空分冷箱内井字形管道支架许用荷载计算

周金娟，宋军帅，尹本宽

(开封空分集团有限公司 设计研究院，河南 开封 魏都路 189号　475004)



空分冷箱内井字形管道支架许用荷载计算

周金娟，宋军帅，尹本宽

(开封空分集团有限公司 设计研究院，河南 开封 魏都路 189号475004)

随着空分等级大型化，冷箱内管道支架设计的合理性成为影响其安全运行的重要因素之一。对于大管径的管道一般采用井字形支架。通过对井字形管道支架的许用荷载进行计算，为设计人员设计合理的管道支架提供了理论依据。

空分；冷箱；井字形管道支架；许用荷载

1　空分设备冷箱内井字形管道支架许用荷载计算的必要性

随着空分等级大型化，冷箱内管道支架设计的合理性成为影响其安全运行的重要因素之一。空分冷箱内的设备和管道的材料一般为5083或5052的铝材，而管道支架一般直接生根在设备上，因此组成管道支架的型材选用铝材。

目前，国家标准、行业标准及各类参考文献在支架的受力计算时均针对钢制材料，而对铝制材料的管道支架研究很少。设计人员在设计管道支架时往往凭借经验，所设计的管道支架要么强度不够，要么为了保证强度而一味的增加型材的尺寸，造成材料的浪费；另外，在空分冷箱内管道支架的型式有多种，大管径管道一般采用井字形支架。针对以上两个问题，本文将对井字形管道支架的许用荷载进行理论计算。

2　空分设备冷箱内井字形管道支架许用荷载计算

2.1井字形管道支架型式及组成

本论文所设计的井字形管道支架的结构如图1所示，图中支架由横梁、横撑和斜撑组成，型材选用槽铝。在制作时，各部件之间以焊接方式连接，焊接型式为直角角焊缝。

2.2支架许用荷载计算

在正常工作条件下，管道承受Fx、Fy、Fz三个方向的力，方向如图1所示。三个方向的力通过管道垫板和支耳传递到支架上。本节将分别计算三个方向的力许用值。

1. 垫板；2. 支架；3. 支耳；4. 管道垫板

2.2.1直角角焊缝强度计算许用荷载

垂直于焊缝长度方向的应力：

平行于焊缝长度方向的应力：

2.2.2支架所能承受的Fx最大值计算

Fx通过C、C’处的支耳传递到横梁AD、A’D’上，P、Q处的支耳不受力。因此横梁AD和A’D’分别在C和C’处承受Fx/2作用，为简化计算斜撑不承担力，因此计算模型可简化为图2所示的6次超静定结构。

结构对称，荷载反对称，可根据《结构力学》[2]中“对称结构在反对称荷载作用下，其内力和位移都是反对称的”，取结构的一半为基本结构，简化为二次超静定结构，采用力法进行受力分析，最终得到结构的内力图如图3所示，切应力的影响很小可忽略不予计算。

图2　Fx作用下简化后的计算模型

弯矩图

轴力图

对横梁，A(A’)处为危险截面：

(3)

对横撑，E(E’) 处和D(D’)处均为危险截面：

式中，M为弯矩，F为轴力，A为型材的截面面积，Wy为型材y-y轴的抗弯截面系数，[σ]为型材许用应力。

利用式(1)和式(3)～(5)求解所得到的Fx值进行比较，取最小值为Fx的许用值。

2.2.3支架所能承受的Fy的最大值计算

Fy通过P、Q处的支耳传递到横撑EE’和DD’上，C、C’处的支耳不受力。对横撑EE’和DD’，在中点P、Q分别承受Fy/2的力，方向与Fy相同。在Fy/2力的作用下，横撑在y方向受弯，最大弯矩为FyL/16。因此，对横撑：σmax=Mmax/Wy=FyL/(16Wy)≤[σ]，所以，

横撑两端的支座反力为Fy/4剪力和FyL/16弯矩，并由横梁AD和A’D’承受，同样为了简化计算斜撑不承担力，如图4所示。

图4　Fy作用下横梁受力图(M=FyL/16)

因此横梁的端点A和A’为危险截面：

利用式(1)、(6)、(7)求解得到的Fy值进行比较，取最小值为Fy的许用值。

2.2.4支架所能承受的Fz的最大值计算

在Fz作用下，每个支耳上承受Fz/4荷载，作用到支架上的C、C’、P和Q点处。首先对横撑在z方

向受弯，弯矩最大值为FzL/32，因此最大正应力为：σmax=Mmax/Wx=FzL/(32Wx)≤[σ]，所以，

式中，Wx为型材x-x轴的抗弯截面系数。

横撑两端的反力为Fz/8的剪力和FzL/32的弯矩。因此，对由横梁和斜撑组成的三角架，在E点和D点分别承受Fz/8的力和FzL/32的扭矩，在C点承受Fz/4的力。由于切应力很小，扭矩的作用可忽略，分析时可简化为在C点承受Fz/2的竖直向下的力，如图5所示。

图5　Fz作用下横梁受力图

横梁所承受的轴向拉力为N1=Fz/(2tanα)，斜撑所承受的轴向压力为N2=Fz/(2sinα)。

对横梁：σ=N1/A=Fz/(2Atanα)≤[σ]，所以，

Fz≤2A[σ]tanα(9)

为了使斜撑在受压过程中不发生弯曲变形，需对其进行稳定性分析，因此对斜撑：

σ=N2/(φA)=Fz/(2φAsinα)≤[σ]，所以，

Fz≤2φA[σ]sinα(10)

式中，α为横梁与斜撑的夹角，本论文取30°～60°，φ为斜撑的稳定系数[3]。

3　计算结果及结论

利用本论文第2节所得到的计算公式，对空分冷箱内500≤DN≤800管道进行计算。支架型材选用U100×48×6.3的槽铝，L’取固定值250 mm，计算结果如表1所示。

表1　不同管径下井字形管道支架的许用荷载值

根据表1中的计算结果可以得出：

1. 由焊缝强度计算得出的许用荷载值很大，在设计时可不予与考虑；

2. 当型材不变时，Fx和Fy的许用值随管径的增大而减小。另外当管径较小时，Fz的许用值由横梁决定，当管径增大到一定程度后其值将由横撑决定。这是由于随管径增大，横撑的长度L增大，弯矩变大，从而导致许用荷载变小。因此对于大管径管道，设计管架时，可考虑在横梁和横撑之间增加小横撑，使力均匀分配到横撑上，从而增大其许用荷载值。

4　结束语

本论文为井字形管道支架许用荷载的计算提供了参考依据。设计人员在设计管架时可根据具体情况选择合适的型材和管架型式，保证了管架的安全可靠性，同时避免了材料的浪费。

[1] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].

[2] 张德姜，王怀义，刘绍叶. 石油化工装置工艺管道安装设计手册[G]. 3版. 北京：中国石化出版社，2005.

[3] 李廉锟. 结构力学(上册)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2004.

一种膜分离水溶氦气提取系统

申请(专利)号：201610357846.X

公开(公告)日：2016-07-27

申请(专利权)人：天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司

摘要：本发明公开了一种膜分离水溶氦气提取系统，脱硫罐下部出口连接脱氢罐；脱氢罐出口连接冷干机；冷干机出口连接氦气膜分离器；氦气膜分离器渗透气出口连接真空泵；质量流量控制器出口连接脱氢罐入口；脱氢罐入口连接在线氢分仪；脱氢罐及质量流量控制器均连入PLC显示控制模块。在催化剂的作用下，氢气与空气中的氧气发生化和反应消除氢气，空气中残留的氮气对含氦水溶气中的氦气提取不构成影响；脱硫、脱氢后的含氦水溶气经过冷干机脱水至100～1000ppm后进入氦气膜分离器进行氦气提取；富集氦气的渗透气经过真空泵送出界外进行收集；贫氦的非渗透气外排。

氪、氙气纯化用吸气剂及其制备方法

申请(专利)号：201410577612.7

公开(公告)日：2016-06-29

申请(专利权)人：武汉钢铁(集团)公司 大连华邦化学有限公司

摘要：本发明涉及一种氪、氙气纯化用多元合金吸气剂及其制备方法，解决了现有吸气剂存在的针对性较差、处理能力不足、损耗大、易粉化、寿命短等问题。所述多元合金吸气剂中锆成分含量占50%～65%，铝成分含量占10%～20%，铁成分含量占5%～10%，钛成分含量占2%～10%，镧成分含量占3%～5%，硅成分含量占3%～5%，其余为不可避免的杂质。所述方法包括合金单质的预处理、合金熔炼和合金的粉碎过程。本发明吸气剂对高纯度氪、氙气体(99.999%)的纯度要求，抗原料气碳氟化合物、氧氮化合物波动范围大、对原料气杂质吸附容量大、对原料气杂质脱除深度高、使用温度范围宽(300-1000℃)、不粉化、使用寿命长。

一种复合储氢材料的制备

方法及其应用

申请(专利)号：201510558213.0

公开(公告)日：2015-12-16

申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一二研究所 湖北长海新能源科技有限公司

摘要：本发明公开了一种复合储氢材料的制备方法，先将氯化铝与硼氢化锂以摩尔比为1:2-1:4的比例均匀混合，然后对上述混合物在低温下进行恒温加热，再将加热产生的气体通入高交联多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物，即得硼氢化铝/高交联多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物复合材料，作为氢源材料，可于较低的加热温度下获得大量高纯氢气，制备工艺简单，易于实现，而且成本适中；还公开了其应用，用于释放氢气。

Allowable Load’s Calculation for Well-Shaped Pipe Support in the Cold Box of Air Separation

ZHOU Jinjuan, SONG Junshuai, YIN Benkuan

( KFAS Research and Development Institute, 189 Weidu Road, Kaifeng 475004, China)

With the large-scale of air separation plant, the rationality of pipe support in cold box becomes one of the important factors affecting the safe operation. Well-shaped pipe support is commonly used for large diameter pipes. Through calculating the allowable load for well-shaped pipe support, a theoretical basis is provided to the designer in designing reasonable pipe support.

air separation; cold box; well-shaped pipe support; allowable load

2016-04-15

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0016-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.005

周金娟(1987)，女，毕业于南京航空航天大学工程力学专业，现在开封空分集团设计研究院从事压力管道设计工作。