特殊條件下快速切斷閥的支架研究

顧金濤 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

快速切斷閥作為化工工藝流程中常見的閥門型式，在自控調(diào)節(jié)方面具有重要的作用。在進行管道設計時，一般會根據(jù)閥門參數(shù)(外形尺寸，壓力等級等)進行設計，并同時考慮閥門的安裝空間及支撐。對于大管徑快速切斷閥，其質(zhì)量、體積都較大，而執(zhí)行機構與閥體連接處又非常薄弱，由于執(zhí)行機構質(zhì)量大，在離切斷閥本體存在一定距離的情況下，產(chǎn)生的力矩相對薄弱處來說非常大，足以使調(diào)節(jié)閥自身的執(zhí)行機構相對閥體出現(xiàn)一定的側向形變，很可能造成閥門在使用過程中出現(xiàn)故障。因此，更要在設計過程中對閥門支撐方案進行分析并確定，避免施工及使用過程中出現(xiàn)比較棘手的難題。本文對某項目現(xiàn)場遇到的大管徑快速切斷閥支架設計的實際問題進行研究，希望對以后的設計工作起到一定的參考作用。

1 工程案例背景

某項目廢催化劑過濾器(共6臺)需要通過設備下出口卸出催化劑，管口與自控調(diào)節(jié)閥直連，閥門重2.26t，閥門本體為球閥，自帶執(zhí)行機構，過濾器與閥門的相對位置見圖1。

圖1 設備及閥門相對位置模型

在設計文件中，沒有對與設備管口直連的閥門進行支撐設計，當閥門安裝完成后，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機構向一側傾斜，且閥門的重量已經(jīng)超過了空置狀態(tài)下的設備本體重量，現(xiàn)場人員懷疑若閥門不加支撐，可能會損壞設備。

為了確定是否需要對該閥門進行支撐，首先將該閥門所在管線的應力空視圖和催化劑過濾器設備工程圖作為設計輸入，進行管線應力計算。

計算后發(fā)現(xiàn)，管線應力較大，在將計算結果反饋給設備專業(yè)后，設備專業(yè)認為，若僅僅依靠設備管口法蘭連接來承受調(diào)節(jié)閥重量，設備本體下方的錐形結構壁厚無法滿足受力要求，由于業(yè)主在采購定型設備時，廠家未考慮管口的附加荷載，設備本體無法承受該調(diào)節(jié)閥的重量，需要采取措施對閥門進行支撐。

其它參數(shù)如下：切斷閥公稱直徑為DN400；設備工作溫度為130℃；設備有無震動：有。

設備布置見圖2。該布置圖為6m層樓面，六個廢催化劑過濾器并排布置，每個設備下方的DN400管口均連有連快速切斷閥，快速切斷閥下方連接有伸縮機構，用于卸料。卸料時，在伸縮機構下方放置空桶接料。

圖2 設備布置圖

2 支架設計的難點

設備管口距離地面3.35m，由于排出的是催化劑廢料，為避免存料，工藝要求快速切斷閥和設備管口直連，這就造成快速切斷閥門本體穿越半層EL3000平臺。同時，流程要求在快速切斷閥下直接連接了一個伸縮機構，要求伸縮機構出口距離地面1.2m，這樣造成在本來就狹小的空間內(nèi)，管架無法生根(生根將影響下方卸料)，閥門和伸縮機構的支撐極為困難，具體情形見圖1。

業(yè)主從生產(chǎn)檢驗角度還要求這6臺快速切斷閥要實現(xiàn)每2～3個月能整體拆下來檢修，支架要求設計為可拆卸式，這給支架的設計又增加了難度。

3 支架設計的方案

3.1 利用設備管口和快速切斷閥執(zhí)行機構做支撐

在之前所述的情況下，設計此閥門支撐的難點在于空間受限，找不到管架生根的著力點。因此,打算采用三點支撐原理，利用設備管口和水平放置的快速切斷閥執(zhí)行機構做支撐點，形成三點支撐，達到支撐快速切斷閥和伸縮機構的目的，見圖3。

圖3 切斷閥三點支撐示意圖

3.2 在快速切斷閥本體法蘭上做支撐

利用設備管口和快速切斷閥執(zhí)行機構做支撐，設備管口受力過大會被損壞，快速切斷閥執(zhí)行機構較長，力矩較大，也無法承受整個閥門的重量，因此這兩種設計思路不可行，又沒有其它可以供管架生根的著力點，只好在快速切斷閥本體上想辦法。

共討論出兩種方案：

(1)在閥體上焊支耳，通過支耳做過渡。但儀表廠家表示快速切斷閥本體上不能焊接，會損傷內(nèi)部密封，該設計思路同樣不可行。

(2)考慮螺栓連接，可供螺栓連接的地方只有快速切斷閥的法蘭連接處。

因此，通過對以上兩種方案分析比較，在快速切斷閥本體法蘭上做支撐理論上是可行的。

4 支撐點的確定

設備在運行時會有震動，考慮此種情況需要增加彈簧，因此將運行工況條件及設備、閥門參數(shù)整合起來進行應力計算。考慮到不同的支撐點，通過計算得到了四種支撐方案，見圖4。

圖4 應力計算模型

下面分別進行說明：

支撐方案1：調(diào)節(jié)閥閥體四點支撐，執(zhí)行機構二點支撐，共六個支撐點。其中，執(zhí)行機構115點受力673N，125點受力955N，閥體單點受力5500N，執(zhí)行機構與閥體連接法蘭處受力1266N。

支撐方案2：閥體四點支撐，執(zhí)行機構不支撐，共四個點支撐。閥體單點受力6500N，執(zhí)行機構與閥體連接法蘭處受力2788N。

支撐方案3：閥體二點支撐，執(zhí)行機構不支撐，共二個點支撐。閥體單點受力13500N，執(zhí)行機構與閥體連接法蘭處受力2788N。

支撐方案4：調(diào)節(jié)閥閥體兩點支撐，執(zhí)行機構兩點支撐，共四個支撐點。其中，執(zhí)行機構115點受力647N，125點受力947N，閥體單點受力12500N，執(zhí)行機構與閥體連接法蘭處受力1299N。

綜上，經(jīng)過四個方案支撐效果的對比，并同時考慮現(xiàn)場的實際情況及將來的拆卸檢修，最終選擇了方案4來進行閥體的支撐。

5 支撐點處的支架設計

5.1 閥體的支撐設計

經(jīng)各方討論，最后確定的設計方案是，在調(diào)節(jié)閥與伸縮機構的法蘭連接處增加鋼板，詳見圖5。

圖5 切斷閥閥體上的支撐詳圖

鋼板厚度t=20mm，材料為Q-345B，在鋼板上開螺栓孔，夾在法蘭之間進行連接，螺栓使用加長螺栓。鋼板上沿設加筋肋板，增大支撐強度。安裝時，鋼板伸出來的兩端直接采用所選彈簧進行支撐，從而對閥體實現(xiàn)彈性支撐。

5.2 執(zhí)行機構的支撐

在所選方案中，執(zhí)行機構兩端也需要進行彈性支撐。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，共提出了兩種支撐方案。

方案1：執(zhí)行機構為圓柱形氣缸，因此可在氣缸兩端各增設一個U型管卡，然后管卡再與吊桿及彈簧連接，在框架6m層樓面梁上生根，U型管卡樣式見圖6。

圖6 U形管卡示意圖

方案2：通過觀察發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行機構氣缸兩側各有一組吊耳，用于運輸支撐。基于此，可把現(xiàn)有的吊耳利用起來。

對比兩種方案，方案1沒有現(xiàn)成的U形管卡，需要現(xiàn)場制作，且執(zhí)行機構最外側有一圈鋼筋，管卡被鋼筋擋住，無法支撐在執(zhí)行機構本體上，只能支撐在鋼筋上。而方案2則可直接利用現(xiàn)有吊耳，比較簡單方便。另外，方案1的上部結構也比方案2復雜。

綜上所述，最終選擇了方案2為執(zhí)行機構的支撐方案。通過討論，認為可以將吊桿通過螺栓與吊耳連接。由于工期緊張，現(xiàn)場沒有現(xiàn)成的吊桿，因此采用了以鋼筋代替吊桿的方案，然后鋼筋再與彈簧連接，鋼筋上部與框架6m層樓面梁連接；彈簧兩側均用鋼筋連接，彈簧上方的鋼筋做成了鉤子形狀，與下邊的彈簧及上方的梁上吊孔連接。

但安裝時，發(fā)現(xiàn)了一個問題，一些調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構的吊耳沒有朝向正上方，無法直接連接。經(jīng)過與業(yè)主及施工單位溝通，現(xiàn)場將執(zhí)行機構上的螺母擰下來，將連有吊耳的鋼筋與正上方的鋼筋互換(不能只移動吊耳位置，因為鋼筋長度不一樣，連接吊耳的鋼筋長度要長一些)，該問題得以解決。

6 結構處理

6.1 結構條件

該切斷閥比較特殊，根據(jù)工藝要求，閥門上的密封需要三個月更換一次，因此該閥門需要三個月拆下來一次，這就要求閥體及執(zhí)行機構的支撐結構也要能夠拆卸，否則會影響閥門的拆卸。

所以，給結構專業(yè)提支撐條件時，經(jīng)與業(yè)主及結構專業(yè)討論，提出了能夠拆卸的結構支撐條件。

6.2 結構支撐方案

切斷閥結構支撐做成了可拆卸式，根據(jù)荷載要求，采用H型鋼(型鋼具體型號見圖7)做成了倒門型支架，支架與樓面鋼梁的連接處采用螺栓連接，彈簧的支撐型鋼與倒門型鋼架的連接也采用螺栓連接，所有支撐部件均可拆卸。

結構圖見圖7及圖8，圖中結構的支撐標高為示意，實際標高需要根據(jù)現(xiàn)場鋼板支撐位置高度及彈簧高度進行調(diào)整。由于閥門重量過大，結構專業(yè)對支撐設備支耳的鋼梁強度也進行了核算，荷載余量滿足要求。

圖7 結構支撐圖(平面)

圖8 結構支撐圖(立面)

施工完畢后，現(xiàn)場效果如圖9所示。

圖9 調(diào)節(jié)閥結構支撐實物圖

從圖中可以看出，豎直型鋼與樓面鋼梁通過螺栓連接，型鋼端部焊接了鋼板，然后在樓面鋼梁及鋼板上鉆孔，通過螺栓連接，并且在二者之間增加了肋板進行加強處理。

執(zhí)行機構的兩個支撐點采用彈簧吊架進行支撐，通過現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行機構上方框架6m層樓面處，有滿足支撐條件的鋼梁，直接利用即可，不必再單獨進行設計。

7 對以后設計工作的啟發(fā)

該工程案例具有一定的典型性，該問題是在現(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)并處理的。基于此，以下對該類型的問題進行系統(tǒng)化梳理，力爭在以后的設計過程中，把所有問題解決在設計階段。具體流程如下：

(1)大管徑快速切斷閥與設備管口豎向直連或裝在豎直管道上時，由于執(zhí)行機構重量會對管線應力產(chǎn)生影響，在收到儀表資料后，第一時間要查找是否有關于閥門重量的信息，若沒有，及時向儀表專業(yè)咨詢，最好由儀表廠家提供閥體和執(zhí)行機構各自的重量。

(2)應力計算時，須將儀表閥門及膜頭重量信息輸入應力計算程序，確定是否需要在閥門本體及執(zhí)行機構上進行支撐(確定有無彈簧)。

(3)若需要對閥門本體及執(zhí)行機構進行支撐，可能在閥體或膜頭上有支撐，須及時向儀表專業(yè)反饋，要求廠家在閥門本體上焊接支撐點，同時在膜頭上也做出可供下方支撐或上方吊架生根的結構。

(4)根據(jù)工藝要求，并結合拆卸檢修空間判斷結構支撐是否可拆卸,并在條件中標明。

(5)根據(jù)廠家在做的支撐點位置及應力專業(yè)計算出的荷載及拆卸要求，向結構專業(yè)提出相應的支撐條件。

(6)若閥門與設備管口直連，還可以與設備專業(yè)商量通過增強管口荷載的方式承受閥門重量，若設備壁厚不足以承受該強度，還可以增大設備壁厚，這是比較理想的方案，可以省去閥門的支撐問題，此時向結構專業(yè)提設備支撐條件時需要在設備重量的基礎上增加閥門重量。

(7)若閥門水平安裝，可以考慮從閥體上及執(zhí)行機構上進行豎向支撐。

在設計過程中，需要考慮全面，能在設計中解決的問題就盡量不要去現(xiàn)場解決，參考以上7個步驟，在以后遇到類似問題時，基本能夠在設計階段合理地解決，從而提高現(xiàn)場的施工效率。

8 結語

閥門支架是支架設計中很重要的一部分，常見而又有一定的特殊性。支架的具體型式與閥門的外形關系較為密切，不同功能類型和不同廠商的閥門差異往往導致閥門支架的結構變化較大，這就對閥門的支架設計造成了一定的困難。

本文以某項目工程案例中大管徑切斷閥遇到的支撐問題為案例，詳細論證了不同支撐方案的特點，并結合現(xiàn)場實際情況選出了最合適的閥門支撐方案，也對解決過程中遇到的問題及處理過程進行了說明，最后總結了相關的注意事項，希望可以為以后的設計及施工提供一些參考。