彈簧支吊架在氣化裝置鎖斗系統(tǒng)上的應(yīng)用

敬文娟(新地環(huán)保技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

彈簧支吊架在一般的設(shè)備和管道上采用的是最簡(jiǎn)單的剛性支撐，其剛度大，穩(wěn)定性好，不必檢修，施工簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。然而在一些特殊設(shè)備及管道上使用剛性支撐會(huì)存在問題，比如：當(dāng)設(shè)備及管道存在熱膨脹向下時(shí)，使用硬支撐使設(shè)備及管道二次應(yīng)力超標(biāo)，設(shè)備管口受力超出標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)熱膨脹向上時(shí)，設(shè)備及管道將偏離硬支撐的位置，導(dǎo)致支撐脫空，脫空點(diǎn)的重量將轉(zhuǎn)移到其他位置，使其他位置的硬支撐超過承載受力范圍，設(shè)備管口受力超標(biāo)，均會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)帶來風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)，彈簧支吊架的應(yīng)用可以很好的解決這類的問題。彈簧支吊架在設(shè)備及管道存在位移時(shí)，同樣給予支撐一定的受力。

1 彈簧支吊架種類

1.1 可變彈簧支吊架

可變彈簧支吊架受力隨著設(shè)備及管道位移，彈簧也會(huì)產(chǎn)生一定的伸縮量，此時(shí)彈簧提供的受力會(huì)發(fā)生變化。一般所用的可變彈簧分為30、60、90、120、150、180，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及管道的位移量及荷載選擇不同類別的彈簧。需要注意，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，可變彈簧支吊架的荷載變化率不得超過25%。

1.2 恒力彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架所提供的受力是恒定不變的。當(dāng)選用可變彈簧時(shí)，載荷變化率超過了25%，或豎直方向上的位移量超過了75 mm，或放置可變彈簧現(xiàn)場(chǎng)空間受限時(shí)，或在重要的設(shè)備管口附件放置彈簧時(shí)，將選用恒力彈簧。其恒力彈簧的原理圖[1]如圖1所示，根據(jù)力矩平衡原理，F(xiàn)×S=W×L。F×S是不變的，則W×L為一個(gè)恒定值，當(dāng)做支撐的設(shè)備或管道發(fā)生位移量時(shí)，d是隨之變化的，但L恒定不變，所用W也是恒定的。

圖1 恒力彈簧原理圖

2 氣化裝置鎖斗系統(tǒng)上選擇彈簧支吊架存在的技術(shù)問題

氣化裝置中，其核心部件包括氣化爐、破渣機(jī)、上鎖閘閥、中鎖渣閥、鎖斗、下鎖渣閥、渣池等。鎖斗在正常運(yùn)行中，會(huì)有泄壓、排渣、沖洗、沖壓、收渣這五個(gè)階段[2]。鎖斗的循環(huán)工作使其管口受力處于交變狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞破壞。在設(shè)備布置時(shí)，氣化爐的支耳固定在框架平臺(tái)上，與鎖斗之間用管段和上鎖渣閥連接。便于鎖斗的收渣和排渣，鎖斗直接布置在氣化爐的正下方。由于整個(gè)設(shè)備及管道的熱脹冷縮現(xiàn)象，鎖斗上的支耳的支撐不能用一般的剛性支撐，只能采用彈簧支吊架。彈簧支吊架選型時(shí)，一般分為熱態(tài)凋零和冷態(tài)凋零兩種方式。熱態(tài)凋零是彈簧支吊架在熱態(tài)時(shí)承受冷態(tài)時(shí)設(shè)備及管系分配的重量，冷態(tài)時(shí)彈簧載荷和設(shè)備及管系自重是不匹配的，存在冷態(tài)位移和力矩；冷態(tài)吊零是彈簧支吊架在冷態(tài)時(shí)承受設(shè)備及管系分配的重量，冷態(tài)是管道重量分配均勻，有利于管道的安裝，熱態(tài)時(shí)由于位移作用導(dǎo)致載荷分配不均[3]。考慮選彈簧經(jīng)濟(jì)性時(shí)，位移向上時(shí)按冷態(tài)吊零選彈簧是合理的，位移向下時(shí)，按熱態(tài)吊零選彈簧是合理[4]。當(dāng)支架跨距很大且不一致或者存在集中荷載時(shí)，容易造成個(gè)別支吊架脫空; 或者在設(shè)備管口附近的彈簧支吊架，為避免設(shè)備管口受力過大，需要彈簧支吊架承受更多的重量; 或者管道某一個(gè)剛性支架載荷過大，需要彈簧支吊架分擔(dān)一部分荷載等，此時(shí)吊零分配荷載不再適用，需要給定彈簧荷載來分擔(dān)其他支架或者設(shè)備管口受力，更有利于管系[5]。在氣化裝置鎖斗系統(tǒng)上，發(fā)現(xiàn)無論采取空載時(shí)的冷態(tài)吊零還是使用沖渣時(shí)的熱態(tài)吊零，都不是很理想，考慮給予固定荷載來選擇彈簧。

綜上，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，鎖斗處于空載和裝滿渣態(tài)時(shí)，重量與溫度差別很大。此彈簧要保障鎖斗的整個(gè)運(yùn)行循環(huán)下，穩(wěn)定提供支撐力，同時(shí)管口的受力要滿足要求。氣化爐支耳與鎖斗支耳之間的距離，可由熱漲量公式計(jì)算出熱漲量：

式中：α為材料線脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量；L為氣化爐支耳到鎖斗支耳距離。

當(dāng)工程為中小規(guī)模時(shí)，鎖斗容積較小，熱漲量也不是很大。選用可變彈簧支吊架滿足整體的應(yīng)力要求，滿足鎖斗設(shè)備管口受力規(guī)范，此時(shí)彈簧的載荷變化率較小，則可以選用可變彈簧。

大型氣化裝置設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)選用可變彈簧，變化的載荷會(huì)轉(zhuǎn)移到設(shè)備上，使整個(gè)運(yùn)行階段管口受力超標(biāo)或可變彈簧載荷變化率超過15%范圍(降低彈簧載荷變化率是考慮整個(gè)裝置的排渣頻率問題，避免彈簧疲勞破壞)，則考慮恒力彈簧支吊架。確定了彈簧的種類后，需要確定選用彈簧的載荷大小。此彈簧載荷大小要滿足鎖斗空載時(shí)的受力，也要滿足鎖斗充渣的狀態(tài)。可變彈簧其安裝載荷盡量選在彈簧載荷表的中間位置，隨著設(shè)備的熱位移，彈簧載荷變化能夠滿足整個(gè)循環(huán)工況。當(dāng)選用恒力彈簧時(shí)，要滿足整套設(shè)備及管道的熱位移要求，同時(shí)受力恒定，各循環(huán)工況下設(shè)備管口的載荷要達(dá)到規(guī)范要求，避免設(shè)備管口泄漏甚至破壞。對(duì)氣化爐+連接管道閥門+鎖斗來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，當(dāng)一次、二次應(yīng)力及管口受力均滿足要求時(shí)，即可使用。但當(dāng)其中一條不滿足時(shí)，可對(duì)安裝載荷進(jìn)行微調(diào)，直到應(yīng)力和各載荷滿足要求。

3 實(shí)例分析

下面分析氣化裝置鎖斗系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，分別從泄壓、排渣、沖洗、沖壓、收渣這五個(gè)階段來考慮工況問題。在泄壓前，鎖斗里有渣存在，溫度高溫；排渣，鎖斗由充滿變成空載，溫度考慮高溫；沖洗，鎖斗考慮空載，溫度變低；沖壓，鎖斗充水，溫度常溫；收渣，鎖斗先充水，溫度逐漸升高。整個(gè)循環(huán)過程鎖斗內(nèi)部介質(zhì)和溫度都存在著變化。在使用CAESAR II進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，需要考慮到工況的變化。除了考慮正常的溫度操作工況外，還需要關(guān)注WNC+H+P這一安裝工況，同時(shí)校核應(yīng)力及鎖斗管口載荷。為了更好的進(jìn)行說明，在此進(jìn)行了空載+最高操作溫度選彈簧；盛渣+最高操作溫度選彈簧；給予固定載荷為彈簧操作荷載，并滿足最高操作溫度下的位移選彈簧。氣化爐底部殼體操作溫度196 ℃，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，破渣機(jī)操作溫度120 ℃，鎖斗操作溫度40～70 ℃，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，設(shè)備材料Q345R，鎖斗凈重43 t，最大操作重量90 t，盛水重量81 t。破渣機(jī)與鎖斗的管道公稱直徑DN500，材質(zhì)為20#。鎖斗至渣池的連接管道公稱直徑DN500，操作溫度40～70 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa，材質(zhì)20#。

3.1 空載+最高操作溫度選彈簧

彈簧載荷：118 257 N/8個(gè)彈簧；位移為-51.428 mm。

破渣機(jī)管口載荷：W+P1+H工況-207 441 N，WNC+P1+H工況：278 075 N，兩者方向相反，則說明一個(gè)受拉，一個(gè)受壓。

鎖斗管口載荷：W+P1+H工況82 997 N，WNC+P1+H工況：-39 6391 N，兩者方向相反，則說明一個(gè)受拉，一個(gè)受壓。

空載+最高操作溫度選彈簧，從受力情況看，整體鎖斗支撐載荷偏小，導(dǎo)致了破渣機(jī)和鎖斗管口受力，在不同工況下，受力方向不同，對(duì)設(shè)備管口不利，更易產(chǎn)生疲勞破壞。

3.2 盛渣+最高操作溫度選彈簧

彈簧載荷：22 3671 N/8個(gè)彈簧；位移為-51.428 mm。

破渣機(jī)管口載荷：W+P1+H工況635 878 N，WNC+P1+H工況：1121 394 N，兩者方向相同，則說明同時(shí)受壓。

鎖斗管口載荷：W+P1+H工況-760 322 N，WNC+P1+H工況：-1239 710 N，兩者方向相同，則說明同時(shí)受壓。

當(dāng)盛渣+最高操作溫度選彈簧，整個(gè)裝置管口受力方向一致，但受力太大，遠(yuǎn)超過設(shè)備管口承載能力，也是不可取的。

3.3 給予固定載荷144 000 N/8個(gè)為彈簧操作荷載+最高操作溫度選彈簧

彈簧載荷：144 000 N/8個(gè)彈簧；位移為-51.428 mm。

破渣機(jī)管口載荷：W+P1+H工況-1 494 N，WNC+P1+H工況：484 023 N，兩者方向相反，則說明一個(gè)受拉，一個(gè)受壓。

鎖斗管口載荷：W+P1+H工況-122 950 N，WNC+P1+H工況：-602 338 N，兩者方向相同，則說明同時(shí)受壓。

在空載情況下，觀察設(shè)備管口受力。選擇了給予144 000 N的固定荷載，使破渣機(jī)管口在W+P1+H工況下基本不受力，在WNC+P1+H工況下受一定載荷。鎖斗管口整個(gè)循環(huán)過程中都收到壓力，同時(shí)相對(duì)盛渣選彈簧而言，受力要小很多。從三種不同的工況選擇彈簧，發(fā)現(xiàn)彈簧的載荷大小，設(shè)備管口受力存在很大的區(qū)別。在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合設(shè)備專業(yè)選擇合適的彈簧。

4 鎖斗附近管道上存在的應(yīng)力問題

在設(shè)計(jì)階段，由于鎖斗附近存在著泄壓、沖壓等一部分常溫管道，此部分會(huì)被忽略到。在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了常溫管道管口及管口附近法蘭泄漏的情況，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，氣化爐與鎖斗一條直線垂直布置，鎖斗上存在著一定的熱位移量，各管口也同樣下移，在常溫管線管口附近放置了硬支撐，此支撐限制了設(shè)備管口的下移，使管口受力超標(biāo)引起泄漏。當(dāng)管口附近放置操作閥門需要支撐時(shí)，需要用到彈簧支吊架，而不能直接用硬性支撐。其彈簧可有計(jì)算來進(jìn)行選型。在以后的設(shè)計(jì)中，連接在有熱位移設(shè)備上的常溫管道需要引起設(shè)計(jì)師們的關(guān)注，尤其是設(shè)備附近的第一、二個(gè)支撐，避免再次發(fā)生類似情況。

5 在檢修中彈簧支吊架注意事項(xiàng)

在氣化裝置進(jìn)行檢修時(shí)，尤其是對(duì)上鎖渣閥進(jìn)行拆檢、更換部件或管道改造時(shí)，需要從系統(tǒng)上拆出時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)缺乏對(duì)鎖斗支撐彈簧的關(guān)注，導(dǎo)致彈簧發(fā)生大的位移。在進(jìn)行回裝時(shí)，沒有關(guān)注彈簧狀態(tài)，直接回裝了鎖渣閥，使得彈簧不在設(shè)計(jì)載荷工況下，整個(gè)裝置處于非預(yù)期狀態(tài)，影響現(xiàn)場(chǎng)的正常運(yùn)行。在此，需要運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工人進(jìn)行彈簧支吊架拆檢時(shí)的相關(guān)培訓(xùn)，補(bǔ)充不足，從而保證裝置的正常運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了氣化裝置鎖斗系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及檢修中，彈簧支吊架的選型及應(yīng)用問題。針對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)提出鎖斗上彈簧支吊架選型建議方案，并在設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注鎖斗附件的常溫管線支架，為鎖斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢修時(shí)，給予工人一定的彈簧知識(shí)培訓(xùn)，避免彈簧不合理使用給操作人員帶來風(fēng)險(xiǎn)。