30미터 길이의 탄소강 증기 라인은 시동할 때마다 20℃에서 210°C까지 가열됩니다. 완전히 억제된 온도 상승은 파이프 벽에 400MPa가 넘는 열 응력을 생성하며(탄소강의 항복 강도보다 훨씬 높음) 라인 자체는 축을 따라 약 70mm 성장합니다. 앵커, 플랜지, 장비 노즐은 이를 수용할 수 없습니다. 직선 파이프에 대한 실용적인 엔지니어링 대답은 축방향 확장 벨로우즈입니다. 즉, 종방향 움직임을 흡수하여 시스템의 나머지 부분이 허용 하중 내에 유지되는 주름진 금속 요소입니다.
올바른 축방향 확장 벨로우즈를 선택하려면 필요한 축방향 이동, 설계 압력, 설계 온도 및 예상 사이클 수명이라는 네 가지 숫자가 필요합니다. 이를 올바르게 수행하면 벨로우즈가 수십 년 동안 라인을 사용할 수 있습니다. 잘못 이해하면 몇 달 내에 계획되지 않은 종료를 계획하게 될 것입니다. 아래 섹션에서는 축 확장 벨로우즈의 작동 방식, 기본 열 데이터에서 크기를 조정하는 방법, 현장 오류가 일반적으로 시작되는 위치에 대해 설명합니다.
축방향 확장 벨로우즈란 무엇입니까?
축 확장 조인트 또는 축 금속 보상 장치라고도 하는 축 확장 벨로우즈는 파이프 중심선과 평행한 변위를 흡수하기 위해 직선 파이프에 설치된 유연한 구성 요소입니다. 핵심 요소는 벽이 얇은 주름진 스테인레스 스틸 튜브입니다. 각 회선은 작은 환형 스프링처럼 휘어지며, 조립된 벨로우즈는 강성 파이프보다 훨씬 더 유연하기 때문에 거의 모든 종방향 움직임이 앵커와 노즐로 전달되는 대신 회선 내부에서 이루어집니다. 이러한 어셈블리는 증기 분배, 온수, 열 전달 유체, 극저온 전달 라인 및 엔진 배기 덕트 등 직선 연결에 열 보상이 필요한 모든 곳에 사용됩니다.
완전한 축 확장 조인트에는 일반적으로 다음 부품이 포함됩니다.
- 벨로우즈 요소 — 유연성을 제공하고 압력을 유지하는 단일 겹 또는 다중 겹 스테인리스 강(304/316L 또는 고온 작업용 니켈 합금).
- 끝 연결 - 기존 배관 등급에 맞게 선택된 맞대기 용접 끝단, 느슨한 플랜지 또는 용접 플랜지.
- 내부 흐름 라이너 - 흐름을 원활하게 유지하고 난류를 줄이며 입자 침식으로부터 주름을 보호하는 벨로우즈 내부의 얇은 슬리브입니다.
- 외부커버 - 실외, 지하 또는 절연 설치용 보호 재킷.
- 제한 또는 타이 로드 - 특별한 구성에서만 사용됩니다. 순수 축 조인트는 일반적으로 이를 생략하므로 움직임을 제한하는 것이 없습니다.
그림 1은 아이소메트릭 컷어웨이의 주요 부품을 보여줍니다.
그림 1. 축방향 확장 벨로우즈의 주요 구성요소(등각 단면).
304 스테인레스 스틸을 사용한 유연한 금속 보정 장치 골판형 팽창 이음 이 축방향 확장 벨로우즈는 배관 시스템의 열 성장을 흡수합니다. 304 스테인리스강 또는 탄소강으로 제작된 이 제품은 최대 1.6MPa의 압력을 지원하며 물, 증기 및 오일 응용 분야에 적합합니다. 제품보기 → 축 확장 벨로우즈가 열 이동을 처리하는 방법
열팽창은 의견이 아니라 물리학의 문제입니다. 벨로우즈가 흡수해야 하는 성장은 표준 공식으로 계산됩니다.
ΔL = L × α × ΔT
여기서 L은 직선 파이프 길이(미터), α는 파이프 재료의 선형 열팽창 계수(mm/m·°C)(탄소강의 경우 약 0.0123), ΔT는 온도 상승(°C)입니다. 그 결과 확장 조인트가 두 앵커 사이에서 수용해야 하는 축 방향 이동(밀리미터)이 생성됩니다.
아래 차트는 100°C 상승 시 일반 재료로 구성된 10m 파이프의 계산된 성장을 보여줍니다. 예를 들어, 스테인리스강은 같은 길이의 탄소강보다 약 40% 더 성장합니다. 이는 벨로우즈 이동 등급을 다시 확인하지 않고 라인을 탄소강에서 스테인리스강으로 전환할 때 중요한 사실입니다.
그림 2. 100°C 온도 상승에 따른 파이프 10m당 열팽창은 일반적인 선형 열팽창 계수로 계산됩니다.
벨로우즈는 축을 따라 압축하거나 확장하여 이러한 성장을 흡수합니다. 낮은 축 스프링 비율은 앵커에 가해지는 반력을 작게 유지하지만 이동 용량은 유한합니다. 이것이 바로 다음 단계가 적절한 선택 계산인 이유입니다.
주요 선택 기준: 움직임, 압력, 온도 및 사이클 수명
필요한 축 이동이 알려지면 이것이 사양의 중심이 됩니다. 아래 꺾은선형 차트는 수요가 얼마나 빠르게 증가하는지 보여줍니다. 30m 탄소강 라인의 경우 온도가 25°C 상승할 때마다 필요한 이동 거리가 약 9mm 추가됩니다.
그림 3. 온도 상승 대비 30m 탄소강 라인의 계산된 축 성장(α = 0.0123mm/m·°C).
운동
계산된 증가량은 최소 용량입니다. 시작 과도 현상, 지반 침하 및 설치 공차에 대해 최소 20~30%의 여유를 추가한 다음 정격 이동을 자유 길이의 플러스 및 마이너스 값으로 지정합니다.
압력
모든 벨로우즈에는 최대 허용 작동 압력이 있습니다. 압력이 높을 때 다중 겹 벨로우즈는 스프링 비율을 더 낮게 유지하면서 동일한 총 두께의 단일 겹보다 더 많은 강도를 제공합니다. 강도만을 위해 더 큰 직경으로 점프하지 마십시오. 직경이 클수록 앵커가 견뎌야 하는 압력 추력이 더 높아집니다.
온도
설계 온도는 벨로우즈 재료의 허용 응력을 직접 설정합니다. 표준 304/316L 스테인리스강은 최대 약 550°C까지 대부분의 유틸리티 서비스를 지원하지만 온도가 높을수록 크리프가 가속화되고 피로 수명이 단축됩니다. 인코넬과 같은 니켈 합금은 혹독한 고온 작업에 적합하도록 지정되었습니다.
사이클 수명
금속 벨로우즈는 유한한 피로 수명을 가지며 EJMA 설계 실습에서는 해당 수명을 이동 진폭과 직접 연결합니다. 즉, 사이클당 스트로크가 클수록 벨로우즈가 견딜 수 있는 사이클은 줄어듭니다. 자주 순환하는 라인의 경우 하나의 짧은 벨로우즈를 한계까지 밀어붙이는 대신 더 많은 컨볼루션과 더 낮은 스트로크를 가진 벨로우즈를 선택하십시오.
표 1에는 표준 축 확장 벨로우즈의 일반적인 범위가 요약되어 있습니다. 정확한 값은 직경, 재료, 플라이 수 및 제조업체의 설계 계산에 따라 달라집니다.
| 매개변수 | 기호 | 단위 | 일반적인 범위 |
|---|---|---|---|
| 공칭 직경 | DN | mm | DN25 – DN600 |
| 벨로우즈당 축 운동 | Δx | mm | ±10~±100 |
| 설계압력 | P | MPa | 0.1 – 2.5 |
| 설계온도 | T | °C | -196~550 |
| 축방향 스프링율 | Kx | N/mm | 20 – 2000 |
| 플라이 수 | n | - | 1 – 6 |
| 예상 사이클 수명 | N | 사이클 | 1,000 – 100,000 |
축형 vs. 측면 vs. 범용 — 어떤 구성이 필요합니까?
축방향 벨로우즈는 변위가 자체 축을 따라 올 때 효과적입니다. 실제 배관은 종종 옆으로 이동하기도 하며, 여기에서 구성을 선택하게 됩니다. 방사형 차트는 세 가지 주요 계열을 정성적인 1~5 척도로 비교하며, 높을수록 좋습니다.
그림 4. 신축이음 유형의 정성적 비교(1~5, 높을수록 좋음) 점수는 표준 계산이 아닌 일반적인 엔지니어링 균형을 반영합니다.
- 축방향 expansion joint — 벨로우즈 1개, 컴팩트하고 경제적이며 양쪽 끝에 고정된 긴 직선 작업을 위한 최고의 선택입니다.
- 측면 expansion joint - 측면 변위를 흡수하면서 압력 추력을 포함하는 타이 로드가 있는 벨로우즈; 오프셋 및 소형 플랜트 레이아웃에서 일반적입니다.
- 유니버설 expansion joint - 중간 파이프로 연결된 두 개의 벨로우즈; 더 긴 길이와 약간 더 높은 앵커 힘의 대가로 단위 비용당 가장 큰 변위 용량을 제공합니다.
특정 라인에 대해 이러한 옵션을 평가하는 경우 다음 사항에 대한 논의가 필요합니다. 다양한 서비스 조건에 따라 금속 호스 및 보상기 솔루션을 비교하는 방법 각 가족의 실질적인 한계를 자세히 설명합니다.
배관 시스템용 금속 호스 및 보정 장치 공급업체 이 공급업체 목록에는 금속 호스 및 보상기 옵션이 포함되어 있으며 제조 역량과 인증이 강조되어 있습니다. 다양한 서비스 조건에 대한 유연한 솔루션을 비교하고 벨로우즈 고장의 근본 원인을 평가할 때 유용합니다. 제품보기 → 일반적인 실패 모드 및 이를 방지하는 방법
조기 벨로우즈 고장은 하나의 극적인 사건으로 인해 발생하는 경우가 거의 없습니다. 현장 유지 관리 검토에서는 대략 아래와 같은 비율로 동일한 소수의 근본 원인이 계속해서 나타나는 것으로 나타났습니다.
그림 5. 보고된 벨로우즈 서비스 실패의 대략적인 분포; 비율은 예시적이며 산업 및 운영 조건에 따라 다릅니다.
- 부식 — 염화물, 산 및 산성 유체는 304/316L을 공격합니다. 공격적인 매체의 경우 더 두꺼운 벽에 의존하는 대신 더 높은 합금으로 이동하십시오.
- 피로 cracking — 벨로우즈가 정격 사이클 수명을 초과하고 있거나 시스템이 예상된 사양보다 훨씬 더 자주 사이클됩니다.
- 과도한 확장 or misalignment — 벨로우즈는 불완전한 파이프 정렬을 수정하는 데 사용되거나 앵커가 미끄러졌습니다. 벨로우즈는 정렬 도구가 아닌 움직임 흡수 장치입니다.
- 워터해머 or overpressure — 서지 이벤트로 인해 컨볼루션이 한계를 넘어섰습니다. 라인에 급속 폐쇄 밸브가 있는 경우 일시적인 부하를 확인하십시오.
- 제조 결함 — 용접 불량이나 운송 중 발생한 패임은 나중에 균열이 될 수 있습니다. 수령시 검사는 저렴한 보험입니다.
이러한 메커니즘이 어떻게 발전하는지 단계별로 살펴보려면 다음 리뷰를 참조하세요. 산업용 파이프라인에서 금속 벨로우즈가 작동하지 않는 이유 일반적인 손상 순서를 안내합니다.
표준, 인증 및 문서화
완전한 조사에서는 치수뿐만 아니라 설계 표준을 지정해야 합니다. 축 확장 벨로우즈에 대해 가장 일반적으로 요구되는 문서는 다음과 같습니다.
| 표준 | 범위 | 왜 중요한가요? |
|---|---|---|
| EJMA 표준 | 금속 벨로우즈 신축 이음 장치의 설계 및 피로 계산 | 대부분의 제조업체 카탈로그에 있는 스프링율, 무브먼트 등급 및 수명 예측의 기초 |
| EN 14917 | 압력 적용을 위한 금속 벨로우즈 확장 조인트 | 유럽 프로젝트 승인을 위한 잘 알려진 경로 |
| ASME B31.1 / B31.3 | 전력 및 공정 배관 | 앵커, 가이드 및 로드 케이스에 대한 시스템 수준 규칙 |
| GB/T 12777 | 금속 벨로우즈 확장 조인트 - 일반 기술 조건 | 아시아 태평양 조달에 널리 사용되는 중국 국가 표준 |
| EAMA | 금속 확장 조인트에 대한 유럽 지침 | 유럽 제조업체 간의 관행 조화 |
견적을 요청할 때 제안된 설계에 대한 기술 데이터시트, 기본 배치도 및 수명 계산을 요청하세요. ISO 9001에 따라 약 20년 동안 스테인리스강 벨로우즈를 생산해 온 Haoyin (Ningbo) Bellows Technology와 같은 성숙한 품질 시스템을 갖춘 제조업체는 이 문서를 패키지의 표준 부분으로 제공합니다.
축 확장 벨로우즈에 대해 자주 묻는 질문
축방향 팽창 벨로우즈란 무엇입니까?
공정 압력을 유지하면서 열팽창으로 인한 축방향 확장과 압축을 흡수하기 위해 직선 파이프에 설치된 주름진 금속 부품입니다.
축방향 확장 조인트와 만능 확장 조인트의 차이점은 무엇입니까?
축 조인트는 하나의 벨로우즈를 사용하고 파이프 축을 따른 움직임만 흡수합니다. 유니버설 조인트는 두 개의 벨로우즈를 중간 파이프와 쌍으로 연결하여 측면 및 결합된 움직임도 흡수합니다.
금속 벨로우즈 익스펜션 조인트의 최대 축방향 움직임은 얼마입니까?
표준 설계는 일반적으로 직경, 회선 수 및 필요한 사이클 수명에 따라 ±10mm ~ ±100mm를 제공합니다. 다중 벨로우즈 배열로 더 큰 움직임이 가능합니다.
축방향 확장 벨로우즈 설계에는 어떤 표준이 적용됩니까?
가장 일반적인 참조는 EJMA 표준, EN 14917, ASME B31.1/B31.3 및 GB/T 12777입니다. 적용 가능한 표준은 일반적으로 프로젝트 엔지니어링 사양에 설정됩니다.
축방향 팽창 벨로우즈가 고온을 견딜 수 있습니까?
스테인레스 스틸 304/316L 벨로우즈는 일반적으로 통제된 조건에서 최대 약 550°C까지 사용됩니다. 더 높은 온도의 경우 인코넬과 같은 니켈 기반 합금이 지정됩니다.
벨로우즈가 흡수해야 하는 축 이동을 어떻게 계산합니까?
ΔL = L × α × ΔT를 사용합니다. 여기서 L은 파이프 길이, α는 파이프 재료의 열팽창 계수, ΔT는 온도 상승입니다. 선택을 위해 20~30%의 여유를 추가하세요.
