李進(jìn)良 田大鵬 郭衛(wèi)疆

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

石化設(shè)備特殊彈性支撐①

李進(jìn)良 田大鵬 郭衛(wèi)疆

(華陸工程科技有限責(zé)任公司)

石油化工設(shè)備及其連接管道系統(tǒng)無法通過自然補(bǔ)償或增設(shè)補(bǔ)償器來吸收熱位移、釋放二次應(yīng)力時(shí)，利用設(shè)備彈性支撐可解決連接管線的二次應(yīng)力超標(biāo)和法蘭泄漏校核問題。介紹了普通彈性支撐和氣缸支撐的特點(diǎn)，運(yùn)用CAESAR Ⅱ軟件對設(shè)備普通剛性支撐和彈性支撐進(jìn)行模擬并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。介紹了確定氣缸載荷、沖程的過程，討論了新型氣缸支撐的選型方法，對氣缸支撐和普通的彈簧彈性支撐進(jìn)行了對比，為同類型設(shè)計(jì)提供參考。

化工設(shè)備 氣缸支撐 CAESAR II 熱位移

化工裝置中設(shè)備和管道常工作于高溫、高壓的嚴(yán)苛環(huán)境下，這些管道在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行管道應(yīng)力分析。一些標(biāo)準(zhǔn)(如GB 50316-2000(2008年版)、GB/T 20801-2006、ASME31.3)[1～3]在壓力管道應(yīng)力計(jì)算的某些方面規(guī)定了大的原則，對于細(xì)節(jié)并未做出具體規(guī)定，因此如何確定管道應(yīng)力需要制訂詳細(xì)的規(guī)則，其細(xì)節(jié)問題則由分析人員自行把握[4]。在工藝要求苛刻、管道布置空間有限的情況下，無法通過改善管道自身柔性或增設(shè)補(bǔ)償器來吸收熱位移、釋放熱應(yīng)力時(shí)，就需要設(shè)計(jì)人員通過一系列方法降低管口力，將它調(diào)整至允許范圍之內(nèi)。對于不同的裝置和設(shè)備，滿足管口受力的方法也不盡相同，有的是直接改變相連管道的走向，有的是在設(shè)備管口處增加補(bǔ)強(qiáng)板以增強(qiáng)管口處的強(qiáng)度，還有的可以將一些附屬原件添加到設(shè)備系統(tǒng)中。這些添加的附屬原件，其中一類就是用于改變設(shè)備支撐方式，提高整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)在空間上的柔性，將由熱膨脹產(chǎn)生的力盡可能釋放，以此減小設(shè)備管口的受力[5]。利用設(shè)備彈性支撐可有效解決設(shè)備外接管口及其連接管線的熱應(yīng)力超標(biāo)問題，避免設(shè)備管口拉裂、法蘭泄漏等危害安全生產(chǎn)和操作人員人身安全的重大事故[6，7]。

1 設(shè)備彈性支撐的特點(diǎn)及作用

設(shè)備彈性支撐與管道彈性支撐相似，主要用于釋放設(shè)備、管道的熱位移，減小熱應(yīng)力。其特點(diǎn)是設(shè)備自重較大，一般遠(yuǎn)大于其連接管道，彈性支撐需均布在設(shè)備各個(gè)耳軸或鞍座上；設(shè)備的彈性支撐主要應(yīng)用于以下幾種場合：

a. 工藝要求苛刻，管道自身柔性不足，無法通過優(yōu)化管道走向、增加自然補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q問題[8]，如塔與立式再沸器的連接管道；

b. 不易使用波紋管膨脹的系統(tǒng)，如介質(zhì)中帶有催化劑的管道；

c. 兩設(shè)備布置空間緊湊，但熱位移差別又很大，管道走向受限，如反應(yīng)器頂部出口至耳式換熱設(shè)備的管線。

針對以上幾種情況，設(shè)備彈性支撐不僅可以吸收設(shè)備及其連接管道的熱位移，釋放熱應(yīng)力，還可以減少管線自然補(bǔ)償彎的敷設(shè)占地空間，對于工況苛刻、特種材料的管線更可以節(jié)省管道材料，減少投資成本，且給檢修操作提供方便，布置更美觀。

2 氣缸設(shè)備彈性支撐和彈簧彈性支撐的對比

2.1彈簧彈性支吊架

按照設(shè)備布置規(guī)劃和特點(diǎn)，彈簧可以做成支

撐擱置型，設(shè)備支耳或支座直接放在彈簧上，如為了減小設(shè)備的摩擦力，可以將彈簧的支撐面做成不銹鋼鏡面或增設(shè)聚四氟乙烯墊板；彈簧也可以做成吊架，這種型式也可以消除設(shè)備的自重引起的摩擦力。但是，對于熱位移很大的設(shè)備無論是擱置型或吊架彈簧的體積和高度都會比較大，且對于載荷很大的擱置型彈簧做成彈簧箱高度降低也不明顯。如果受到設(shè)備布置空間的限制，或者受到設(shè)備本身附件的干擾，無論擱置型或吊架彈簧都不現(xiàn)實(shí)。

2.2氣缸彈性支撐

設(shè)備的支座直接放置在氣缸的頂部，氣缸彈性支撐的主要特點(diǎn)是體積小便于布置，選擇合適的柱塞直徑和沖程即可；但是氣缸需要?dú)庠矗欢ㄒ３謿庠吹姆€(wěn)定性。在運(yùn)行過程中氣缸的受力恒定，荷載變化率為0，而國內(nèi)外的恒力彈簧的荷載變化率也僅能控制在5%以內(nèi)。

3 氣缸支撐的原理

當(dāng)氣源通入氣缸，設(shè)備產(chǎn)生熱位移時(shí)，氣缸的活塞受到由氣源產(chǎn)生的向上的力和設(shè)備載荷產(chǎn)生的向下的力，當(dāng)這兩個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，活塞就會達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，在氣源壓力溫度的情況下氣缸產(chǎn)生的力為恒值。

4 實(shí)例分析

如圖1的流程所示，某化工廠有一臺裙座式反應(yīng)器，塔頂介質(zhì)出口熱位移約180mm，出口介質(zhì)中帶有顆粒狀催化劑，出口管道接入塔頂附近的立式耳式支座換熱器。立式換熱器的進(jìn)口位移約10mm，管道材料為鎳基合金，管道介質(zhì)溫度約450℃，壓力0.7MPa。

圖1 流程簡圖

4.1換熱器固定支撐分析

CAESAR II中初始模型如圖2所示，換熱器支座固定，計(jì)算結(jié)果見表1，管口校核見表2，反應(yīng)器和換熱器管口載荷都比較大，且按照當(dāng)量壓力法進(jìn)行法蘭泄漏校核未通過。

圖2 初始模型

項(xiàng)目工況FxFyFzMxMyMz反應(yīng)器出口操作工況47-30899-572-100256-2812995安裝工況-745-14291-43247145455316換熱器入口操作工況-47915857210879554682安裝工況745-745043817130895

注：Fx、Fy、Fz為x、y、z方向的力，N；Mx、My、Mz為x、y、z方向的彎矩，N·m。

表2 換熱器固定支撐管口法蘭泄漏校核結(jié)果

4.2換熱器彈性支撐分析

如圖3所示將換熱器支座改為彈簧支座，管道按距離最短布置，計(jì)算結(jié)果見表3，管口校核見表4，管口載荷大大降低，法蘭泄漏校核，法蘭的負(fù)載率大大降低。

4.3兩種支撐分析結(jié)果對比

由計(jì)算結(jié)果可以看出如果換熱器改為彈性支撐，不僅可以滿足應(yīng)力計(jì)算的要求，而且管道布置也可以滿足距離最短的要求，對于特材管道來說更是節(jié)約了成本。但是通過查閱恒力彈簧支吊架 標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47038-2013[9]，彈簧無論采取支架還是吊架，其高度都在近2m，彈簧的布置存在問題，無法滿足布置的要求，故考慮采用氣缸支座。

圖3 改為彈性支撐后模型圖

項(xiàng)目工況FxFyFzMxMyMz反應(yīng)器出口操作工況0-203330-451200安裝工況0-203330-451200換熱器入口操作工況0-37950-2621100安裝工況0-37950-2621100

注：Fx、Fy、Fz為x、y、z方向的力，N；Mx、My、Mz為x、y、z方向的彎矩，N·m。

表4 換熱器彈性支撐管口法蘭泄漏校核結(jié)果

4.4氣缸參數(shù)的確定

由于CAESAR II軟件中彈性支撐僅有彈簧模型，沒有氣缸模型，因此只能采用彈簧模型來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，用彈簧的位移和載荷來選取氣缸。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，8個(gè)彈簧的熱位移為186.597mm，每個(gè)彈簧的載荷為55 856N的恒力彈簧。氣缸的氣源壓力為0.7MPa。氣缸選取過程如下：

a. 根據(jù)彈簧的位移選擇氣缸的沖程為200mm；

c. 最終確定氣缸的參數(shù)為沖程200mm，氣缸直徑320mm。

5 氣缸支座使用注意事項(xiàng)

由于氣缸的變形原理與彈簧不同，恒力彈簧是靠彈簧的變形改變位移量，彈簧的受力是不變的；而氣缸是靠氣源與受力對柱塞的平衡來實(shí)現(xiàn)支撐。為了保持氣源壓力恒定，需要用減壓閥控制壓力，然后通過二位五通雙電控閥來提供氣缸支座的支撐力，通過單向節(jié)流閥控制和調(diào)節(jié)氣源的流量，實(shí)現(xiàn)對氣缸運(yùn)動速度的控制。

6 結(jié)束語

石化設(shè)備彈性支撐是解決一些管道柔性不足的重要方法。選擇彈性支撐形式應(yīng)根據(jù)布置需要，盡量用較小的空間來實(shí)現(xiàn)彈性支撐功能。對于載荷和位移較大的彈性支吊架，如彈簧體積受限，可考慮采用氣缸支座來實(shí)現(xiàn)彈性支撐。由于目前的應(yīng)力分析軟件沒有氣缸的計(jì)算模型，故考慮在計(jì)算時(shí)用彈簧模型來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，用計(jì)算出的彈簧參數(shù)來確定氣缸的參數(shù)。

[1] GB 50316-2000(2008年版)，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008．

[2] GB/T 20801-2006，壓力管道規(guī)范工業(yè)管道[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008．

[3] ASME B31.3-2014，Process Piping[S]. New York：The American Society of Mechanical Engineering，2015．

[4] 潘建華，謝中友，艾志斌，等.壓力管道與設(shè)備連接處管口推力計(jì)算的對比和討論[J].化工機(jī)械，2015，42(6)：802～806．

[5] 陳杰.特殊支撐部件在化工設(shè)備上的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，2017，44(2)：224～227.

[6] 楊洋，李一曼，劉丹，等.化工設(shè)備彈性支撐設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2016，53(5)：39～42.

[7] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京： 中國石化出版社，2010.

[8] 宋岢岢.應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2011.

[9] NB/T 47038-2013，恒力彈簧支吊架[S].北京：新華出版社，2013.

DesignofSpecialElasticSupportforPetrochemicalEquipment

LI Jin-liang,TIAN Da-peng, GUO Wei-jiang

(HualuEngineeringamp;TechnologyCo.,Ltd.)

In case that petrochemical equipment and its connecting piping system fail to absorb thermal displacement and to release the secondary stress through the natural compensation or via the additional compensator, the use of elastic support equipment can solve excessive secondary stress of the connection line and flange leakage problems. The characteristics of common elastic support and cylinder support were introduced and making use of CAESAR Ⅱ software to simulate the equipment’s elastic and rigid supports was implemented, including the comparison between the simulation and calculation results, the determination of cylinder load and travel, the discussion of new cylinder support selection, the comparison between the cylinder support and ordinary spring elastic support so as to provide a reference for similar designs.

chemical equipment, cylinder support, CAESAR II, thermal displacement

李進(jìn)良(1983-)，工程師，從事管道應(yīng)力分析的研究，ljl2284@chinahualueng.com。

TQ05

A

0254-6094(2017)05-0537-04

2017-04-23，

2017-09-14)