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ6=5Ebtpe3H2Cd=666.8MPa]]>总应力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝763.24MPa计算疲劳寿命 许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/nf＝13963次疲劳寿命安全系数nf＝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＝196.43KNA-波纹管的有效面积A=πDm24=436501mm2]]>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。
权利要求
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Lb＝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+2Lb＝884mmβ=3Lu2-3LuLb3Lu2-6LuLb+4Lb2=1.301]]>β-横向位移所引起的单波当量轴向位移的相关系数eX=X2n=3.75]]>ey=βDmy2n(Lu-Lb)=2.59mm]]>eX-单波轴向位移ey-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＝ex+ey＝6.34mm内压在波纹管中所产生的环向膜应力σ2=PDm2Ztp(10.571+2HW)=46.82MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向膜应力σ3=PH2Ztp=3.23MPa]]>内压在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ4=P2Z(Htp)2Cp=69.72MPa]]>波纹管材质的许用应力[σ]＝137MPaσ2、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σ5=Ebtp2e2H3Cf=6.67MPa]]>位移在波纹管中所产生的径向弯曲应力σ6=5Ebtpe3H2Cd=601.84MPa]]>总应力σR＝0.7(σ3+σ4)+(σ5+σ6)＝659.58MPa计算疲劳寿命 许用疲劳寿命[Nc]＝Nc/nf＝39519次疲劳寿命安全系数nf＝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＝421.5KNA-波纹管的有效面积A=πDm24=842965mm2]]>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Lb＝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＝196.43KNA-波纹管的有效面积A=πDm24=436501mm2]]>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。
专利摘要
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。
文档编号F16L51/02GK1995794SQ200610135166
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月29日
发明者杨知我, 邱广涛, 刘敏慨, 嵇向伟, 王记兵, 丁艳萍 申请人:沈阳仪表科学研究院, 沈阳汇博热能设备有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan