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管道热膨胀与自然补偿计算

求热胀量 → 判是否需要补偿 → 给出 L 形自然补偿短臂最小长度与冷紧量建议 · 对应《管道应力分析与工程应用》第三章

1. 材料与温度 α / E / 许用应力随温度自动取值

管材
安装温度 T0
℃
操作温度 T1
℃
当量循环次数
决定位移应力范围的折减系数 f
α 线膨胀系数
×10⁻⁶/℃
E 弹性模量
GPa
[σ]c 冷态
MPa
[σ]h 热态
MPa
α、E、许用应力为内置工程参考值,随材料与温度自动填入,可直接修改覆盖;正式设计请按 GB/T 20801.2 等标准核实。

2. 管子规格与几何

公称直径
外径 Do
mm
壁厚 t
mm
计算长度 L
m
两固定点(锚点/设备管口)之间的展开长度;有分支时分段计算再叠加
冷紧比 k

3. 计算结果

—
请输入参数

过程量

项目符号数值说明

补偿方案建议

方案控制尺寸 / 参数取值备注
公式与适用条件(点开核对)

① 自由热膨胀量 ΔL = α · L · ΔT,α 取"20 ℃ 至计算温度的平均线膨胀系数",ΔT = T1 − T0。

② 完全约束热应力(理论弹性值) σ = E · α · ΔT。两端完全固位、位移被全额约束时的弹性应力;实际管系因柔性会低于此值,用于判断量级是否危险。

③ 位移应力许用范围 [σ]A = f · (1.25[σ]c + 0.25[σ]h)。这是二次应力(位移应力范围)的校核基准,与一次应力校核相互独立。

④ L 形自然补偿短臂最小长度(导向悬臂法) Ls = √(3 · E · Do · ΔL / [σ]A),E 用 MPa、Do 与 ΔL 用 mm,结果 mm。适用:L 形管系、短臂垂直于长臂、长臂足够长、两端近似固支;忽略弯管柔度增强时结果偏保守。

⑤ 冷紧 冷紧量 C = k · ΔL;冷紧不改变位移应力范围,只改变冷态与热态对固定点推力的分配:冷态约 −k·P,热态约 (1−k)·P。

⑥ 当量推力 P = σ · As,As = π/4 · (Do² − Di²)。表中给出两个口径:按许用应力反算的允许上限,与完全约束的理论值(后者通常远超屈服,仅作量级参考)。

公式为行业通用口径,非某本具体书籍的原文抄录。Ls 属于初估:正式设计请用应力软件建模,或按 GB 50316 / ASME B31.3 / SH/T 3041 的图表法、弹性中心法复核,并计入弯管柔度系数与应力增强系数。