聚四氟乙烯垫板在卧式容器安装中的应用及其定尺设计

吉庆林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

操作温差大或受力状况波动情况下，卧式压力容器的滑动鞍座安装方式不合理或者安装质量不高会造成容器自由伸缩受阻，设备变形受到约束，在鞍座结构与筒体之间不连续处引发较高的局部应力，严重危及设备的使用寿命及安全运行。

1 滑动端鞍座安装方式现状[1-3]

SH/T 3542—2007《石油化工静设备安装工程施工技术规程》对卧式压力容器滑动端鞍座的安装规定为，将滑动端鞍座支撑在一个平整光滑的基础垫板上，并涂上润滑脂。工艺配管完成之后，应将滑动鞍座的螺母松动1～3 mm，即确保满足滑动条件同时又不至于受振动等因素影响。

在执行标准规定的实际安装过程中，为了满足设备水平度等要求，需要在鞍座与结构底座之间加装调平板。特别是在采用局部塞钢板调平的情况下，完整的光滑接触面被破坏，而金属板之间的缝隙难以补充润滑脂，长时间运行后易积水腐蚀，鞍座自由滑动的阻力将会不断加大。

目前工程上有采用滚轴安装代替上述加装调平安装的案例。滚轴式滑动鞍座示意见图1，其中滚轴为鞍座提供滑动条件，限位槽结构又将滚动限制在保证合理固定性的范围内。此安装程序复杂且成本较高，推广困难[4]。

图1 滚轴式滑动鞍座

2 聚四氟乙烯(PTFE)垫板特性

非金属材料在耐腐性和弹塑性方面天然优于金属材料，但其刚度有限。但随着非金属材料合成技术的进步，非金属材料的力学性能得到了大幅改善。PTFE作为典型的非金属材料，其力学性能和化学性能也在不断的提升和优化[5]。工程实践中最常见的是PTFE作为管线支架的垫板，既能防止管线与支架之间的电化学腐蚀，又能起到滑动隔离的作用，可以有效解决管线振动造成的磨损[6]。而高强度改性PTFE垫板作为桥梁支墩中的核心滑动部件，也已经成为成熟的工业设计[7-8]。

人工合成高分子非金属材料PTFE具有多种优良特性：①耐酸碱腐蚀。②耐有机溶剂破坏(几乎不溶于所有溶剂)。③可在-180～250 ℃环境中长期保持力学性能[9]。④摩擦因数极低，钢材对它的动、静摩擦因数可低至0.04，其自身摩擦因数可低至0.01。从国内厂家提供数据看，其最大静摩擦因数为0.015左右，而普通碳钢之间的滑动摩擦因数在0.1～0.15[10]。⑤力学性能优良，拉伸强度一般在10～30 MPa，国产的PTFE垫板抗压强度可达30 MPa(变形量小于1%)及125 MPa(变形量小于5%)，而对于某些改性PTFE，抗压强度可以达到325 MPa(变形量小于5%)[11]。这些特性都使得PTFE垫板非常适用于滑动端鞍座的安装。

此外，PTFE具有极强的自润滑性能，可省去传统滑动端鞍座安装必需的周期性润滑的操作维护。

3 滑动鞍座PTFE垫板设计

3.1 结构方案

滑动鞍座PTFE垫板结构设计方案见图2。在鞍座底板上和底座结构上安装限位板，限位板上开若干与PTFE板尺寸匹配的限位孔，将PTFE板固定在限位孔中。PTFE垫板的厚度大于限位板的厚度，这样设备将由上下2组PTFE垫板支撑。相比于传统的滑动端鞍座与底座之间是钢板与钢板之间的硬接触，2组PTFE垫板之间的摩擦副能极大降低钢板摩擦副的阻力。同时由于PTFE垫板的自润滑性能，后期将不需要为滑动鞍座做润滑维护。

图2 滑动鞍座PTFE垫板结构设计方案

3.2 尺寸计算

3.2.1 垫板支撑面积

在滑动鞍座的安装中，PTFE垫板成对使用，其支撑面积根据抗压强度计算如下。

(1)

3.2.2 滑动鞍座位移

在滑动鞍座的安装中，滑动鞍座的位移根据热膨胀计算如下。

l=∂ls(tp-ta)

(2)

设备运行时，每对PTFE垫板最小接触面积应大于根据抗压强度计算出的接触面积，因此长宽尺寸应满足以下要求。

(b-l)a≥A1

(3)

3.2.3 垫板厚度

在滑动鞍座的安装中，PTFE垫板的厚度根据摩擦因数计算。PTFE垫板安装于限位孔内，当设备受热膨胀时，由于其优异的抗压性能，可以忽略垫板自身的变形，因此只考虑上下2个PTFE垫板之间的摩擦阻力，即：

(4)

由于钢板的抗压强度大于PTFE的，因此在计算时只需校核PTFE垫板的抗压性能。同时由于PTFE抗剪切强度性能极强，故可以忽略抗剪切强度的校核。限位板厚度应满足以下要求。

nadσbc≥F

(5)

根据式(3)和式(5)，可以计算出PTFE垫板的尺寸。

式(1)～式(5)中，A1为每对PTFE垫板支撑面积，m2；m为容器质量，kg；g为重力加速度，kg/s2；σbc为PTFE抗压强度，MPa；n为PTFE垫板对数，通常n=3。∂为设备筒体材料的热膨胀系数，m/℃。l为热膨胀位移，ls为固定鞍座与滑动鞍座的间距，b为PTFE垫板长度，a为PTFE垫板宽度，d为限位板的厚度，m;tp为设备操作温度最大(小)值，ta为室温，℃;f为PTFE垫板摩擦因数，实际计算时可以考虑取值0.04。

4 工程设计实例

4.1 设计参数

某国外项目火炬气分离罐尺寸为3 500 mm×12 300 mm(筒体内径×切线间距)，鞍座间距7 380 mm，设计温度20/180 ℃，筒体材质SA-240-316L，设备操作质量151 518 kg。鞍座底板尺寸为3 075 mm×550 mm。

4.2 PTFE垫板设计

垫板抗压强度取30 MPa。根据给定的鞍座底板长度，初步设计4对垫板。将各设计参数代入公式，根据式(1)，垫板支撑面积A1=6 185 mm2。筒体材料的热膨胀系数为16.84×10-6℃-1，根据式(2)，鞍座间的最大热膨胀位移l=19.9 mm。根据式(3)，(b-19.9)a≥6 185 mm2。根据式(5)，ad≥247 mm2。选择正方形垫板，计算出垫板边长最小为89 mm，取值100 mm；最小厚度为2.5 mm， 取值10 mm。为了调平需要，可准备多个大于2.5 mm厚的PTFE垫板，现场可根据调平需求安装所需厚度的垫板。

5 结语

针对卧式压力容器滑动鞍座在安装及运行过程中可能存在的问题，分析了PTFE用于滑动鞍座安装的优势，并结合实际案例，给出PTFE垫板选型计算方法，为改进设备安装工艺提供技术参考。在选择用PTFE垫板调平和安装时，需要在鞍座和基础面上各焊接1块限位板，用于支撑PTFE垫板。此方案可以解决鞍座处筒体上产生较高局部应力的风险，并能省去后期的润滑维护操作，值得推广。