空分冷箱內井字形管道支架許用荷載計算

周金娟，宋軍帥，尹本寬

(開封空分集團有限公司 設計研究院，河南 開封 魏都路 189號　475004)

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空分冷箱內井字形管道支架許用荷載計算

周金娟，宋軍帥，尹本寬

(開封空分集團有限公司 設計研究院，河南 開封 魏都路 189號475004)

隨著空分等級大型化，冷箱內管道支架設計的合理性成為影響其安全運行的重要因素之一。對于大管徑的管道一般采用井字形支架。通過對井字形管道支架的許用荷載進行計算，為設計人員設計合理的管道支架提供了理論依據。

空分；冷箱；井字形管道支架；許用荷載

1　空分設備冷箱內井字形管道支架許用荷載計算的必要性

隨著空分等級大型化，冷箱內管道支架設計的合理性成為影響其安全運行的重要因素之一。空分冷箱內的設備和管道的材料一般為5083或5052的鋁材，而管道支架一般直接生根在設備上，因此組成管道支架的型材選用鋁材。

目前，國家標準、行業標準及各類參考文獻在支架的受力計算時均針對鋼制材料，而對鋁制材料的管道支架研究很少。設計人員在設計管道支架時往往憑借經驗，所設計的管道支架要么強度不夠，要么為了保證強度而一味的增加型材的尺寸，造成材料的浪費；另外，在空分冷箱內管道支架的型式有多種，大管徑管道一般采用井字形支架。針對以上兩個問題，本文將對井字形管道支架的許用荷載進行理論計算。

2　空分設備冷箱內井字形管道支架許用荷載計算

2.1井字形管道支架型式及組成

本論文所設計的井字形管道支架的結構如圖1所示，圖中支架由橫梁、橫撐和斜撐組成，型材選用槽鋁。在制作時，各部件之間以焊接方式連接，焊接型式為直角角焊縫。

2.2支架許用荷載計算

在正常工作條件下，管道承受Fx、Fy、Fz三個方向的力，方向如圖1所示。三個方向的力通過管道墊板和支耳傳遞到支架上。本節將分別計算三個方向的力許用值。

1. 墊板；2. 支架；3. 支耳；4. 管道墊板

2.2.1直角角焊縫強度計算許用荷載

垂直于焊縫長度方向的應力：

平行于焊縫長度方向的應力：

2.2.2支架所能承受的Fx最大值計算

Fx通過C、C’處的支耳傳遞到橫梁AD、A’D’上，P、Q處的支耳不受力。因此橫梁AD和A’D’分別在C和C’處承受Fx/2作用，為簡化計算斜撐不承擔力，因此計算模型可簡化為圖2所示的6次超靜定結構。

結構對稱，荷載反對稱，可根據《結構力學》[2]中“對稱結構在反對稱荷載作用下，其內力和位移都是反對稱的”，取結構的一半為基本結構，簡化為二次超靜定結構，采用力法進行受力分析，最終得到結構的內力圖如圖3所示，切應力的影響很小可忽略不予計算。

圖2　Fx作用下簡化后的計算模型

彎矩圖

軸力圖

對橫梁，A(A’)處為危險截面：

(3)

對橫撐，E(E’) 處和D(D’)處均為危險截面：

式中，M為彎矩，F為軸力，A為型材的截面面積，Wy為型材y-y軸的抗彎截面系數，[σ]為型材許用應力。

利用式(1)和式(3)～(5)求解所得到的Fx值進行比較，取最小值為Fx的許用值。

2.2.3支架所能承受的Fy的最大值計算

Fy通過P、Q處的支耳傳遞到橫撐EE’和DD’上，C、C’處的支耳不受力。對橫撐EE’和DD’，在中點P、Q分別承受Fy/2的力，方向與Fy相同。在Fy/2力的作用下，橫撐在y方向受彎，最大彎矩為FyL/16。因此，對橫撐：σmax=Mmax/Wy=FyL/(16Wy)≤[σ]，所以，

橫撐兩端的支座反力為Fy/4剪力和FyL/16彎矩，并由橫梁AD和A’D’承受，同樣為了簡化計算斜撐不承擔力，如圖4所示。

圖4　Fy作用下橫梁受力圖(M=FyL/16)

因此橫梁的端點A和A’為危險截面：

利用式(1)、(6)、(7)求解得到的Fy值進行比較，取最小值為Fy的許用值。

2.2.4支架所能承受的Fz的最大值計算

在Fz作用下，每個支耳上承受Fz/4荷載，作用到支架上的C、C’、P和Q點處。首先對橫撐在z方

向受彎，彎矩最大值為FzL/32，因此最大正應力為：σmax=Mmax/Wx=FzL/(32Wx)≤[σ]，所以，

式中，Wx為型材x-x軸的抗彎截面系數。

橫撐兩端的反力為Fz/8的剪力和FzL/32的彎矩。因此，對由橫梁和斜撐組成的三角架，在E點和D點分別承受Fz/8的力和FzL/32的扭矩，在C點承受Fz/4的力。由于切應力很小，扭矩的作用可忽略，分析時可簡化為在C點承受Fz/2的豎直向下的力，如圖5所示。

圖5　Fz作用下橫梁受力圖

橫梁所承受的軸向拉力為N1=Fz/(2tanα)，斜撐所承受的軸向壓力為N2=Fz/(2sinα)。

對橫梁：σ=N1/A=Fz/(2Atanα)≤[σ]，所以，

Fz≤2A[σ]tanα(9)

為了使斜撐在受壓過程中不發生彎曲變形，需對其進行穩定性分析，因此對斜撐：

σ=N2/(φA)=Fz/(2φAsinα)≤[σ]，所以，

Fz≤2φA[σ]sinα(10)

式中，α為橫梁與斜撐的夾角，本論文取30°～60°，φ為斜撐的穩定系數[3]。

3　計算結果及結論

利用本論文第2節所得到的計算公式，對空分冷箱內500≤DN≤800管道進行計算。支架型材選用U100×48×6.3的槽鋁，L’取固定值250 mm，計算結果如表1所示。

表1　不同管徑下井字形管道支架的許用荷載值

根據表1中的計算結果可以得出：

1. 由焊縫強度計算得出的許用荷載值很大，在設計時可不予與考慮；

2. 當型材不變時，Fx和Fy的許用值隨管徑的增大而減小。另外當管徑較小時，Fz的許用值由橫梁決定，當管徑增大到一定程度后其值將由橫撐決定。這是由于隨管徑增大，橫撐的長度L增大，彎矩變大，從而導致許用荷載變小。因此對于大管徑管道，設計管架時，可考慮在橫梁和橫撐之間增加小橫撐，使力均勻分配到橫撐上，從而增大其許用荷載值。

4　結束語

本論文為井字形管道支架許用荷載的計算提供了參考依據。設計人員在設計管架時可根據具體情況選擇合適的型材和管架型式，保證了管架的安全可靠性，同時避免了材料的浪費。

[1] GB 50017—2003 鋼結構設計規范[S].

[2] 張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[G]. 3版. 北京：中國石化出版社，2005.

[3] 李廉錕. 結構力學(上冊)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2004.

一種膜分離水溶氦氣提取系統

申請(專利)號：201610357846.X

公開(公告)日：2016-07-27

申請(專利權)人：天邦膜技術國家工程研究中心有限責任公司

摘要：本發明公開了一種膜分離水溶氦氣提取系統，脫硫罐下部出口連接脫氫罐；脫氫罐出口連接冷干機；冷干機出口連接氦氣膜分離器；氦氣膜分離器滲透氣出口連接真空泵；質量流量控制器出口連接脫氫罐入口；脫氫罐入口連接在線氫分儀；脫氫罐及質量流量控制器均連入PLC顯示控制模塊。在催化劑的作用下，氫氣與空氣中的氧氣發生化和反應消除氫氣，空氣中殘留的氮氣對含氦水溶氣中的氦氣提取不構成影響；脫硫、脫氫后的含氦水溶氣經過冷干機脫水至100～1000ppm后進入氦氣膜分離器進行氦氣提取；富集氦氣的滲透氣經過真空泵送出界外進行收集；貧氦的非滲透氣外排。

氪、氙氣純化用吸氣劑及其制備方法

申請(專利)號：201410577612.7

公開(公告)日：2016-06-29

申請(專利權)人：武漢鋼鐵(集團)公司 大連華邦化學有限公司

摘要：本發明涉及一種氪、氙氣純化用多元合金吸氣劑及其制備方法，解決了現有吸氣劑存在的針對性較差、處理能力不足、損耗大、易粉化、壽命短等問題。所述多元合金吸氣劑中鋯成分含量占50%～65%，鋁成分含量占10%～20%，鐵成分含量占5%～10%，鈦成分含量占2%～10%，鑭成分含量占3%～5%，硅成分含量占3%～5%，其余為不可避免的雜質。所述方法包括合金單質的預處理、合金熔煉和合金的粉碎過程。本發明吸氣劑對高純度氪、氙氣體(99.999%)的純度要求，抗原料氣碳氟化合物、氧氮化合物波動范圍大、對原料氣雜質吸附容量大、對原料氣雜質脫除深度高、使用溫度范圍寬(300-1000℃)、不粉化、使用壽命長。

一種復合儲氫材料的制備

方法及其應用

申請(專利)號：201510558213.0

公開(公告)日：2015-12-16

申請(專利權)人：中國船舶重工集團公司第七一二研究所 湖北長海新能源科技有限公司

摘要：本發明公開了一種復合儲氫材料的制備方法，先將氯化鋁與硼氫化鋰以摩爾比為1:2-1:4的比例均勻混合，然后對上述混合物在低溫下進行恒溫加熱，再將加熱產生的氣體通入高交聯多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物，即得硼氫化鋁/高交聯多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物復合材料，作為氫源材料，可于較低的加熱溫度下獲得大量高純氫氣，制備工藝簡單，易于實現，而且成本適中；還公開了其應用，用于釋放氫氣。

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，畢業于南京航空航天大學工程力學專業，現在開封空分集團設計研究院從事壓力管道設計工作。