化工設備彈性支撐和滑動支撐研究

杜宇明

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

在石油化工裝置中，由于設備和管道的操作溫度、材質等不同，以及設備支撐高度、管口直連要求等因素的影響，造成在設備管口處的熱位移量不同，進而產生熱應力。在無法通過增加管道自身柔性或增設補償器來吸收熱位移、釋放熱應力時，利用增加設備彈性支撐和滑動支撐的方式，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，避免發生設備管口拉裂、法蘭泄露等危害安全生產和操作人員人身安全的重大事故[1-2]。

2 設備彈性支撐和滑動支撐的作用

設置彈性支撐和滑動支撐的主要目的是釋放設備和管道的熱位移，降低熱應力。主要用于以下3 種場合。

1）不能通過改變管道走向、增加管道柔性實現自然補償的系統。例如，配管空間限制、工藝直連要求、節省特種管線材料、成本控制等情況。

2）不能使用波紋管膨脹節的系統。如含有光氣等劇毒介質的管道，使用膨脹節可能產生泄漏；介質黏度較高的管道，使用膨脹節容易堵塞管道。

3）設備隨管道產生較大熱位移的情況。

對于以上3 種情況，設備的支撐采用彈性支撐或者滑動支撐，可以有效吸收設備及相連管道的熱位移，釋放熱應力。同時，可以避免管線自然補償和膨脹節的使用，優化管道系統，減少管道材料，增強安全性，降低成本，使設備布置和配管更加方便和美觀。

如圖1 所示，塔和再沸器直連，H1為N1管口與裙座的距離，H2為N2管口與再沸器上管板的距離，H3為再沸器上管板與支耳的距離，在某操作溫度下，N1管口有向上的熱位移量ΔH1，N2管口有向上的熱位移量ΔH2和ΔH3。

圖1 塔和再沸器直連

當ΔH1與ΔH2+ΔH3不相等時，即管口N1和N2在豎直方向上的熱位移量不相等，產生熱應力，需要在再沸器的支耳下設置彈性支撐，吸收熱位移，消除熱應力。

當ΔH1與ΔH2+ΔH3相等時，即管口N1和N2在豎直方向上的熱位移量相等，沒有產生熱應力，再沸器的支耳下不必設置彈性支撐。

圖1 中，L 為塔和再沸器在水平方向上的中心距，在某操作溫度下，管口N1和N2之間有水平方向上的熱位移量ΔL，產生水平方向推力。此時，可以在再沸器的支耳下設置滑動支撐，吸收水平方向的熱位移，消除水平推力引起的管口力超標。

3 設備彈性支撐形式

設備彈性支撐主要依靠可變彈簧（彈簧箱）、恒力彈簧、氣缸等支撐來實現。根據支撐方式的不同，可以分為彈性支架和彈性吊架。

3.1 彈性支架

彈性支架是在設備的支耳或鞍座下方設置可變彈簧支架、彈簧箱、氣缸等對設備做彈性支撐。

如圖2 所示，某分離項目精制塔與一個塔底再沸器，兩個塔中冷凝器和一個塔頂冷凝器直連。塔體在某操作溫度下產生豎直向上的熱位移。通過CAESAR II 計算，確定再沸器和冷凝器工作載荷和位移，確定彈性支撐形式，如表1 所示。

表1 再沸器和冷凝器彈性支撐的選用

圖2 與塔直連設備的彈性支架

塔底再沸器位于塔的底部，管口距離塔底裙座較近，熱位移量較小，在工作載荷不大的情況，選用可變彈簧支撐可以滿足要求；如果工作載荷較大，需要選用彈簧箱。

塔中冷凝器與塔直連，豎直方向上熱位移較大，如果選取可變彈簧，彈簧的大小和高度顯著增大，在安裝空間有限的情況下，選用彈簧箱支撐可降低彈簧高度，滿足支撐要求。另外，由于彈簧箱內部有2 個以上的彈簧，且頂部荷重板接觸面比可變彈簧要大，因此，彈簧箱支撐設備比可變彈簧要安全和穩定。

塔頂冷凝器位于精制塔頂部，與塔直連，其鞍座下一般設置氣缸支撐。與彈簧支撐不同，氣缸支撐通過引入恒定壓力的外部氣源推動氣缸內活塞平穩提升，對放置在氣缸上的設備提供恒定的支撐力。氣缸所能提供的支撐力與氣源壓力和氣缸活塞面積成正比，并且氣缸的行程可以根據設備的熱位移量進行設計。因此，在彈簧支撐無法滿足設備荷載和位移要求的情況下，氣缸支撐可以有效解決設備大荷載和大位移的問題。

需要注意的是，外加氣源的穩定是保證氣缸支撐平穩可控的首要條件，是保證設備平穩運行的基礎。在化工生產過程中，要杜絕氣源壓力不穩定甚至是斷氣的情況。

3.2 彈性吊架

彈性吊架是在設備各個耳軸上方，采用可變彈簧吊架或恒力彈簧吊架等，通過吊桿懸吊設備。

當設備支耳下安裝空間有限，或設備存在水平位移，無法采用彈性支撐時，可將設備支耳改為耳軸，采用可變彈簧吊架或恒力彈簧吊架對設備進行懸吊。彈簧和設備之間采用吊桿懸吊，允許吊桿有微小的擺角，以此吸收設備的水平位移。

如圖3 所示，某塔底再沸器，由于設備筒體長度太短，受空間限制無法安裝彈簧支架，只能采用恒力彈簧吊架。

圖3 恒力彈簧支吊架

表2 中對各種類型彈簧做了對比。根據管道安裝要求，在位移和載荷較小的情況下，可以選擇可變彈簧和彈簧箱支撐；對于大位移和大載荷的情況，可以選擇恒力彈簧或氣缸支撐。

表2 彈簧適用位移和載荷對比

4 設備滑動支撐形式

設備滑動支撐主要通過增加摩擦板或滾輪來實現，可分為摩擦板支撐和滾輪支撐。

4.1 摩擦板支撐

摩擦板支撐主要是在設備支耳或鞍座下增加聚四氟乙烯墊板，降低設備與支撐結構之間的摩擦系數，減小摩擦力，使設備可以在水平方向上有微小的滑動。在使用摩擦板支撐時，應考慮設備自重的影響，保證設備可以滑動釋放熱應力。

工程實例中，在使用聚四氟乙烯墊板時，要求在設備的支耳或鞍座底面焊接同尺寸3 mm 厚不銹鋼鏡面板，不銹鋼鏡面板下方設置5～6 mm 厚的聚四氟乙烯墊板，并用定位環將聚四氟乙烯墊板固定在基板上，基板采用四周間斷角焊技術（焊腳高度為6 mm，焊縫長度為6 mm，焊縫間距為15 mm）固定在支撐梁上。

由于摩擦板支撐通過設備滑動來釋放熱應力，為保證設備能夠正常滑動，在現場安裝聚四氟乙烯墊板時，嚴禁在不銹鋼鏡面板和聚四氟乙烯墊板表面刷漆，并避免有焊渣等雜質濺落在兩者表面。

在大多數情況下，塔底再沸器在豎直方向和水平方向均有位移量，彈性支架和滑動支撐同時存在，此時，在彈性支架和設備支耳間增加摩擦板來消除水平推力。

4.2 滾輪支撐

當設備自重較大，增加摩擦板支撐無法使設備滑動時，需要采用滾輪支撐。滾輪支撐是在設備的支耳、鞍座或裙座下設置滾輪或滾珠，進一步降低設備與支撐結構之間的摩擦系數[3]，使設備可以有微小的水平位移[4]。

某反應器和沉降槽直連，沉降槽總設計載荷60 000 kg，裙座支撐。由于反應器和沉降槽之間水平推力過大，且設備自重較大，在沉降槽底部安裝滑動支撐箱，如圖4 所示。滑動支撐箱的摩擦系數為0.03，設計軸向位移7 mm，采用阻燃型油脂潤滑。每個滑動支撐箱穿過設備地腳螺栓就位。設備整體放置在滑動支撐箱上，滑動支撐箱和設備裙座通過螺柱固定。

圖4 滑動支撐箱

5 結語

化工設備的彈性支撐和滑動支撐，目的是解決設備管口受力超標的問題，在選用時，應根據應力計算結果，并綜合考慮設備特點、空間占用、安全穩定等因素，經過具體分析后確定。本文介紹了各種彈性支撐和滑動支撐在石油化工裝置中的應用，為化工設備熱應力的消除提供了思路。