弹簧支吊架在气化装置锁斗系统上的应用

2021-02-27敬文娟新地环保技术有限公司河北廊坊065000

化工管理 2021年4期

敬文娟(新地环保技术有限公司，河北廊坊 065000)

0 引言

弹簧支吊架在一般的设备和管道上采用的是最简单的刚性支撑，其刚度大，稳定性好，不必检修，施工简单，成本低等优点，在现场应用广泛。然而在一些特殊设备及管道上使用刚性支撑会存在问题，比如：当设备及管道存在热膨胀向下时，使用硬支撑使设备及管道二次应力超标，设备管口受力超出标准值；当热膨胀向上时，设备及管道将偏离硬支撑的位置，导致支撑脱空，脱空点的重量将转移到其他位置，使其他位置的硬支撑超过承载受力范围，设备管口受力超标，均会给现场带来风险。此时，弹簧支吊架的应用可以很好的解决这类的问题。弹簧支吊架在设备及管道存在位移时，同样给予支撑一定的受力。

1 弹簧支吊架种类

1.1 可变弹簧支吊架

可变弹簧支吊架受力随着设备及管道位移，弹簧也会产生一定的伸缩量，此时弹簧提供的受力会发生变化。一般所用的可变弹簧分为30、60、90、120、150、180，根据现场设备及管道的位移量及荷载选择不同类别的弹簧。需要注意，工业标准中规定，可变弹簧支吊架的荷载变化率不得超过25%。

1.2 恒力弹簧支吊架

恒力弹簧支吊架所提供的受力是恒定不变的。当选用可变弹簧时，载荷变化率超过了25%，或竖直方向上的位移量超过了75 mm，或放置可变弹簧现场空间受限时，或在重要的设备管口附件放置弹簧时，将选用恒力弹簧。其恒力弹簧的原理图[1]如图1所示，根据力矩平衡原理，F×S=W×L。F×S是不变的，则W×L为一个恒定值，当做支撑的设备或管道发生位移量时，d是随之变化的，但L恒定不变，所用W也是恒定的。

图1 恒力弹簧原理图

2 气化装置锁斗系统上选择弹簧支吊架存在的技术问题

气化装置中，其核心部件包括气化炉、破渣机、上锁闸阀、中锁渣阀、锁斗、下锁渣阀、渣池等。锁斗在正常运行中，会有泄压、排渣、冲洗、冲压、收渣这五个阶段[2]。锁斗的循环工作使其管口受力处于交变状态，容易产生疲劳破坏。在设备布置时，气化炉的支耳固定在框架平台上，与锁斗之间用管段和上锁渣阀连接。便于锁斗的收渣和排渣，锁斗直接布置在气化炉的正下方。由于整个设备及管道的热胀冷缩现象，锁斗上的支耳的支撑不能用一般的刚性支撑，只能采用弹簧支吊架。弹簧支吊架选型时，一般分为热态凋零和冷态凋零两种方式。热态凋零是弹簧支吊架在热态时承受冷态时设备及管系分配的重量，冷态时弹簧载荷和设备及管系自重是不匹配的，存在冷态位移和力矩；冷态吊零是弹簧支吊架在冷态时承受设备及管系分配的重量，冷态是管道重量分配均匀，有利于管道的安装，热态时由于位移作用导致载荷分配不均[3]。考虑选弹簧经济性时，位移向上时按冷态吊零选弹簧是合理的，位移向下时，按热态吊零选弹簧是合理[4]。当支架跨距很大且不一致或者存在集中荷载时，容易造成个别支吊架脱空; 或者在设备管口附近的弹簧支吊架，为避免设备管口受力过大，需要弹簧支吊架承受更多的重量; 或者管道某一个刚性支架载荷过大，需要弹簧支吊架分担一部分荷载等，此时吊零分配荷载不再适用，需要给定弹簧荷载来分担其他支架或者设备管口受力，更有利于管系[5]。在气化装置锁斗系统上，发现无论采取空载时的冷态吊零还是使用冲渣时的热态吊零，都不是很理想，考虑给予固定荷载来选择弹簧。

综上，其设计难点在于，锁斗处于空载和装满渣态时，重量与温度差别很大。此弹簧要保障锁斗的整个运行循环下，稳定提供支撑力，同时管口的受力要满足要求。气化炉支耳与锁斗支耳之间的距离，可由热涨量公式计算出热涨量：

式中：α为材料线胀系数；ΔT为温度变化量；L为气化炉支耳到锁斗支耳距离。

当工程为中小规模时，锁斗容积较小，热涨量也不是很大。选用可变弹簧支吊架满足整体的应力要求，满足锁斗设备管口受力规范，此时弹簧的载荷变化率较小，则可以选用可变弹簧。

大型气化装置设计时，当选用可变弹簧，变化的载荷会转移到设备上，使整个运行阶段管口受力超标或可变弹簧载荷变化率超过15%范围(降低弹簧载荷变化率是考虑整个装置的排渣频率问题，避免弹簧疲劳破坏)，则考虑恒力弹簧支吊架。确定了弹簧的种类后，需要确定选用弹簧的载荷大小。此弹簧载荷大小要满足锁斗空载时的受力，也要满足锁斗充渣的状态。可变弹簧其安装载荷尽量选在弹簧载荷表的中间位置，随着设备的热位移，弹簧载荷变化能够满足整个循环工况。当选用恒力弹簧时，要满足整套设备及管道的热位移要求，同时受力恒定，各循环工况下设备管口的载荷要达到规范要求，避免设备管口泄漏甚至破坏。对气化炉+连接管道阀门+锁斗来进行应力计算，当一次、二次应力及管口受力均满足要求时，即可使用。但当其中一条不满足时，可对安装载荷进行微调，直到应力和各载荷满足要求。

3 实例分析

下面分析气化装置锁斗系统的一个实例，分别从泄压、排渣、冲洗、冲压、收渣这五个阶段来考虑工况问题。在泄压前，锁斗里有渣存在，温度高温；排渣，锁斗由充满变成空载，温度考虑高温；冲洗，锁斗考虑空载，温度变低；冲压，锁斗充水，温度常温；收渣，锁斗先充水，温度逐渐升高。整个循环过程锁斗内部介质和温度都存在着变化。在使用CAESAR II进行模型计算时，需要考虑到工况的变化。除了考虑正常的温度操作工况外，还需要关注WNC+H+P这一安装工况，同时校核应力及锁斗管口载荷。为了更好的进行说明，在此进行了空载+最高操作温度选弹簧；盛渣+最高操作温度选弹簧；给予固定载荷为弹簧操作荷载，并满足最高操作温度下的位移选弹簧。气化炉底部壳体操作温度196 ℃，设计压力4.0 MPa，破渣机操作温度120 ℃，锁斗操作温度40～70 ℃，设计压力4.0 MPa，设备材料Q345R，锁斗净重43 t，最大操作重量90 t，盛水重量81 t。破渣机与锁斗的管道公称直径DN500，材质为20#。锁斗至渣池的连接管道公称直径DN500，操作温度40～70 ℃，设计压力0.35 MPa，材质20#。

3.1 空载+最高操作温度选弹簧

弹簧载荷：118 257 N/8个弹簧；位移为-51.428 mm。

破渣机管口载荷：W+P1+H工况-207 441 N，WNC+P1+H工况：278 075 N，两者方向相反，则说明一个受拉，一个受压。

锁斗管口载荷：W+P1+H工况82 997 N，WNC+P1+H工况：-39 6391 N，两者方向相反，则说明一个受拉，一个受压。

空载+最高操作温度选弹簧，从受力情况看，整体锁斗支撑载荷偏小，导致了破渣机和锁斗管口受力，在不同工况下，受力方向不同，对设备管口不利，更易产生疲劳破坏。

3.2 盛渣+最高操作温度选弹簧

弹簧载荷：22 3671 N/8个弹簧；位移为-51.428 mm。

破渣机管口载荷：W+P1+H工况635 878 N，WNC+P1+H工况：1121 394 N，两者方向相同，则说明同时受压。

锁斗管口载荷：W+P1+H工况-760 322 N，WNC+P1+H工况：-1239 710 N，两者方向相同，则说明同时受压。

当盛渣+最高操作温度选弹簧，整个装置管口受力方向一致，但受力太大，远超过设备管口承载能力，也是不可取的。

3.3 给予固定载荷144 000 N/8个为弹簧操作荷载+最高操作温度选弹簧

弹簧载荷：144 000 N/8个弹簧；位移为-51.428 mm。

破渣机管口载荷：W+P1+H工况-1 494 N，WNC+P1+H工况：484 023 N，两者方向相反，则说明一个受拉，一个受压。

锁斗管口载荷：W+P1+H工况-122 950 N，WNC+P1+H工况：-602 338 N，两者方向相同，则说明同时受压。

在空载情况下，观察设备管口受力。选择了给予144 000 N的固定荷载，使破渣机管口在W+P1+H工况下基本不受力，在WNC+P1+H工况下受一定载荷。锁斗管口整个循环过程中都收到压力，同时相对盛渣选弹簧而言，受力要小很多。从三种不同的工况选择弹簧，发现弹簧的载荷大小，设备管口受力存在很大的区别。在实际应用中，要结合设备专业选择合适的弹簧。

4 锁斗附近管道上存在的应力问题

在设计阶段，由于锁斗附近存在着泄压、冲压等一部分常温管道，此部分会被忽略到。在现场出现了常温管道管口及管口附近法兰泄漏的情况，经过分析发现，气化炉与锁斗一条直线垂直布置，锁斗上存在着一定的热位移量，各管口也同样下移，在常温管线管口附近放置了硬支撑，此支撑限制了设备管口的下移，使管口受力超标引起泄漏。当管口附近放置操作阀门需要支撑时，需要用到弹簧支吊架，而不能直接用硬性支撑。其弹簧可有计算来进行选型。在以后的设计中，连接在有热位移设备上的常温管道需要引起设计师们的关注，尤其是设备附近的第一、二个支撑，避免再次发生类似情况。

5 在检修中弹簧支吊架注意事项

在气化装置进行检修时，尤其是对上锁渣阀进行拆检、更换部件或管道改造时，需要从系统上拆出时，现场缺乏对锁斗支撑弹簧的关注，导致弹簧发生大的位移。在进行回装时，没有关注弹簧状态，直接回装了锁渣阀，使得弹簧不在设计载荷工况下，整个装置处于非预期状态，影响现场的正常运行。在此，需要运行现场对工人进行弹簧支吊架拆检时的相关培训，补充不足，从而保证装置的正常运行。