一种膨胀缝的设计方法与流程

本发明属于高温设备技术领域，涉及一种膨胀缝的设计方法。

背景技术：

复杂的高温设备由于内部结构受热膨胀，一般会设计膨胀缝，膨胀缝主要作用是吸收高温结构的热膨胀量，膨胀缝的设计对于结构的受力和结构稳定性有重要的影响，如果设计膨胀缝过小，不能完全吸收结构的膨胀量，会增大结构本身及相连结构的受力，严重的会导致结构材料的破裂、失效；如果设计膨胀缝过大，虽然可以完全吸收结构的膨胀量，但由于膨胀缝的材质比较疏松，高温设备内的高温气流或液体容易渗入膨胀缝内，导致膨胀缝内材料发生质变，膨胀缝成为整体结构的薄弱环节。

通常在高温设备膨胀缝设计中，主要是参照过去的工程经验，但由于过去的工程有成功的案例，也有失败的案例，这些案例与膨胀缝是否有关，目前还说不清楚，但是膨胀缝作为高温结构的重要组成部分，有必要对其设计方法进行研究，以使设计更合理，对高温设备结构长寿有积极的贡献。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种膨胀缝的设计方法，适用于高温下砌砖筑成的实心或者空心的柱状结构，解决传统膨胀缝设计主要参照工程经验，缺少合理、成熟的指导方法的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种膨胀缝的设计方法，适用于柱状结构，包括以下步骤：

s1.明确设置膨胀缝的位置；

s2.计算柱状结构受热自由膨胀后的体积v1；

s3.确定柱状结构自身能吸收的热膨胀量的大小v2；

s4.计算柱状结构受热后的实际体积v3，v3＝v1-v2；

s5.计算膨胀缝的宽度w。

进一步，步骤s1中，膨胀缝围绕柱状结构的圆周面设置。

进一步，步骤s2中，柱状结构受热自由膨胀后的体积v1＝pi*(ri²-rii²)*h*(1+3*α*t)，其中，

pi为圆周率，ri为柱状结构的外半径，rii为柱状结构的内半径，h为柱状结构的高度，α为柱状结构的材料的热膨胀系数，t为柱状结构的温度。

进一步，步骤s3中，柱状结构自身能吸收的膨胀量的大小v2＝v4*γi，其中，

v4为柱状结构的所有砖缝的总体积，γi为砖缝材料的可压缩比。

进一步，步骤s5中，膨胀缝需要吸收的膨胀量的大小为：

v5＝v3-pi*(ri²-rii²)*h1＝pi*((ri+w)²-ri²)*h1*γii，其中，

h1为柱状结构受热膨胀后的高度，w为膨胀缝的宽度，γii为膨胀缝材料的可压缩比；

根据该公式解出w，即得膨胀缝的宽度。

进一步，柱状结构为实心或者具有空腔的环状。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的膨胀缝的设计方法，可以准确确定柱状结构的膨胀缝的大小，确保高温下柱状结构整体功能有效，防止热应力破坏，为膨胀缝的设计提供合理、有效的指导，适合规模化应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为柱状结构及膨胀缝的主视图；

图2为图1的俯视图。

附图标记：第一柱状结构1、第一膨胀缝11、第一砌砖12、第一砖缝13、第二柱状结构2、第二膨胀缝21、第二砌砖22、层砖缝23、放射砖缝24、炉壳3、第一柱状结构的外半径ri、第一柱状结构的高度h、第一膨胀缝的宽度w、第二柱状结构的外半径ri′、第二柱状结构的内半径rii′、第二柱状结构的高度h′、第二膨胀缝的宽度w′。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1和图2所示，本实施例提供一种膨胀缝的设计方法，用于高温炉，从内到外高温炉包括同心的第一柱状结构1、第二柱状结构2和炉壳3；第一柱状结构1铺设在高温炉的炉底，由第一砌砖12筑成，并且存在竖向(高度方向)的第一砖缝13，第一砖缝13填充有砖缝材料，第一砌砖12铺满整个炉底，从而第一柱状结构1为实心，第一柱状结构1的顶部位移不受约束，其高度方向的膨胀是自由的；第二柱状结构2呈具有空腔的环状，由第二砌砖22层层垒筑而成，并且存在第二砖缝，第二砖缝包括层与层之间的层砖缝23和每层的放射砖缝24，第二砖缝填充有砖缝材料，第二柱状结构2的顶部位移受约束，其高度方向的膨胀是受限的。

针对第一柱状结构1设计第一膨胀缝11，包括以下步骤：

s1.明确设置第一膨胀缝11的位置；第一膨胀缝11围绕第一柱状结构1的外圆周面设置，处于第一柱状结构1和第二柱状结构2之间；

s2.计算第一柱状结构1受热自由膨胀后的体积v1；由于第一柱状结构1的顶部位移未受约束，其高度方向的膨胀是自由的，计算公式为：

v1＝pi*(ri²-rii²)*h*(1+3*α*t)，其中，

pi为圆周率，ri为第一柱状结构1的外半径，rii为第一柱状结构1的内半径，因第一柱状结构1为实心，此处rii的值为零；h为第一柱状结构1的高度，α为第一柱状结构1的第一砌砖12的材料的热膨胀系数，t为第一柱状结构1的第一砌砖12的温度；

已知，pi＝3.14，ri＝1m，rii＝0，h＝0.5m，α＝0.000007m/m.℃，t＝1200℃，代入公式计算得v1＝1.6104m³；

s3.确定第一柱状结构1自身能吸收的热膨胀量的大小v2，计算公式为：

v2＝v4*γi＝h*l*w1*γi，其中，

v4为第一柱状结构1的所有第一砖缝13的总体积，l为第一柱状结构1的所有第一砖缝13在第一柱状结构1的高度方向上的累加的总长度，w1为第一砖缝13的缝宽，γi为第一砖缝13的砖缝材料的可压缩比；

已知，l＝35.288m，w1＝0.0015m，γi＝0.2，代入公式计算得v2＝0.0053m³；

s4.计算第一柱状结构1受热后的实际体积v3，计算公式为：

v3＝v1-v2＝1.6104-0.0053＝1.6051m³；

s5.计算第一膨胀缝11的宽度w，计算公式为：

v5＝v3-pi*(ri²-rii²)*h1＝pi*((ri+w)²-ri²)*h1*γii，其中，

h1为第一柱状结构1受热膨胀后的高度，w为第一膨胀缝11的宽度，γii为第一膨胀缝11的膨胀缝材料的可压缩比；

根据该公式解出w，即得第一膨胀缝11的宽度；

已知γii＝0.2，h1＝h*(1+α*t)＝0.5*(1+0.000007*1200)＝0.5042m，代入公式计算得w≈0.033m，w可取整数值0.04m。

针对第二柱状结构2设计第二膨胀缝21，包括以下步骤：

s1.明确设置第二膨胀缝21的位置；第二膨胀缝21围绕第二柱状结构2的外圆周面设置，处于第二柱状结构2和炉壳3之间；

s2.计算第二柱状结构2受热自由膨胀后的体积v1′；计算公式为：

v1′＝pi*(ri′²-rii′²)*h′*(1+3*α′*t′)，其中，

pi为圆周率，ri′为第二柱状结构2的外半径，rii′为第二柱状结构2的内半径，h′为第二柱状结构2的高度，α′为第二柱状结构2的第二砌砖22的材料的热膨胀系数，t′为第二柱状结构2的第二砌砖22的温度；

已知，h′＝1.5m，α′＝0.000005m/m.℃，t′＝800℃，第二砌砖22的厚度d＝0.27m，则

rii′＝ri+w＝1+0.04＝1.04m，ri′＝rii′+d＝1.04+0.27＝1.31m，代入公式计算得v1′＝3.0259m³；

s3.确定第二柱状结构2自身能吸收的热膨胀量的大小v2′，计算公式为：

v2′＝v4′*γi′＝(v6′+v7′)*γi′＝(y*d+pi*(ri′²-rii′²))*n*w2γi′，其中

v6′＝y*d*n*w2；

v7′＝pi*(ri′²-rii′²)*n*w2；其中，

v4′为第二柱状结构2的所有第二砖缝的总体积，v6′为所有放射砖缝24的体积，v7′为所有层砖缝23的体积，y为第二柱状结构2每层放射砖缝24的数量，n为第二柱状结构2的层数，w2为第二砖缝的缝宽，，，γi′为第二砖缝的砖缝材料的可压缩比；

已知y＝72，d＝0.27m，n＝10，w2＝0.0005m，，γi′＝0.25，代入公式计算得v2′＝0.0268m³；

s4.计算第二柱状结构2受热后的实际体积v3′，计算公式为：

v3′＝v1′-v2′＝3.0259-0.0268＝2.9991m³；

s5.计算第二膨胀缝21的宽度w′，计算公式为：

v5′＝v3′-pi*(ri′²-rii′²)*h1′＝pi*((ri′+w′)²-ri′²)*h1′*γii′，其中，

w′为第二膨胀缝21的宽度，γii′为第二膨胀缝21材料的可压缩比，h1′为第二柱状结构2受热膨胀后的高度，因第二柱状结构2的顶部位移受约束，高度方向的膨胀受限，h1′＝h′；

根据该公式解出w，即得第二膨胀缝21的宽度；

已知，γii′＝0.25，h1′＝h′＝1.5m，代入公式计算得w′≈0.003m，w′可取0.005m。

在此指出，上述所有公式中涉及到符号“*”，代表的是“乘以”的含义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。