特殊支撐部件在化工設備上的應用

陳 杰

(華陸工程科技有限責任公司)

特殊支撐部件在化工設備上的應用

陳 杰

(華陸工程科技有限責任公司)

隨著工業技術的發展，設計人員經常會遇到一些特殊的設備組合方式。為了能既滿足這些特殊要求又保證設備安全平穩運行，分別介紹了氣缸支座和滾輪支座在化工設計中的應用。通過案例對比，明確指出了這些特殊支撐部件的應用范圍和應用優勢,為今后解決此類問題提供了一種新的思路。

化工設備 特殊支撐部件 氣缸支座 滾輪支座

進入21世紀以來，工業技術日新月異，化工產品不斷地向多元化和大型化發展，由此帶來了一系列傳統工藝流程的革新。筆者所在的華陸公司管道機械應力專業，近兩年在設計中經常會遇到由于工藝流程要求，需將兩臺或幾臺設備直接相連的情況，這種連接方式帶來最直接的問題就是操作時由于設備和管道的熱膨脹引起的設備管口受力遠超出允許值，進而對設備管口造成損壞[1]。這時就需要設計人員通過一系列方法降低管口力，將它調整至允許范圍之內。對于不同的裝置和設備，降低管口力的方法也不盡相同，有的是直接改變相連管道的走向，有的是在設備管口處增加補強板以增強管口處的強度，還有的可以將一些附屬原件添加到設備系統中。這些添加的附屬原件，其中一類就是用于改變設備支撐方式，提高整個設備系統在空間上的柔性，將由熱膨脹產生的力盡可能釋放，以此減小設備管口的受力[2]。

1 氣缸支座的應用實例

1.1 結構和工作原理

如圖1所示，氣缸支座由底板、氣源管進口、腔體、活塞及設備支撐板等部件組成。為了方便拆卸和檢修，這些組件之間多以螺栓或卡槽相互固定。氣缸工作時，潔凈的儀表空氣從氣源管進口引入，利用氣源的壓力將氣缸緩慢升起，從而將放置在氣缸上的設備抬高到一定高度。升起高度、氣缸活塞截面積和所承受的荷載都是通過計算和綜合考慮其他因素而得到的[3]。

圖1 氣缸支座結構

1.2 氣缸支座的設計要點

1.2.1 氣缸支座選用原則

氣缸支座的主要作用就是利用氣源壓力將放置于氣缸上的設備抬起或分擔一部分設備重量，從而達到減少設備管口受力、保護設備的目的。

氣缸支座最主要的應用場合就是塔頂汽包單元。圖2所示是一個典型的塔頂汽包單元結構示意圖。整個結構的下部是一臺高塔設備，塔頂由于工藝要求有一臺換熱器直接與塔頂口相連。當裝置正常運行時，下部的塔體受熱膨脹將上部的換熱器整體頂起，此時如果沒有氣缸支座，整個換熱器的重量將全部由塔頂管口承受，很容易對塔頂管口造成損害，即使沒有造成損害，在必須設計和制造時也會花費大量的精力和費用來鞏固該管口的強度，這是非常不經濟的。此時恰恰可以利用氣缸支座，巧妙地分擔一部分甚至全部的管口受力，這樣不僅節省了開支，也有效地保護了設備管口。

圖2 塔頂汽包結構示意圖

從上述介紹可以看出，氣缸支座所發揮的作用和以往經常使用的彈簧支座大致相同。但氣缸支座在某些特殊場合卻顯示出了獨特的優勢。表1從不同角度對氣缸支座和彈簧支座進行對比分析，可以看出對于大位移、大作用力的場合，氣缸支座顯示出設計多樣性和靈活性的特點。但由于彈簧支座是一個成熟的支座形式，擁有規范的國家標準，采購和檢驗方面更為成熟。所以在一般應用時，還是首先考慮彈簧支座，氣缸支座作為補充[4,5]。

表1 氣缸支座和彈簧支座的比較

1.2.2 氣源的選取

氣源是氣缸支座發揮作用的基礎，為了減少投資，設計人員主要的思路是考慮就地取材，利用裝置里已有的儀表空氣、壓縮空氣或密封氮氣等管線引入。壓力選取一般以0.6MPa左右為優，這樣既能滿足一般的受力需求又能減小其他受壓元件的投資，而且經過多個工程應用發現，應用該壓力的氣源計算得到的活塞直徑和氣缸高度比例較為美觀、合理。

1.2.3 氣缸活塞截面的確定

氣缸活塞截面積的確定主要取決于兩個因素，一是考慮與它相連接的設備支耳的截面積和支耳的個數，二是根據每個氣缸設計分配的力(可利用公式F=npS計算得出)，公式中F是氣缸正常工作時的受力，p是氣源壓力，S是每個氣缸作用截面積，n是氣缸個數。

1.2.4 氣缸行程的確定

氣缸的行程是通過設計人員計算得出的，完全取決于與它相連設備向上運動的位移。該位移是由下方高塔設備受熱膨脹而引起的，所以該行程的計算公式可利用受熱膨脹彈性變形公式進行計算，如果塔器溫度是區域變化的，則需要分段計算，最終疊加[6,7]。

1.3 工程實例

現有如圖2所示的汽包單元，塔器C1401的工作溫度是240℃，材料為304不銹鋼，設備支撐標高EL 11 500mm，汽包設備E1402正常操作時設備重量65 000kg，與塔體相連管口標高EL 31 700mm。E1402下端管口最大受力10 000kg，氣缸氣源選用0.6MPa儀表空氣。需確定氣缸選用相關參數。

塔體膨脹量：ΔL=δLΔT=17.386×(31700-11500)×(240-20)×10-6=77.263mm；每個氣缸受力(考慮鞍座平衡，選用4個氣缸)：F1=F/n=(65000-10000)/4=13750kg；氣缸截面積：S=F1/p=13750×9.8×10-6÷0.6=0.2246m2。通過計算，將氣缸的行程和截面積進行圓整，得出氣缸氣源為0.6MPa，行程為100mm，截面積為0.23m2。

2 滾輪支座的應用實例

2.1 結構和工作原理

滾輪支座主要由底板、護板、滾輪和設備支撐板4部分組成(圖3)。安裝時將設備支撐板與設備支耳底板點焊牢靠，然后將組裝好的滾動支座用螺栓、螺母墊圈與設備支耳緊固成一個整體。滾輪滑動的空間位移是由螺栓和設備支撐板所存在的空隙決定的。關于滾輪的摩擦系數，羅小龍等指出滾輪支座的摩擦系數會根據受到的豎直和水平外力載荷產生變化[8]，對于大型化工用滾輪支座，綜合各方面因素摩擦系數取值按0.1考慮。

圖3 滾輪支座結構

2.2 滾輪支座的設計要點

2.2.1 滾輪支座選用原則

滾輪支座的主要作用是使放置于支座上的設備通過較小的摩擦力產生一定的橫向位移，以此轉化和釋放由設備間連接管或設備本體受熱產生的較大的橫向熱膨脹，從而保護設備相關管口。

滾輪支座最常見的應用就是在如圖4所示的塔底再沸器單元上。將滾輪支座放置在立式換熱器的下方，換熱器與滾輪支座相對固定，裝置運行時，系統整體受熱，該單元將以塔體為固定點向右產生熱膨脹，換熱器以較小的摩擦力緩慢運動，將熱位移逐步化解，起到了保護設備的作用。如果不用滾輪支座而將換熱器直接放置于框架或基礎上，那么換熱器和塔體相連的管口將承受巨大的熱膨脹力，該作用力很可能已經大到足以將設備損壞，而換熱器卻還未產生滑動；即使該熱膨脹力使得換熱器產生了滑動橫向位移，那么在產生位移前的初始階段，設備自重引起的摩擦力也不容忽視，而該摩擦力由于力作用的相互性，也會傳遞到設備管口上，進而造成損壞。

圖4 塔底再沸器結構示意圖

從以上說明可以看出，滾輪支座以它特有的結構形式，使得設備在上方運動時產生較小的摩擦力，釋放了熱膨脹，從而起到了保護設備的目的。

2.2.2 滾輪支座開槽長度的確定

由于設備支耳和滾輪連接相對固定，運動的位移完全可以根據設計需要，在滾輪結構上通過控制開槽的長短而調整，不受設備支耳結構的限制，這一點恰恰是較在設備下加聚四氟摩擦板的一個改善。開槽的長度取決于兩端相連設備的相對位置和相連管段的運行溫度。具體數值可以根據金屬彈性變形熱膨脹公式計算得出。

2.2.3 滾輪支座的安裝方向

由于滾輪支座只能沿著滾輪轉動的方向進行運動，所以安裝時必須嚴格按照設計文件的要求，將滾輪調整至將來要運動的方向，這也需要設計人員在畫圖時特別標注，以免安裝時產生錯誤而無法發揮滾輪的作用。

2.2.4 滾輪軸的大小

滾輪的軸是它上方設備重力的受力點，由于滾輪本身結構形式有很多種，許多制造商都有獨特的技術，例如有單一滾輪的、有組合疊加滾輪的，所以設計人員對此結構無需做出過度的界定，只要能夠滿足需求即可。劉艷革特別指出一定要關注滾輪軸的強度問題，設計之初就將軸上放置設備的重量參數提供給制造商，以便制造出合格的產品[9]。

2.3 工程實例

現有如圖4所示的塔底再沸器結構組合，再沸器E1411中心與塔C1403中心相差3mm，連接段管道材料為304不銹鋼，溫度為140℃，再沸器E1411正常操作重量18t，帶有4個支耳。確定滾輪支撐相關參數。

連接段膨脹量：ΔL=δLΔT=17.016×3000×(140-20)×10-6=6.13mm；承受設備重量：F1=F/n=18000/4=4.5t。通過上面的計算，將滾輪的開槽長度和承受重量進行圓整得出開槽長度為10mm，承受重量為6t，安裝運動方向是在C1403和E1411中心的延長線上。

3 結束語

綜上所述，通過案例分析可以看出，這些特殊支撐結構在化工裝置中巧妙的應用，既可以節約投資又保證了裝置平穩的運行。如今隨著化工裝置大型化的發展，類似于這樣的特殊部件一定會得到更為廣泛的應用。

[1] 譚立平.超高壓反應器的應力分析和設計[J].化工機械，2014，41(2)：184～189.

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[3] 金瑤蘭，趙升雷，龔國芳，等.低摩擦活塞式蓄壓器和氣缸的設計及實驗研究[J].機床與液壓，2008，36(4)：64～66.

[4] 蔣雨明，賀文良.管道應力在化工設計中的分析[J].化工管理，2015，(22)：193.

[5] 李廣鑫，王乾.CAESAR Ⅱ軟件在彈簧支架設計中的應用[J].科技創新與應用，2015，(17)：21～22.

[6] 陳俊.管道應力及固定點受力分析[J].化工設計通訊，2001，27(3)：31～34.

[7] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2012.

[8] 羅小龍，周鋒，童樂為，等.滾軸支座滾動摩擦性能和試驗研究[J].結構工程師，2011，27(6)：95～99.

[9] 劉艷革.焊接用自調式滾輪架的設計[J].化工機械，1998，25(2)：103～105.

陳杰(1984-)，工程師，從事化工設計——管道機械應力的研究，cj2153@chinahualueng.com。

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0254-6094(2017)02-0224-04

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