唐 念，鄒明偉，唐精隆，付仁鮮，付 航

（1.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 流量?jī)x表分公司，重慶 404100；2.重慶川儀軟件有限公司，重慶 404100）

0 引言

在鋼制壓力容器罐體上通常設(shè)有許多用于監(jiān)測(cè)罐體內(nèi)部液位、溫度、壓力的相關(guān)儀表，根據(jù)儀表原理，部分儀表需與罐體進(jìn)行連接并固定在罐體外壁。為保證儀表及罐體的安全穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)之初就需要充分考慮罐體預(yù)埋板及儀表支架的受力情況，確保儀表支架能夠支撐儀表的重量且不能超過(guò)罐體預(yù)埋板的載荷限值。在部分特殊行業(yè)，例如核電、石化等應(yīng)用場(chǎng)景[1]，儀表支架除了需要嚴(yán)格滿(mǎn)足載荷要求外，還需滿(mǎn)足相關(guān)的抗震要求。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通常采用結(jié)構(gòu)鋼材現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接組裝成儀表支架，在設(shè)備安裝階段將儀表支架焊接固定至罐體預(yù)埋板上。當(dāng)設(shè)備安裝調(diào)試完成，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，容器內(nèi)注入介質(zhì)后罐內(nèi)溫度壓力達(dá)到預(yù)定工況，罐體將受熱膨脹，但儀表支架與罐體預(yù)埋板相連，儀表支架仍處于常溫狀態(tài)。即使達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，支架溫度仍遠(yuǎn)低于罐體溫度。這種情況下，由于罐體預(yù)埋板間距膨脹增大，使儀表支架兩個(gè)連接點(diǎn)之間產(chǎn)生了巨大的拉力，直接導(dǎo)致預(yù)埋板及儀表支架受力超過(guò)設(shè)計(jì)載荷[2]，若實(shí)際工況中存在溫度較大范圍波動(dòng)，支架連接點(diǎn)之間產(chǎn)生的拉力隨溫度循環(huán)變化，極有可能引發(fā)金屬疲勞，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、焊縫斷裂等嚴(yán)重威脅設(shè)備及人員安全的情況[3]。傳統(tǒng)儀表支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)液位儀表安裝支架示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional liquid level instrument mounting bracket

面對(duì)上述情況，若簡(jiǎn)單將預(yù)埋板之間的剛性連接更換為浮動(dòng)連接，為保證儀表穩(wěn)固安裝則只能將儀表剛性固定在其中一個(gè)支臂上，讓另一端滑動(dòng)連接。在地震條件下，由于儀表將產(chǎn)生較大的慣性力，儀表支架各向受力將被成倍放大。與儀表固定的支臂將獨(dú)自承受由地震帶來(lái)的額外載荷，同樣也將使與該支臂固定的預(yù)埋板超過(guò)受力載荷限制。因此，從儀表安裝的角度提出一種新型的儀表支撐方法，用來(lái)解決高溫壓力容器儀表安裝可能遇到的上述情況。在滿(mǎn)足支架承載能力的同時(shí)，可以自適應(yīng)吸收由不同工況變化帶來(lái)的罐體膨脹量變化。

1 設(shè)計(jì)原理

以某系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行安全功能的水箱為例，其設(shè)計(jì)溫度達(dá)350℃，設(shè)計(jì)壓力17.2MPa，且工作時(shí)介質(zhì)溫度可能存在劇烈波動(dòng)。水箱內(nèi)的液位是系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一，其配套使用的磁浮子液位計(jì)重達(dá)100kg，安裝時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)制作液位計(jì)安裝支架并將支架通過(guò)焊接固定在罐體指定的預(yù)埋板之上，再將磁浮子液位計(jì)吊裝至安裝支架固定。由于罐體外壁承載能力有限，因而對(duì)罐體預(yù)埋板的受載情況有嚴(yán)格的要求。以往該型液位計(jì)安裝時(shí)，通常使用不銹鋼矩管焊接成支撐平臺(tái)作為液位計(jì)安裝支架，液位計(jì)從上部插入，液位計(jì)法蘭上的支座固定在矩形框架的兩邊，通過(guò)鉸制孔用螺栓使液位計(jì)與支架剛性相連。該方式能夠滿(mǎn)足大部分低溫運(yùn)行的容器或管道安裝需求，但如果直接用于高溫壓力容器罐體，由于支架剛性固定于容器罐體外表面，當(dāng)罐體升溫后，罐體膨脹將使支架固定點(diǎn)間距加大。而支架位置散熱條件較好，其溫度遠(yuǎn)低于罐體表面。按原設(shè)計(jì)支架無(wú)法吸收支架固定點(diǎn)的位移變化，將使支架兩臂之間產(chǎn)生巨大的拉力，進(jìn)而造成罐體預(yù)埋板承受遠(yuǎn)超限值的受力載荷，極易導(dǎo)致支架或罐體預(yù)埋板承受過(guò)大的載荷而發(fā)生形變，嚴(yán)重者更有結(jié)構(gòu)斷裂風(fēng)險(xiǎn)[4,5]。

從安裝支架的角度，解決上述問(wèn)題的途徑之一是避免支臂間的剛性連接。在儀表的安裝支架設(shè)計(jì)時(shí)，需要將左右支臂橫向連接斷開(kāi)，將傳統(tǒng)支架的橫向支臂兩端焊接固定改為一端焊接固定，另一端采用承臺(tái)滑動(dòng)的形式，由承臺(tái)承擔(dān)豎直向上的重力，配合腰型孔進(jìn)行前后方向的限位。從而使橫向支臂既具有了與傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)相同的承重能力，又能實(shí)現(xiàn)水平左右方向滑動(dòng)，吸收罐體熱膨脹帶來(lái)的橫向位移。因此，這種新型儀表支撐方法避免了從罐體固定點(diǎn)引出的支臂間發(fā)生剛性連接，從而從根源上避免了拉力的產(chǎn)生。同時(shí)，在滑動(dòng)端設(shè)置一組或多組彈性裝置，對(duì)儀表施加水平方向上的預(yù)緊力。在低溫狀態(tài)下，彈性裝置的預(yù)緊力通過(guò)儀表本身傳遞給與儀表剛性固定端的支臂，兩支臂間將長(zhǎng)期存在一個(gè)相互作用的拉力。當(dāng)高溫壓力容器罐進(jìn)入預(yù)定工況后，由彈性裝置吸收預(yù)埋板間距的熱膨脹量，兩支臂間拉力加大，該拉力將在地震工況下抵消水平方向上產(chǎn)生的慣性力。通過(guò)計(jì)算和調(diào)節(jié)彈性裝置預(yù)緊力大小，使儀表支架能夠滿(mǎn)足各種工況下載荷要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫壓力容器使用的儀表支撐方式必須兼顧承載能力、熱膨脹吸收和抗震性能。采用左右支臂分離形式的儀表支架，一邊支臂與儀表剛性連接，另一邊支臂則與儀表通過(guò)彈性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)柔性連接。彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)預(yù)緊力，通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)緊力大小保證支架具有足夠的承載能力和抗震性能。彈性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的加入，使得安裝支架能夠吸收一定范圍的埋板位移，從而解決了因高溫壓力容器內(nèi)介質(zhì)溫度劇烈波動(dòng)帶來(lái)的預(yù)埋板與支架連接點(diǎn)間的循環(huán)變化拉力，避免金屬疲勞。同時(shí)，彈性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力及吸收膨脹量產(chǎn)生的額外壓緊力用來(lái)抵消地震時(shí)的慣性力，從而保證了儀表支架的抗震性能。

新設(shè)計(jì)的儀表支架結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 儀表安裝支架設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of instrument mounting bracket design

根據(jù)新的儀表支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)在安裝時(shí)需計(jì)算預(yù)緊力，預(yù)緊力通過(guò)受力分析及計(jì)算的方式獲得。安裝時(shí)，按計(jì)算的預(yù)緊力通過(guò)擰緊預(yù)緊螺栓控制彈簧的壓縮量，從而給液位計(jì)施加一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)緊力。當(dāng)罐體升溫膨脹時(shí)，液位計(jì)兩組預(yù)埋板間距增大，左、右支臂受到來(lái)自預(yù)埋板的橫向拉力，彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)擋塊和拉塊間的間距隨之增大。彈簧進(jìn)一步壓縮，從而吸收罐體熱膨脹帶來(lái)的預(yù)埋板位移量。此時(shí)，液位計(jì)和安裝支架本身的重力由左、右支臂共同分擔(dān)；水平前后方向的力由腰型孔邊沿同時(shí)傳遞至左、右支臂，同樣也被左、右支臂共同分擔(dān)；彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)部分均為光滑的機(jī)加工面，摩擦力可忽略不計(jì)。因此，剩余的受力情況主要為水平左右方向上熱膨脹產(chǎn)生的拉力及地震工況下的慣性力。結(jié)合儀表安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可將儀表受力情況簡(jiǎn)化為圖3

圖3 簡(jiǎn)化受力模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simplified force model

所示模型。根據(jù)條件：液位計(jì)重量為100kg，通過(guò)安裝支架固定在預(yù)埋板上，預(yù)埋板Fx、Fy、Fz三向最大承受載荷為8KN。地震時(shí)，各向最大加速度10g。由于料液箱內(nèi)介質(zhì)最低工況溫度為20℃，最高工況溫度為290℃，預(yù)埋板間距415mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，當(dāng)料箱內(nèi)介質(zhì)達(dá)到最高工況溫度時(shí)，罐體受熱膨脹后管體預(yù)埋板間距膨脹量計(jì)算值約為2.06mm。

由于預(yù)埋板在各向載荷均不能超過(guò)8kN，而當(dāng)?shù)卣疬_(dá)到最大加速度時(shí)，液位計(jì)本身將產(chǎn)生10kN左右的慣性力。新型支架右支臂與液位計(jì)間，通過(guò)鉸制孔用螺栓連接，確保液位計(jì)與水箱罐體間無(wú)相對(duì)位移，但這也將導(dǎo)致液位計(jì)的慣性力將直接傳遞到右支臂上。為保證右支臂載荷滿(mǎn)足要求，左支臂需要通過(guò)彈簧預(yù)緊力提供一個(gè)大于2kN反向拉力F，來(lái)分擔(dān)右支臂所承受的力，但還因考慮罐體熱膨脹后，彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的彈簧將會(huì)被壓縮產(chǎn)生的額外拉力F1，兩者相加也不能超過(guò)埋板載荷限制，即要求：F≥2kN，F(xiàn)+F1≤8kN。

綜上所述，即可整理出整個(gè)液位計(jì)支架受力要求如下：

① 常溫工況下：

預(yù)埋板a受力：Fa=F≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=F≤8kN。

② 常溫、地震工況下，液位計(jì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大加速度時(shí)最大受力：

預(yù)埋板a受力：Fa=F≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=10kN-F≤8kN。

③ 高溫工況下：

彈簧彈力為F+F1（F1為增加的彈力）

預(yù)埋板a受力：Fa=F+F1≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=F+F1≤8kN。

④ 高溫、地震工況下，液位計(jì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大加速度時(shí)：

預(yù)埋板a受力：Fa=F+F1≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=10kN-(F+F1)≤8kN。

罐體熱膨脹量對(duì)于常見(jiàn)螺旋彈簧而言，壓縮量太小。為使彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更為小巧、緊湊且方便現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)調(diào)整彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力，故選擇標(biāo)準(zhǔn)碟簧[6]作為彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的彈簧。標(biāo)準(zhǔn)碟簧可以通過(guò)疊合、對(duì)合等多種方式進(jìn)行組合，且組合后的碟簧組彈力性能可通過(guò)成熟的計(jì)算公式及方法得到，因此極大方便了彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算[7,8]。根據(jù)儀表的安裝空間結(jié)構(gòu)尺寸及大致的受力情況評(píng)估，首先確定了選用碟簧的型號(hào)規(guī)格，碟簧材料選擇50CrVA。其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 碟簧規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specifications of disc spring

碟簧間的組合方式選用對(duì)合組合方式，其組合形式如圖4所示。

圖4 對(duì)合組合彈簧Fig.4 Combination spring

根據(jù)碟簧相關(guān)計(jì)算公式：

式（1）中：彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；K1為碟簧D/d系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，此處K1=0.7038，K4為與碟簧接觸面相關(guān)的計(jì)算系數(shù)。文中碟簧為無(wú)支撐面碟簧，故取K4=1。所以：

根據(jù)碟簧標(biāo)準(zhǔn)，A系列碟簧的h0/t≈0.4，由F1/FC的值可以查出f/h0的值，進(jìn)而計(jì)算得到變形量與彈簧負(fù)荷值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，由兩組14片標(biāo)準(zhǔn)碟簧組成的彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足液位計(jì)安裝支架對(duì)彈簧彈力的要求。14片對(duì)合組合碟簧組合尺寸為未受負(fù)荷時(shí)自由高度HZ=i×H0=14×2.05=28.7mm，受 負(fù) 荷1501N時(shí) 的 高 度H1=HZ-f1=28.7-14×0.202=25.872mm，當(dāng)組合碟簧吸收熱膨脹量2.06mm后，其高度為H2=23.812mm，負(fù)荷為2507N。

彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩組14片標(biāo)準(zhǔn)碟簧組成彈簧組，因此為保證預(yù)緊力達(dá)到3kN，彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 預(yù) 緊 量S=f1=14×0.202=2.828mm， 預(yù) 緊 力F=2×1.501=3.002kN，高溫情況下，預(yù)埋板間距增大2.06mm，彈簧機(jī)構(gòu)壓縮量變?yōu)?.888mm。根據(jù)彈簧彈性曲線，可以得出彈簧機(jī)構(gòu)彈力為F+F1=2×2.507=5.014kN。

將彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果代入，對(duì)埋板水平方向載荷進(jìn)行校核：

① 常溫工況下：

預(yù)埋板a受力：Fa=F=3.002kN≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=F=3.002kN≤8kN。

② 常溫、地震工況下，液位計(jì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大加速度時(shí)最大受力：

預(yù)埋板a受力：Fa=3.002kN≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=10kN-F=6.998kN≤8kN。

③ 高溫工況下：

預(yù)埋板間距增大2.06mm，彈簧壓縮量變?yōu)镾+2.06。預(yù)埋板a受力：Fa=F+F1=5.014kN≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=F+F1=5.014kN≤8kN。

④ 高溫、地震工況下，液位計(jì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大加速度時(shí)：

預(yù)埋板a受力：Fa=F+F1=5.014kN ≤8kN；預(yù)埋板b受力：Fb=10kN-F-F1=4.986kN≤8kN。

通過(guò)對(duì)幾種不同工況情況下的預(yù)埋板受載荷情況進(jìn)行計(jì)算，證明該支架及罐體預(yù)埋板受力情況可以滿(mǎn)足各種工況下的載荷要求。

根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)計(jì)算，制作了對(duì)應(yīng)的液位計(jì)支架實(shí)物樣件，并對(duì)其整體的承載性能及抗震性能進(jìn)行了系列的試驗(yàn)驗(yàn)證。最終證明，所設(shè)計(jì)的儀表支撐方案能夠滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)工況的使用要求。彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)樣件實(shí)物如圖5所示。

圖5 彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)樣例圖Fig.5 A sample diagram of the structure of the spring sliding mechanism

前文例舉的案例僅為工作中常見(jiàn)的儀表支架支撐需求之一，敘述的主要目的是展示此類(lèi)儀表支撐結(jié)構(gòu)形式的布置方法、工作原理，并簡(jiǎn)單分析、計(jì)算其受力情況。實(shí)際使用該種支撐方法時(shí)，可以根據(jù)罐體膨脹量、埋板位置、埋板載荷、地震強(qiáng)度等要求，設(shè)計(jì)更合適的彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，并通過(guò)受力分析、力學(xué)計(jì)算得出序所需要的彈簧預(yù)緊力，通過(guò)搭配不同彈簧的形式、規(guī)格、彈簧組數(shù)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配力，適應(yīng)不同需求。

3 結(jié)語(yǔ)

討論并分析了傳統(tǒng)儀表安裝支撐方法在高溫環(huán)境使用時(shí)可能存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，并提出了一種解決方法。新的儀表支撐方法與傳統(tǒng)儀表安裝支架結(jié)構(gòu)類(lèi)似，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原有的安裝空間、安裝條件影響不大，但缺點(diǎn)是需要精加工彈簧滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加了現(xiàn)場(chǎng)工作難度。新的支撐結(jié)構(gòu)可以消除罐體熱膨脹對(duì)儀表安裝支架和罐體預(yù)埋板帶來(lái)的危害，同時(shí)具備與傳統(tǒng)支架相當(dāng)?shù)某休d能力。提出的支架形式可為工程設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)安裝人員提供了一種很好的參考，合理設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝支架，確保高溫壓力容器的安全運(yùn)行。