石化設備特殊彈性支撐①

李進良 田大鵬 郭衛疆

(華陸工程科技有限責任公司)

石化設備特殊彈性支撐①

李進良 田大鵬 郭衛疆

(華陸工程科技有限責任公司)

石油化工設備及其連接管道系統無法通過自然補償或增設補償器來吸收熱位移、釋放二次應力時，利用設備彈性支撐可解決連接管線的二次應力超標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，運用CAESAR Ⅱ軟件對設備普通剛性支撐和彈性支撐進行模擬并對計算結果進行了對比。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行了對比，為同類型設計提供參考。

化工設備 氣缸支撐 CAESAR II 熱位移

化工裝置中設備和管道常工作于高溫、高壓的嚴苛環境下，這些管道在設計時需要進行管道應力分析。一些標準(如GB 50316-2000(2008年版)、GB/T 20801-2006、ASME31.3)[1～3]在壓力管道應力計算的某些方面規定了大的原則，對于細節并未做出具體規定，因此如何確定管道應力需要制訂詳細的規則，其細節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補償器來吸收熱位移、釋放熱應力時，就需要設計人員通過一系列方法降低管口力，將它調整至允許范圍之內。對于不同的裝置和設備，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，有的是在設備管口處增加補強板以增強管口處的強度，還有的可以將一些附屬原件添加到設備系統中。這些添加的附屬原件，其中一類就是用于改變設備支撐方式，提高整個設備系統在空間上的柔性，將由熱膨脹產生的力盡可能釋放，以此減小設備管口的受力[5]。利用設備彈性支撐可有效解決設備外接管口及其連接管線的熱應力超標問題，避免設備管口拉裂、法蘭泄漏等危害安全生產和操作人員人身安全的重大事故[6，7]。

1 設備彈性支撐的特點及作用

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

a. 工藝要求苛刻，管道自身柔性不足，無法通過優化管道走向、增加自然補償的方式解決問題[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，如介質中帶有催化劑的管道；

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

針對以上幾種情況，設備彈性支撐不僅可以吸收設備及其連接管道的熱位移，釋放熱應力，還可以減少管線自然補償彎的敷設占地空間，對于工況苛刻、特種材料的管線更可以節省管道材料，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

按照設備布置規劃和特點，彈簧可以做成支

撐擱置型，設備支耳或支座直接放在彈簧上，如為了減小設備的摩擦力，可以將彈簧的支撐面做成不銹鋼鏡面或增設聚四氟乙烯墊板；彈簧也可以做成吊架，這種型式也可以消除設備的自重引起的摩擦力。但是，對于熱位移很大的設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。如果受到設備布置空間的限制，或者受到設備本身附件的干擾，無論擱置型或吊架彈簧都不現實。

2.2氣缸彈性支撐

設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；但是氣缸需要氣源，一定要保持氣源的穩定性。在運行過程中氣缸的受力恒定，荷載變化率為0，而國內外的恒力彈簧的荷載變化率也僅能控制在5%以內。

3 氣缸支撐的原理

當氣源通入氣缸，設備產生熱位移時，氣缸的活塞受到由氣源產生的向上的力和設備載荷產生的向下的力，當這兩個力達到平衡時，活塞就會達到一個穩定的狀態，在氣源壓力溫度的情況下氣缸產生的力為恒值。

4 實例分析

如圖1的流程所示，某化工廠有一臺裙座式反應器，塔頂介質出口熱位移約180mm，出口介質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。立式換熱器的進口位移約10mm，管道材料為鎳基合金，管道介質溫度約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，計算結果見表1，管口校核見表2，反應器和換熱器管口載荷都比較大，且按照當量壓力法進行法蘭泄漏校核未通過。

圖2 初始模型

項目工況FxFyFzMxMyMz反應器出口操作工況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，計算結果見表3，管口校核見表4，管口載荷大大降低，法蘭泄漏校核，法蘭的負載率大大降低。

4.3兩種支撐分析結果對比

由計算結果可以看出如果換熱器改為彈性支撐，不僅可以滿足應力計算的要求，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約了成本。但是通過查閱恒力彈簧支吊架 標準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

項目工況FxFyFzMxMyMz反應器出口操作工況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果

4.4氣缸參數的確定

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行應力計算，用彈簧的位移和載荷來選取氣缸。根據計算結果，8個彈簧的熱位移為186.597mm，每個彈簧的載荷為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. 根據彈簧的位移選擇氣缸的沖程為200mm；

c. 最終確定氣缸的參數為沖程200mm，氣缸直徑320mm。

5 氣缸支座使用注意事項

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現支撐。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，通過單向節流閥控制和調節氣源的流量，實現對氣缸運動速度的控制。

6 結束語

石化設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根據布置需要，盡量用較小的空間來實現彈性支撐功能。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現彈性支撐。由于目前的應力分析軟件沒有氣缸的計算模型，故考慮在計算時用彈簧模型來進行應力計算，用計算出的彈簧參數來確定氣缸的參數。

[1] GB 50316-2000(2008年版)，工業金屬管道設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2008．

[2] GB/T 20801-2006，壓力管道規范工業管道[S].北京：中國國家標準化管理委員會，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.壓力管道與設備連接處管口推力計算的對比和討論[J].化工機械，2015，42(6)：802～806．

[5] 陳杰.特殊支撐部件在化工設備上的應用[J].化工機械，2017，44(2)：224～227.

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

[7] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京： 中國石化出版社，2010.

[8] 宋岢岢.應力分析與工程應用[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

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

TQ05

A

0254-6094(2017)05-0537-04

2017-04-23，

2017-09-14)