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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2000mm3高炉工程热风炉冷风管道试压工作于2003年10
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×20096cm2=562688(N)
试验压力为p2=0.456MPa时的轴向拉力：
P2=p2×S=0.456MPa×20096cm2=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=85.3MPa
σp2=P2／A=91637.8kg／66cm2=1389kg／cm2=138.9MPa
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(Nmm)
M2=P2÷3×H=916378N÷3×215mm=65673757(Nmm)
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(Nmm)／40333(mm3)=999.8MPa
σml=M2／Wz=65673757(Nmm)／40333(mm3)=1628MPa
4、拉伸和弯曲产生的最大组合应力
σl=σP1+σml=85.3MPa+999.8MPa=1085MPa
σ2=σP2+σm2=138.9MPa+1628MPa=1767MPa
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=117.5MPa
6、很显然，σ1、σ2的数值都远大于许用应力值
σ1=1085MPa>σs＝235MPa
σ2=1767MPa>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=28.6MPa
弯矩M=p÷8×H=916378N÷8×250mm=28636813(Nmm)
截面抗弯摩量Wz=t×h2÷6=20×2002÷6=133333(mm3)
弯曲应力σm=M／Wz=28636813(Nmm)／133333(mm3)=214.8MPa
最大组合应力σ=σp+σm=28.6MPa+214.8MPa=243MPa
σ=243MPa>σs=235MPa
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