上海智霖环保工程有限公司
管道压力试验报告
第二篇：带膨胀节管道进行压力试验时
带膨胀节管道进行压力试验时
的加固措施及其力学分析
天钢东移2000mm高炉工程热风炉冷风管道试压工作于20xx年10 3
月进行，冷风管道系统的鼓风机出口压力为O.5MPa，热风炉冷风管道的工作压力为0.37MPa，设计规定强度试验压力为0.456MPa，管道直径最大为Φ1600×14，材质为Q235，管道为卷焊管。管道上安装了波纹膨胀节。
<<工业金属管道工程施工及验收规范>>GB50235—97中，第7.5节 压力试验，第7.5.2条 压力试验前应具备下列条件中，第7.5.2.3 款规定：管道上的膨胀节已设置了临时约束装置。为防止膨胀节在试 压过程中因为受到管道轴向拉力的作用产生拉伸变形，根据该规定， 管道在试压前对波纹膨胀节均进行了加固。
加固的方法如图1所示，用3块厚度(用t表示)为20mm的钢板， 加工成高度为(用h表示)1lOmm的门形，均布的焊接固定在膨胀节两侧的管道上，使得试压时的拉力由门形钢板承担。
在试验压力达到0.28MPa时，3#热风炉冷风支管Фl600×14上 的波纹膨胀节出现了问题，膨胀节出现了拉伸变形（拉长了30～65mm），加固的门型钢板产生了弯曲和拉伸塑性变形。
针对这一问题，根据材料力学对加固措施进行理论计算和分析。
一、试验压力下的受力计算
1.试验产生的轴向拉力
管道内截面积S：
S=丌/4 ×1602（cm2）=3.14/4 ×1602= 20096（cm2） 试验压力为Pl=0.28MPa时的轴向拉力：
P1 = pl×S = 0.28MPa ×20096 cm2 = 562688(N)
试验压力为p2 = 0.456MPa时的轴向拉力：
P2 = p2×S = 0.456MPa×20096 cm2 = 916378(N)
2、轴向拉力(P1、P2)对门型加固板产生的拉应力
门型加固板截面积A = 110高× 20厚×3块 = 6600mm2 σpl = Pl／A = 56268.8kg／66cm2 = 853kg／cm2 = 85.3 MPa
σp2 = P2／A = 91637.8kg／66cm2 = 1389kg／cm2 = 138.9 MPa
3、轴向拉力对门型加固板产生的弯矩及弯曲应力(在a-a截面) 轴向拉力对门形加固板产生的最大弯矩：
M1 = P1÷3×H = 562688N÷3×215mm = 40325973(N mm)
M2 = P2÷3×H = 916378N÷3×215mm = 65673757(N mm)
截面抗弯摩量Wz = t×h2÷6=20×1102÷6=40333(mm3) 由M产生的弯曲正应力：
σml = M1／Wz = 40325973(N mm)／40333(mm3) = 999.8 M Pa
σml = M2／Wz=65673757(N mm)／40333(mm3) = 1628 M Pa
4、拉伸和弯曲产生的最大组合应力
σl = σP1+σml = 85.3 MPa + 999.8 MPa = 1085 MPa
σ2 =σP2+σm2 = 138.9 MPa+1628 MPa = 1767 MPa
5、许用拉伸应力
对塑性材料：
许用应力[σ]= σ0／n(极限应力／安全系数)= σS／n
对于材质Q235 ，σs = 235MPa 取n ＝ 2
[σ]= σs／n = 235／2 = 117.5 MPa
6、很显然，σ1、σ2的数值都远大于许用应力值
σ1 = 1085 MPa >σs ＝ 235MPa
σ2 = 1767 MPa >σs ＝ 235MPa
二、分析
1、每个膨胀节设置了3块加固板，如果将加固板数量增加到8块并加大截面尺寸至200mm×20mm(H相应增大到250mm)，则： 轴向力P = P2 = 916378(N)
门型加固板截面积A=200高×20厚×8块 = 32000mm2
拉应力σp = p2／A = 916378N／32000mm2 = 28.6 MPa
弯矩M = p÷8×H = 916378N÷8×250mm = 28636813(N mm) 截面抗弯摩量Wz = t×h2÷6 = 20×2002÷6=133333(mm3) 弯曲应力σm = M／Wz = 28636813(N mm)／133333(mm3) = 214.8MPa
最大组合应力 σ = σp+σm = 28.6 MPa + 214.8 MPa = 243 MPa
σ = 243 MPa > σs = 235 MPa
可见，即使增加了加固板的数量且加大加固板尺寸，技术上也不可取。而且8块加固钢板的重量总共达到350公斤，材料消耗也较大。
2、从上面的数据中可以看出，弯曲应力与拉伸应力的比值分别为：σm1／σp1 = 11.7、
σm2／σp2 = 11.7、
σm／σp = 7.5，
说明：弯矩对加固板的影响要比拉力的影响大的多。
因此，改变加固方法，尽可能不产生弯矩是很重要的。
三、采用螺杆连接的加固方法
1、用螺杆拉紧焊接在波纹膨胀节两侧管道上的固定板，螺杆与 固定板之间为铰接，管道试压时产生的轴向拉力不会对螺杆产生弯矩，螺杆只承受轴向拉力。对螺杆的强度计算就只计算拉伸应力。如下：
考虑用6条M36螺杆，其有效截面积为S
S = 6×817 mm2 = 4902 mm2
轴向拉力 P = 916378(N)
拉应力σ = P／S = 916378／4902 = 187 MPa
安全系数n = σs／σ= 235÷1 87 = 1.26倍
2、当已知螺杆尺寸和数量，求能承受的试验压力时，可以参考以 下计算方法：
例如：用6条M24螺栓，试压压力最大为多少?
有效截面积为S = 6×3.53 cm2 = 2118 mm2
若取安全系数n = 1.5倍
则P = 235×2118 = 497730(N) = 49773 kgf
P = 试压压力×丌×(1600／2)2
试压压力 = 497730／丌×640000 = 0.2477 MPa
结果：仅靠6条M24螺杆，当试压压力达到0．2477 MPa时，螺杆
便产生塑性变形。
四、结论
1、设计有膨胀节的管道进行压力试验时，需要对膨胀节进行加固，推荐采用螺杆连接的加固方法。
压力试验前，对膨胀节进行如上图示方法进行加固，此种结构至 少在圆周均布多点，并且对焊缝、筋板、拉杆进行详细的抗剪、抗弯、 抗拉强度计算。
2、不应使用的加固方法
在施工中，过去采用如下图示的加固型式，这是不可取的，容易 造成事故。除非迫不得已，必须对焊缝及使用的材料有详细的力学计 算，并将计算结果及详细资料报公司技术部门审核批准方可采用。
根据天钢东移2000mm3高炉热风炉冷风管道波纹膨胀节试压时出 现的事故，我进行了详细的理论计算和分析，从技术上找到了解决问 题得办法，得出上述结论。
关于膨胀节的加固方法，我在机装分公司技术人员培训时，专门 编制了培训讲稿，并向技术人员做了讲解。 ．
徐兰柱
天津二十冶机装分公司
20xx年9月6日
