特殊条件下快速切断阀的支架研究

顾金涛 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

快速切断阀作为化工工艺流程中常见的阀门型式，在自控调节方面具有重要的作用。在进行管道设计时，一般会根据阀门参数(外形尺寸，压力等级等)进行设计，并同时考虑阀门的安装空间及支撑。对于大管径快速切断阀，其质量、体积都较大，而执行机构与阀体连接处又非常薄弱，由于执行机构质量大，在离切断阀本体存在一定距离的情况下，产生的力矩相对薄弱处来说非常大，足以使调节阀自身的执行机构相对阀体出现一定的侧向形变，很可能造成阀门在使用过程中出现故障。因此，更要在设计过程中对阀门支撑方案进行分析并确定，避免施工及使用过程中出现比较棘手的难题。本文对某项目现场遇到的大管径快速切断阀支架设计的实际问题进行研究，希望对以后的设计工作起到一定的参考作用。

1 工程案例背景

某项目废催化剂过滤器(共6台)需要通过设备下出口卸出催化剂，管口与自控调节阀直连，阀门重2.26t，阀门本体为球阀，自带执行机构，过滤器与阀门的相对位置见图1。

图1 设备及阀门相对位置模型

在设计文件中，没有对与设备管口直连的阀门进行支撑设计，当阀门安装完成后，发现执行机构向一侧倾斜，且阀门的重量已经超过了空置状态下的设备本体重量，现场人员怀疑若阀门不加支撑，可能会损坏设备。

为了确定是否需要对该阀门进行支撑，首先将该阀门所在管线的应力空视图和催化剂过滤器设备工程图作为设计输入，进行管线应力计算。

计算后发现，管线应力较大，在将计算结果反馈给设备专业后，设备专业认为，若仅仅依靠设备管口法兰连接来承受调节阀重量，设备本体下方的锥形结构壁厚无法满足受力要求，由于业主在采购定型设备时，厂家未考虑管口的附加荷载，设备本体无法承受该调节阀的重量，需要采取措施对阀门进行支撑。

其它参数如下：切断阀公称直径为DN400；设备工作温度为130℃；设备有无震动：有。

设备布置见图2。该布置图为6m层楼面，六个废催化剂过滤器并排布置，每个设备下方的DN400管口均连有连快速切断阀，快速切断阀下方连接有伸缩机构，用于卸料。卸料时，在伸缩机构下方放置空桶接料。

图2 设备布置图

2 支架设计的难点

设备管口距离地面3.35m，由于排出的是催化剂废料，为避免存料，工艺要求快速切断阀和设备管口直连，这就造成快速切断阀门本体穿越半层EL3000平台。同时，流程要求在快速切断阀下直接连接了一个伸缩机构，要求伸缩机构出口距离地面1.2m，这样造成在本来就狭小的空间内，管架无法生根(生根将影响下方卸料)，阀门和伸缩机构的支撑极为困难，具体情形见图1。

业主从生产检验角度还要求这6台快速切断阀要实现每2～3个月能整体拆下来检修，支架要求设计为可拆卸式，这给支架的设计又增加了难度。

3 支架设计的方案

3.1 利用设备管口和快速切断阀执行机构做支撑

在之前所述的情况下，设计此阀门支撑的难点在于空间受限，找不到管架生根的着力点。因此,打算采用三点支撑原理，利用设备管口和水平放置的快速切断阀执行机构做支撑点，形成三点支撑，达到支撑快速切断阀和伸缩机构的目的，见图3。

图3 切断阀三点支撑示意图

3.2 在快速切断阀本体法兰上做支撑

利用设备管口和快速切断阀执行机构做支撑，设备管口受力过大会被损坏，快速切断阀执行机构较长，力矩较大，也无法承受整个阀门的重量，因此这两种设计思路不可行，又没有其它可以供管架生根的着力点，只好在快速切断阀本体上想办法。

共讨论出两种方案：

(1)在阀体上焊支耳，通过支耳做过渡。但仪表厂家表示快速切断阀本体上不能焊接，会损伤内部密封，该设计思路同样不可行。

(2)考虑螺栓连接，可供螺栓连接的地方只有快速切断阀的法兰连接处。

因此，通过对以上两种方案分析比较，在快速切断阀本体法兰上做支撑理论上是可行的。

4 支撑点的确定

设备在运行时会有震动，考虑此种情况需要增加弹簧，因此将运行工况条件及设备、阀门参数整合起来进行应力计算。考虑到不同的支撑点，通过计算得到了四种支撑方案，见图4。

图4 应力计算模型

下面分别进行说明：

支撑方案1：调节阀阀体四点支撑，执行机构二点支撑，共六个支撑点。其中，执行机构115点受力673N，125点受力955N，阀体单点受力5500N，执行机构与阀体连接法兰处受力1266N。

支撑方案2：阀体四点支撑，执行机构不支撑，共四个点支撑。阀体单点受力6500N，执行机构与阀体连接法兰处受力2788N。

支撑方案3：阀体二点支撑，执行机构不支撑，共二个点支撑。阀体单点受力13500N，执行机构与阀体连接法兰处受力2788N。

支撑方案4：调节阀阀体两点支撑，执行机构两点支撑，共四个支撑点。其中，执行机构115点受力647N，125点受力947N，阀体单点受力12500N，执行机构与阀体连接法兰处受力1299N。

综上，经过四个方案支撑效果的对比，并同时考虑现场的实际情况及将来的拆卸检修，最终选择了方案4来进行阀体的支撑。

5 支撑点处的支架设计

5.1 阀体的支撑设计

经各方讨论，最后确定的设计方案是，在调节阀与伸缩机构的法兰连接处增加钢板，详见图5。

图5 切断阀阀体上的支撑详图

钢板厚度t=20mm，材料为Q-345B，在钢板上开螺栓孔，夹在法兰之间进行连接，螺栓使用加长螺栓。钢板上沿设加筋肋板，增大支撑强度。安装时，钢板伸出来的两端直接采用所选弹簧进行支撑，从而对阀体实现弹性支撑。

5.2 执行机构的支撑

在所选方案中，执行机构两端也需要进行弹性支撑。根据现场实际情况，共提出了两种支撑方案。

方案1：执行机构为圆柱形气缸，因此可在气缸两端各增设一个U型管卡，然后管卡再与吊杆及弹簧连接，在框架6m层楼面梁上生根，U型管卡样式见图6。

图6 U形管卡示意图

方案2：通过观察发现，执行机构气缸两侧各有一组吊耳，用于运输支撑。基于此，可把现有的吊耳利用起来。

对比两种方案，方案1没有现成的U形管卡，需要现场制作，且执行机构最外侧有一圈钢筋，管卡被钢筋挡住，无法支撑在执行机构本体上，只能支撑在钢筋上。而方案2则可直接利用现有吊耳，比较简单方便。另外，方案1的上部结构也比方案2复杂。

综上所述，最终选择了方案2为执行机构的支撑方案。通过讨论，认为可以将吊杆通过螺栓与吊耳连接。由于工期紧张，现场没有现成的吊杆，因此采用了以钢筋代替吊杆的方案，然后钢筋再与弹簧连接，钢筋上部与框架6m层楼面梁连接；弹簧两侧均用钢筋连接，弹簧上方的钢筋做成了钩子形状，与下边的弹簧及上方的梁上吊孔连接。

但安装时，发现了一个问题，一些调节阀执行机构的吊耳没有朝向正上方，无法直接连接。经过与业主及施工单位沟通，现场将执行机构上的螺母拧下来，将连有吊耳的钢筋与正上方的钢筋互换(不能只移动吊耳位置，因为钢筋长度不一样，连接吊耳的钢筋长度要长一些)，该问题得以解决。

6 结构处理

6.1 结构条件

该切断阀比较特殊，根据工艺要求，阀门上的密封需要三个月更换一次，因此该阀门需要三个月拆下来一次，这就要求阀体及执行机构的支撑结构也要能够拆卸，否则会影响阀门的拆卸。

所以，给结构专业提支撑条件时，经与业主及结构专业讨论，提出了能够拆卸的结构支撑条件。

6.2 结构支撑方案

切断阀结构支撑做成了可拆卸式，根据荷载要求，采用H型钢(型钢具体型号见图7)做成了倒门型支架，支架与楼面钢梁的连接处采用螺栓连接，弹簧的支撑型钢与倒门型钢架的连接也采用螺栓连接，所有支撑部件均可拆卸。

结构图见图7及图8，图中结构的支撑标高为示意，实际标高需要根据现场钢板支撑位置高度及弹簧高度进行调整。由于阀门重量过大，结构专业对支撑设备支耳的钢梁强度也进行了核算，荷载余量满足要求。

图7 结构支撑图(平面)

图8 结构支撑图(立面)

施工完毕后，现场效果如图9所示。

图9 调节阀结构支撑实物图

从图中可以看出，竖直型钢与楼面钢梁通过螺栓连接，型钢端部焊接了钢板，然后在楼面钢梁及钢板上钻孔，通过螺栓连接，并且在二者之间增加了肋板进行加强处理。

执行机构的两个支撑点采用弹簧吊架进行支撑，通过现场观察，发现在执行机构上方框架6m层楼面处，有满足支撑条件的钢梁，直接利用即可，不必再单独进行设计。

7 对以后设计工作的启发

该工程案例具有一定的典型性，该问题是在现场施工过程中发现并处理的。基于此，以下对该类型的问题进行系统化梳理，力争在以后的设计过程中，把所有问题解决在设计阶段。具体流程如下：

(1)大管径快速切断阀与设备管口竖向直连或装在竖直管道上时，由于执行机构重量会对管线应力产生影响，在收到仪表资料后，第一时间要查找是否有关于阀门重量的信息，若没有，及时向仪表专业咨询，最好由仪表厂家提供阀体和执行机构各自的重量。

(2)应力计算时，须将仪表阀门及膜头重量信息输入应力计算程序，确定是否需要在阀门本体及执行机构上进行支撑(确定有无弹簧)。

(3)若需要对阀门本体及执行机构进行支撑，可能在阀体或膜头上有支撑，须及时向仪表专业反馈，要求厂家在阀门本体上焊接支撑点，同时在膜头上也做出可供下方支撑或上方吊架生根的结构。

(4)根据工艺要求，并结合拆卸检修空间判断结构支撑是否可拆卸,并在条件中标明。

(5)根据厂家在做的支撑点位置及应力专业计算出的荷载及拆卸要求，向结构专业提出相应的支撑条件。

(6)若阀门与设备管口直连，还可以与设备专业商量通过增强管口荷载的方式承受阀门重量，若设备壁厚不足以承受该强度，还可以增大设备壁厚，这是比较理想的方案，可以省去阀门的支撑问题，此时向结构专业提设备支撑条件时需要在设备重量的基础上增加阀门重量。

(7)若阀门水平安装，可以考虑从阀体上及执行机构上进行竖向支撑。

在设计过程中，需要考虑全面，能在设计中解决的问题就尽量不要去现场解决，参考以上7个步骤，在以后遇到类似问题时，基本能够在设计阶段合理地解决，从而提高现场的施工效率。

8 结语

阀门支架是支架设计中很重要的一部分，常见而又有一定的特殊性。支架的具体型式与阀门的外形关系较为密切，不同功能类型和不同厂商的阀门差异往往导致阀门支架的结构变化较大，这就对阀门的支架设计造成了一定的困难。

本文以某项目工程案例中大管径切断阀遇到的支撑问题为案例，详细论证了不同支撑方案的特点，并结合现场实际情况选出了最合适的阀门支撑方案，也对解决过程中遇到的问题及处理过程进行了说明，最后总结了相关的注意事项，希望可以为以后的设计及施工提供一些参考。