石化设备特殊弹性支撑①

李进良 田大鹏 郭卫疆

(华陆工程科技有限责任公司)

石化设备特殊弹性支撑①

李进良 田大鹏 郭卫疆

(华陆工程科技有限责任公司)

石油化工设备及其连接管道系统无法通过自然补偿或增设补偿器来吸收热位移、释放二次应力时，利用设备弹性支撑可解决连接管线的二次应力超标和法兰泄漏校核问题。介绍了普通弹性支撑和气缸支撑的特点，运用CAESAR Ⅱ软件对设备普通刚性支撑和弹性支撑进行模拟并对计算结果进行了对比。介绍了确定气缸载荷、冲程的过程，讨论了新型气缸支撑的选型方法，对气缸支撑和普通的弹簧弹性支撑进行了对比，为同类型设计提供参考。

化工设备 气缸支撑 CAESAR II 热位移

化工装置中设备和管道常工作于高温、高压的严苛环境下，这些管道在设计时需要进行管道应力分析。一些标准(如GB 50316-2000(2008年版)、GB/T 20801-2006、ASME31.3)[1～3]在压力管道应力计算的某些方面规定了大的原则，对于细节并未做出具体规定，因此如何确定管道应力需要制订详细的规则，其细节问题则由分析人员自行把握[4]。在工艺要求苛刻、管道布置空间有限的情况下，无法通过改善管道自身柔性或增设补偿器来吸收热位移、释放热应力时，就需要设计人员通过一系列方法降低管口力，将它调整至允许范围之内。对于不同的装置和设备，满足管口受力的方法也不尽相同，有的是直接改变相连管道的走向，有的是在设备管口处增加补强板以增强管口处的强度，还有的可以将一些附属原件添加到设备系统中。这些添加的附属原件，其中一类就是用于改变设备支撑方式，提高整个设备系统在空间上的柔性，将由热膨胀产生的力尽可能释放，以此减小设备管口的受力[5]。利用设备弹性支撑可有效解决设备外接管口及其连接管线的热应力超标问题，避免设备管口拉裂、法兰泄漏等危害安全生产和操作人员人身安全的重大事故[6，7]。

1 设备弹性支撑的特点及作用

设备弹性支撑与管道弹性支撑相似，主要用于释放设备、管道的热位移，减小热应力。其特点是设备自重较大，一般远大于其连接管道，弹性支撑需均布在设备各个耳轴或鞍座上；设备的弹性支撑主要应用于以下几种场合：

a. 工艺要求苛刻，管道自身柔性不足，无法通过优化管道走向、增加自然补偿的方式解决问题[8]，如塔与立式再沸器的连接管道；

b. 不易使用波纹管膨胀的系统，如介质中带有催化剂的管道；

c. 两设备布置空间紧凑，但热位移差别又很大，管道走向受限，如反应器顶部出口至耳式换热设备的管线。

针对以上几种情况，设备弹性支撑不仅可以吸收设备及其连接管道的热位移，释放热应力，还可以减少管线自然补偿弯的敷设占地空间，对于工况苛刻、特种材料的管线更可以节省管道材料，减少投资成本，且给检修操作提供方便，布置更美观。

2 气缸设备弹性支撑和弹簧弹性支撑的对比

2.1弹簧弹性支吊架

按照设备布置规划和特点，弹簧可以做成支

撑搁置型，设备支耳或支座直接放在弹簧上，如为了减小设备的摩擦力，可以将弹簧的支撑面做成不锈钢镜面或增设聚四氟乙烯垫板；弹簧也可以做成吊架，这种型式也可以消除设备的自重引起的摩擦力。但是，对于热位移很大的设备无论是搁置型或吊架弹簧的体积和高度都会比较大，且对于载荷很大的搁置型弹簧做成弹簧箱高度降低也不明显。如果受到设备布置空间的限制，或者受到设备本身附件的干扰，无论搁置型或吊架弹簧都不现实。

2.2气缸弹性支撑

设备的支座直接放置在气缸的顶部，气缸弹性支撑的主要特点是体积小便于布置，选择合适的柱塞直径和冲程即可；但是气缸需要气源，一定要保持气源的稳定性。在运行过程中气缸的受力恒定，荷载变化率为0，而国内外的恒力弹簧的荷载变化率也仅能控制在5%以内。

3 气缸支撑的原理

当气源通入气缸，设备产生热位移时，气缸的活塞受到由气源产生的向上的力和设备载荷产生的向下的力，当这两个力达到平衡时，活塞就会达到一个稳定的状态，在气源压力温度的情况下气缸产生的力为恒值。

4 实例分析

如图1的流程所示，某化工厂有一台裙座式反应器，塔顶介质出口热位移约180mm，出口介质中带有颗粒状催化剂，出口管道接入塔顶附近的立式耳式支座换热器。立式换热器的进口位移约10mm，管道材料为镍基合金，管道介质温度约450℃，压力0.7MPa。

图1 流程简图

4.1换热器固定支撑分析

CAESAR II中初始模型如图2所示，换热器支座固定，计算结果见表1，管口校核见表2，反应器和换热器管口载荷都比较大，且按照当量压力法进行法兰泄漏校核未通过。

图2 初始模型

项目工况FxFyFzMxMyMz反应器出口操作工况47-30899-572-100256-2812995安装工况-745-14291-43247145455316换热器入口操作工况-47915857210879554682安装工况745-745043817130895

注：Fx、Fy、Fz为x、y、z方向的力，N；Mx、My、Mz为x、y、z方向的弯矩，N·m。

表2 换热器固定支撑管口法兰泄漏校核结果

4.2换热器弹性支撑分析

如图3所示将换热器支座改为弹簧支座，管道按距离最短布置，计算结果见表3，管口校核见表4，管口载荷大大降低，法兰泄漏校核，法兰的负载率大大降低。

4.3两种支撑分析结果对比

由计算结果可以看出如果换热器改为弹性支撑，不仅可以满足应力计算的要求，而且管道布置也可以满足距离最短的要求，对于特材管道来说更是节约了成本。但是通过查阅恒力弹簧支吊架 标准NB/T 47038-2013[9]，弹簧无论采取支架还是吊架，其高度都在近2m，弹簧的布置存在问题，无法满足布置的要求，故考虑采用气缸支座。

图3 改为弹性支撑后模型图

项目工况FxFyFzMxMyMz反应器出口操作工况0-203330-451200安装工况0-203330-451200换热器入口操作工况0-37950-2621100安装工况0-37950-2621100

注：Fx、Fy、Fz为x、y、z方向的力，N；Mx、My、Mz为x、y、z方向的弯矩，N·m。

表4 换热器弹性支撑管口法兰泄漏校核结果

4.4气缸参数的确定

由于CAESAR II软件中弹性支撑仅有弹簧模型，没有气缸模型，因此只能采用弹簧模型来进行应力计算，用弹簧的位移和载荷来选取气缸。根据计算结果，8个弹簧的热位移为186.597mm，每个弹簧的载荷为55 856N的恒力弹簧。气缸的气源压力为0.7MPa。气缸选取过程如下：

a. 根据弹簧的位移选择气缸的冲程为200mm；

c. 最终确定气缸的参数为冲程200mm，气缸直径320mm。

5 气缸支座使用注意事项

由于气缸的变形原理与弹簧不同，恒力弹簧是靠弹簧的变形改变位移量，弹簧的受力是不变的；而气缸是靠气源与受力对柱塞的平衡来实现支撑。为了保持气源压力恒定，需要用减压阀控制压力，然后通过二位五通双电控阀来提供气缸支座的支撑力，通过单向节流阀控制和调节气源的流量，实现对气缸运动速度的控制。

6 结束语

石化设备弹性支撑是解决一些管道柔性不足的重要方法。选择弹性支撑形式应根据布置需要，尽量用较小的空间来实现弹性支撑功能。对于载荷和位移较大的弹性支吊架，如弹簧体积受限，可考虑采用气缸支座来实现弹性支撑。由于目前的应力分析软件没有气缸的计算模型，故考虑在计算时用弹簧模型来进行应力计算，用计算出的弹簧参数来确定气缸的参数。

[1] GB 50316-2000(2008年版)，工业金属管道设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008．

[2] GB/T 20801-2006，压力管道规范工业管道[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2008．

[3] ASME B31.3-2014，Process Piping[S]. New York：The American Society of Mechanical Engineering，2015．

[4] 潘建华，谢中友，艾志斌，等.压力管道与设备连接处管口推力计算的对比和讨论[J].化工机械，2015，42(6)：802～806．

[5] 陈杰.特殊支撑部件在化工设备上的应用[J].化工机械，2017，44(2)：224～227.

[6] 杨洋，李一曼，刘丹，等.化工设备弹性支撑设计[J].化工设备与管道，2016，53(5)：39～42.

[7] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京： 中国石化出版社，2010.

[8] 宋岢岢.应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

[9] NB/T 47038-2013，恒力弹簧支吊架[S].北京：新华出版社，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

李进良(1983-)，工程师，从事管道应力分析的研究，ljl2284@chinahualueng.com。

TQ05

A

0254-6094(2017)05-0537-04

2017-04-23，

2017-09-14)