超低摩擦管支架的特性及其在管道系統(tǒng)中的應(yīng)用

毛玉海

摘 要：本文對管道系統(tǒng)支撐采用超低摩擦管支架和采用四氟摩擦管支架支撐對其管道系統(tǒng)連接設(shè)備管口產(chǎn)生作用力和力矩比較，通過CAESARⅡ?qū)艿老到y(tǒng)模擬計算分析，結(jié)果表明超低摩擦管支架的水平摩擦力合力對設(shè)備管口的作用力和力矩相比采用低摩擦副管支架有著極大的優(yōu)勢。說明超低摩擦管支架具有降低管道應(yīng)力和設(shè)備管口應(yīng)力特征的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù) 低摩擦 管支架 模擬計算分析 工程應(yīng)用

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0061-02

石油化工裝置各工藝、蒸汽等管道，當管道因熱脹產(chǎn)生位移時，管支架與生根鋼梁間產(chǎn)生了摩擦阻力，增加了管道的剛度、約束了管道的位移，同時對土建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了額外的附加荷載。摩擦力終將傳遞至臨近的設(shè)備管口，增加設(shè)備管口的作用力和力矩，解決這一難題是管道應(yīng)力設(shè)計技術(shù)人員首先要考慮的問題。

1 管支架的使用現(xiàn)狀分析

隨著國內(nèi)外化工工藝技術(shù)、化工裝置能力的提高，配管設(shè)計技術(shù)的進步，大規(guī)格的管道系統(tǒng)在石化行業(yè)裝置內(nèi)運用也越來越多，管支架承受的垂直和水平荷載也隨之增大，管支架在運行時產(chǎn)生的摩擦力也越來越大，管支架摩擦合力對其所連接的設(shè)備管口形成較大的作用力和力矩，增大了設(shè)備管口的應(yīng)力和管道振動。問題嚴重時直接可把設(shè)備管口崩壞，造成整個管道系統(tǒng)的癱瘓，發(fā)生嚴重的安全質(zhì)量事故。可見用于支撐管道的管支架在整個管道系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。

聚四氟乙烯板的低摩擦特性被應(yīng)用到了管支架設(shè)計技術(shù)中，設(shè)計出摩擦系數(shù)為0.1的低摩擦管支架，但大型裝置有苛刻應(yīng)力要求的管道系統(tǒng)和設(shè)備還是不能滿足。

江蘇中圣通過對摩擦副的研究，開發(fā)出摩擦系數(shù)為0.01超低摩擦管支架并獲得國家發(fā)明專利，管支架摩擦系數(shù)越低，對設(shè)備管口的作用力和力矩也越低，設(shè)備和管道系統(tǒng)越穩(wěn)定安全。

2 摩擦副結(jié)構(gòu)對比分析

超低摩擦管支架與四氟摩擦副管支架主要區(qū)別在于管支架底板下方的摩擦副結(jié)構(gòu)不一樣。

2.1 摩擦原理比較

超低摩擦管支架的摩擦副采用的是滾珠點與面的滾動摩擦原理，通過實驗測得超低摩擦管支架的摩擦系數(shù)低至0.01。四氟摩擦管支架的摩擦副采用面與面滑動摩擦管理，通過試驗測得四氟摩擦管支架的摩擦系數(shù)為0.1。

2.2 摩擦副結(jié)構(gòu)比較

超低摩擦管支架摩擦副采用封閉式鋼性滾動摩擦結(jié)構(gòu)，不銹鋼防塵防雨罩能有效的保護好摩擦系統(tǒng)，臨時緊固螺栓設(shè)計，使摩擦副與管支架在運輸和存儲時保持一個整體。封閉的摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了產(chǎn)品的使用效果及延長了產(chǎn)品的使用壽命和更換維護周期，節(jié)省了工程項目的日常維護成本。

四氟摩擦管支架的摩擦副滑板和管支架是兩個獨立分離的部分，管支架在運輸和存儲時不容易得到保護，聚四氟乙烯板摩擦面及不銹鋼拋光面易被管支架的尖銳部分或其他雜物劃傷，同時摩擦副安裝時需與生根基礎(chǔ)梁進行焊接，由于施工條件等限制，焊接熱量及焊接飛濺會一定程度上破壞聚四氟乙烯板的摩擦表面。管支架安裝后由于四氟摩擦副常年裸露在外，聚四氟乙烯板會受到紫外線、裝置上方滴漏等雜物的影響，增大了摩擦副的摩擦系數(shù)。四氟摩擦副一般通過粘接或鑲嵌的方法把聚四氟乙烯板固定在墊板上，因聚四氟乙烯板與摩擦副底板的線性膨脹系數(shù)不一樣，隨著使用時間的增加聚四氟乙烯板容易翹曲甚至脫落，降低了四副摩擦管支架的使用效果，減少了有效使用壽命。

2.3 可靠性比較

超低摩擦管支架的摩擦副主體結(jié)構(gòu)都是鋼材料，如果現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)爆炸等事故，最多發(fā)生高溫蠕變、強度降低等現(xiàn)象，不會有其他有機材料分解成劇毒物，不會對事故發(fā)生地及周邊的人和動物造成中毒傷亡的安全隱患，降低事故的危害性。

四氟摩擦管支架的四氟摩擦副主要功能材料為聚四氟乙烯板，聚四氟乙烯板在溫度超過400℃的情況下就會產(chǎn)生熱裂解，可分解成氟光氣、氟化氫、四氟乙烯、八氟異丁烯等，其中八氟異丁烯為劇毒物質(zhì)，氟化氫及氟光氣為高毒物質(zhì)，他們均為親肺性毒物，對肺部有強烈的刺激作用，造成非常嚴重的人身傷害事故?；ぱb置現(xiàn)場一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，聚四氟乙烯板接觸到高溫或明火就會產(chǎn)生上述分解物，擴大事故危害性，造成非常嚴重的損失。

3 模擬計算分析

圖1為國內(nèi)某一大型石化企業(yè)100萬t/a乙烯裝置一段管線的CAESARⅡ的計算模型3D截圖。支架點10號為設(shè)備的某一管口，支架點號40、70、80、120、130、273為支撐管道的管支架。

3.1 模擬計算結(jié)果

模擬計算結(jié)果如圖2所示。

3.2 各管支架受力分析

從計算結(jié)果可知，支架點號40、70、80、120、130、273采用摩擦系數(shù)為0.1的四氟摩擦副結(jié)構(gòu)，這些支點處的水平摩擦力Fx和Fz是采用摩擦系數(shù)為0.01的超低摩擦副結(jié)構(gòu)的5～9倍，采用超低摩擦管支架能有效降低管道因熱漲等受到個支架點處摩擦力的約束而產(chǎn)生作用力，降低了管道系統(tǒng)的二次應(yīng)力。

3.3 設(shè)備管口受力分析

從數(shù)據(jù)Node10可以看出，采用超低摩擦管支架能有效降低設(shè)備管口處的作用力和力矩，極大降低了因管支架的水平摩擦力的合力對產(chǎn)設(shè)備管口形成的作用力和力矩。

4 工程應(yīng)用

某石化年產(chǎn)100萬t/a乙烯裝置某區(qū)管線采用超低摩擦管支架，業(yè)主組織對其運行進行測試與考評，整個配管系統(tǒng)運行良好，降低了設(shè)備的管口應(yīng)力、管道系統(tǒng)的振幅，提高了設(shè)備和管道系統(tǒng)的安全可靠性，深受業(yè)主的好評。

超低摩擦管支架可以與節(jié)能管支架組合使用、與支撐式彈簧箱結(jié)合使用，超低摩擦管支架可以應(yīng)用在垂直載荷大水平摩擦力要求小的各種場合，如與汽輪機、壓縮機、各種儲罐、反應(yīng)器連接的工藝管道、蒸汽管道的支撐及設(shè)備本體裙座的支撐。

5 結(jié)語

隨著石化裝置的工藝進步及產(chǎn)能提高，超低摩擦管支架的應(yīng)用范圍將越來越廣，同時得到越來越多設(shè)計院和業(yè)主的重視和認可，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

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