高溫壓力容器儀表支撐方法

唐 念，鄒明偉，唐精隆，付仁鮮，付 航

（1.重慶川儀自動化股份有限公司 流量儀表分公司，重慶 404100；2.重慶川儀軟件有限公司，重慶 404100）

0 引言

在鋼制壓力容器罐體上通常設有許多用于監測罐體內部液位、溫度、壓力的相關儀表，根據儀表原理，部分儀表需與罐體進行連接并固定在罐體外壁。為保證儀表及罐體的安全穩定，在設計之初就需要充分考慮罐體預埋板及儀表支架的受力情況，確保儀表支架能夠支撐儀表的重量且不能超過罐體預埋板的載荷限值。在部分特殊行業，例如核電、石化等應用場景[1]，儀表支架除了需要嚴格滿足載荷要求外，還需滿足相關的抗震要求。

在實際應用過程中，通常采用結構鋼材現場拼裝焊接組裝成儀表支架，在設備安裝階段將儀表支架焊接固定至罐體預埋板上。當設備安裝調試完成，進入運行狀態時，容器內注入介質后罐內溫度壓力達到預定工況，罐體將受熱膨脹，但儀表支架與罐體預埋板相連，儀表支架仍處于常溫狀態。即使達到熱平衡狀態后，支架溫度仍遠低于罐體溫度。這種情況下，由于罐體預埋板間距膨脹增大，使儀表支架兩個連接點之間產生了巨大的拉力，直接導致預埋板及儀表支架受力超過設計載荷[2]，若實際工況中存在溫度較大范圍波動，支架連接點之間產生的拉力隨溫度循環變化，極有可能引發金屬疲勞，甚至出現結構變形、焊縫斷裂等嚴重威脅設備及人員安全的情況[3]。傳統儀表支架結構如圖1所示。

圖1 傳統液位儀表安裝支架示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional liquid level instrument mounting bracket

面對上述情況，若簡單將預埋板之間的剛性連接更換為浮動連接，為保證儀表穩固安裝則只能將儀表剛性固定在其中一個支臂上，讓另一端滑動連接。在地震條件下，由于儀表將產生較大的慣性力，儀表支架各向受力將被成倍放大。與儀表固定的支臂將獨自承受由地震帶來的額外載荷，同樣也將使與該支臂固定的預埋板超過受力載荷限制。因此，從儀表安裝的角度提出一種新型的儀表支撐方法，用來解決高溫壓力容器儀表安裝可能遇到的上述情況。在滿足支架承載能力的同時，可以自適應吸收由不同工況變化帶來的罐體膨脹量變化。

1 設計原理

以某系統內執行安全功能的水箱為例，其設計溫度達350℃，設計壓力17.2MPa，且工作時介質溫度可能存在劇烈波動。水箱內的液位是系統的主要監測點之一，其配套使用的磁浮子液位計重達100kg，安裝時需現場制作液位計安裝支架并將支架通過焊接固定在罐體指定的預埋板之上，再將磁浮子液位計吊裝至安裝支架固定。由于罐體外壁承載能力有限，因而對罐體預埋板的受載情況有嚴格的要求。以往該型液位計安裝時，通常使用不銹鋼矩管焊接成支撐平臺作為液位計安裝支架，液位計從上部插入，液位計法蘭上的支座固定在矩形框架的兩邊，通過鉸制孔用螺栓使液位計與支架剛性相連。該方式能夠滿足大部分低溫運行的容器或管道安裝需求，但如果直接用于高溫壓力容器罐體，由于支架剛性固定于容器罐體外表面，當罐體升溫后，罐體膨脹將使支架固定點間距加大。而支架位置散熱條件較好，其溫度遠低于罐體表面。按原設計支架無法吸收支架固定點的位移變化，將使支架兩臂之間產生巨大的拉力，進而造成罐體預埋板承受遠超限值的受力載荷，極易導致支架或罐體預埋板承受過大的載荷而發生形變，嚴重者更有結構斷裂風險[4,5]。

從安裝支架的角度，解決上述問題的途徑之一是避免支臂間的剛性連接。在儀表的安裝支架設計時，需要將左右支臂橫向連接斷開，將傳統支架的橫向支臂兩端焊接固定改為一端焊接固定，另一端采用承臺滑動的形式，由承臺承擔豎直向上的重力，配合腰型孔進行前后方向的限位。從而使橫向支臂既具有了與傳統支架結構相同的承重能力，又能實現水平左右方向滑動，吸收罐體熱膨脹帶來的橫向位移。因此，這種新型儀表支撐方法避免了從罐體固定點引出的支臂間發生剛性連接，從而從根源上避免了拉力的產生。同時，在滑動端設置一組或多組彈性裝置，對儀表施加水平方向上的預緊力。在低溫狀態下，彈性裝置的預緊力通過儀表本身傳遞給與儀表剛性固定端的支臂，兩支臂間將長期存在一個相互作用的拉力。當高溫壓力容器罐進入預定工況后，由彈性裝置吸收預埋板間距的熱膨脹量，兩支臂間拉力加大，該拉力將在地震工況下抵消水平方向上產生的慣性力。通過計算和調節彈性裝置預緊力大小，使儀表支架能夠滿足各種工況下載荷要求。

2 結構設計

高溫壓力容器使用的儀表支撐方式必須兼顧承載能力、熱膨脹吸收和抗震性能。采用左右支臂分離形式的儀表支架，一邊支臂與儀表剛性連接，另一邊支臂則與儀表通過彈性滑動機構柔性連接。彈簧滑動機構可調節預緊力，通過準確計算預緊力大小保證支架具有足夠的承載能力和抗震性能。彈性滑動機構的加入，使得安裝支架能夠吸收一定范圍的埋板位移，從而解決了因高溫壓力容器內介質溫度劇烈波動帶來的預埋板與支架連接點間的循環變化拉力，避免金屬疲勞。同時，彈性滑動機構的預緊力及吸收膨脹量產生的額外壓緊力用來抵消地震時的慣性力，從而保證了儀表支架的抗震性能。

新設計的儀表支架結構形式如圖2所示。

圖2 儀表安裝支架設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of instrument mounting bracket design

根據新的儀表支架結構設計，彈簧滑動機構在安裝時需計算預緊力，預緊力通過受力分析及計算的方式獲得。安裝時，按計算的預緊力通過擰緊預緊螺栓控制彈簧的壓縮量，從而給液位計施加一個準確的預緊力。當罐體升溫膨脹時，液位計兩組預埋板間距增大，左、右支臂受到來自預埋板的橫向拉力，彈簧滑動機構擋塊和拉塊間的間距隨之增大。彈簧進一步壓縮，從而吸收罐體熱膨脹帶來的預埋板位移量。此時，液位計和安裝支架本身的重力由左、右支臂共同分擔；水平前后方向的力由腰型孔邊沿同時傳遞至左、右支臂，同樣也被左、右支臂共同分擔；彈簧滑動機構的滑動部分均為光滑的機加工面，摩擦力可忽略不計。因此，剩余的受力情況主要為水平左右方向上熱膨脹產生的拉力及地震工況下的慣性力。結合儀表安裝結構進行受力分析，可將儀表受力情況簡化為圖3

圖3 簡化受力模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simplified force model

所示模型。根據條件：液位計重量為100kg，通過安裝支架固定在預埋板上，預埋板Fx、Fy、Fz三向最大承受載荷為8KN。地震時，各向最大加速度10g。由于料液箱內介質最低工況溫度為20℃，最高工況溫度為290℃，預埋板間距415mm，經過計算得到，當料箱內介質達到最高工況溫度時，罐體受熱膨脹后管體預埋板間距膨脹量計算值約為2.06mm。

由于預埋板在各向載荷均不能超過8kN，而當地震達到最大加速度時，液位計本身將產生10kN左右的慣性力。新型支架右支臂與液位計間，通過鉸制孔用螺栓連接，確保液位計與水箱罐體間無相對位移，但這也將導致液位計的慣性力將直接傳遞到右支臂上。為保證右支臂載荷滿足要求，左支臂需要通過彈簧預緊力提供一個大于2kN反向拉力F，來分擔右支臂所承受的力，但還因考慮罐體熱膨脹后，彈簧滑動機構中的彈簧將會被壓縮產生的額外拉力F1，兩者相加也不能超過埋板載荷限制，即要求：F≥2kN，F+F1≤8kN。

綜上所述，即可整理出整個液位計支架受力要求如下：

① 常溫工況下：

預埋板a受力：Fa=F≤8kN；預埋板b受力：Fb=F≤8kN。

② 常溫、地震工況下，液位計運動達到最大加速度時最大受力：

預埋板a受力：Fa=F≤8kN；預埋板b受力：Fb=10kN-F≤8kN。

③ 高溫工況下：

彈簧彈力為F+F1（F1為增加的彈力）

預埋板a受力：Fa=F+F1≤8kN；預埋板b受力：Fb=F+F1≤8kN。

④ 高溫、地震工況下，液位計運動達到最大加速度時：

預埋板a受力：Fa=F+F1≤8kN；預埋板b受力：Fb=10kN-(F+F1)≤8kN。

罐體熱膨脹量對于常見螺旋彈簧而言，壓縮量太小。為使彈簧滑動機構結構更為小巧、緊湊且方便現場安裝時調整彈簧滑動機構的預緊力，故選擇標準碟簧[6]作為彈簧滑動機構中的彈簧。標準碟簧可以通過疊合、對合等多種方式進行組合，且組合后的碟簧組彈力性能可通過成熟的計算公式及方法得到，因此極大方便了彈簧滑動機構的設計計算[7,8]。根據儀表的安裝空間結構尺寸及大致的受力情況評估，首先確定了選用碟簧的型號規格，碟簧材料選擇50CrVA。其性能參數見表1。

表1 碟簧規格參數表Table 1 Specifications of disc spring

碟簧間的組合方式選用對合組合方式，其組合形式如圖4所示。

圖4 對合組合彈簧Fig.4 Combination spring

根據碟簧相關計算公式：

式（1）中：彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比μ=0.3；K1為碟簧D/d系數。經計算，此處K1=0.7038，K4為與碟簧接觸面相關的計算系數。文中碟簧為無支撐面碟簧，故取K4=1。所以：

根據碟簧標準，A系列碟簧的h0/t≈0.4，由F1/FC的值可以查出f/h0的值，進而計算得到變形量與彈簧負荷值。經過計算，由兩組14片標準碟簧組成的彈簧滑動機構滿足液位計安裝支架對彈簧彈力的要求。14片對合組合碟簧組合尺寸為未受負荷時自由高度HZ=i×H0=14×2.05=28.7mm，受 負 荷1501N時 的 高 度H1=HZ-f1=28.7-14×0.202=25.872mm，當組合碟簧吸收熱膨脹量2.06mm后，其高度為H2=23.812mm，負荷為2507N。

彈簧滑動機構采用兩組14片標準碟簧組成彈簧組，因此為保證預緊力達到3kN，彈簧滑動機構 預 緊 量S=f1=14×0.202=2.828mm， 預 緊 力F=2×1.501=3.002kN，高溫情況下，預埋板間距增大2.06mm，彈簧機構壓縮量變為4.888mm。根據彈簧彈性曲線，可以得出彈簧機構彈力為F+F1=2×2.507=5.014kN。

將彈簧滑動機構計算結果代入，對埋板水平方向載荷進行校核：

① 常溫工況下：

預埋板a受力：Fa=F=3.002kN≤8kN；預埋板b受力：Fb=F=3.002kN≤8kN。

② 常溫、地震工況下，液位計運動達到最大加速度時最大受力：

預埋板a受力：Fa=3.002kN≤8kN；預埋板b受力：Fb=10kN-F=6.998kN≤8kN。

③ 高溫工況下：

預埋板間距增大2.06mm，彈簧壓縮量變為S+2.06。預埋板a受力：Fa=F+F1=5.014kN≤8kN；預埋板b受力：Fb=F+F1=5.014kN≤8kN。

④ 高溫、地震工況下，液位計運動達到最大加速度時：

預埋板a受力：Fa=F+F1=5.014kN ≤8kN；預埋板b受力：Fb=10kN-F-F1=4.986kN≤8kN。

通過對幾種不同工況情況下的預埋板受載荷情況進行計算，證明該支架及罐體預埋板受力情況可以滿足各種工況下的載荷要求。

根據上述理論設計計算，制作了對應的液位計支架實物樣件，并對其整體的承載性能及抗震性能進行了系列的試驗驗證。最終證明，所設計的儀表支撐方案能夠滿足對應工況的使用要求。彈簧滑動機構樣件實物如圖5所示。

圖5 彈簧滑動機構結構樣例圖Fig.5 A sample diagram of the structure of the spring sliding mechanism

前文例舉的案例僅為工作中常見的儀表支架支撐需求之一，敘述的主要目的是展示此類儀表支撐結構形式的布置方法、工作原理，并簡單分析、計算其受力情況。實際使用該種支撐方法時，可以根據罐體膨脹量、埋板位置、埋板載荷、地震強度等要求，設計更合適的彈簧滑動機構，并通過受力分析、力學計算得出序所需要的彈簧預緊力，通過搭配不同彈簧的形式、規格、彈簧組數量，實現精準配力，適應不同需求。

3 結語

討論并分析了傳統儀表安裝支撐方法在高溫環境使用時可能存在的問題和風險，并提出了一種解決方法。新的儀表支撐方法與傳統儀表安裝支架結構類似，對現場原有的安裝空間、安裝條件影響不大，但缺點是需要精加工彈簧滑動機構，增加了現場工作難度。新的支撐結構可以消除罐體熱膨脹對儀表安裝支架和罐體預埋板帶來的危害，同時具備與傳統支架相當的承載能力。提出的支架形式可為工程設計人員和現場安裝人員提供了一種很好的參考，合理設計現場儀表安裝支架，確保高溫壓力容器的安全運行。