聚四氟乙烯墊板在臥式容器安裝中的應(yīng)用及其定尺設(shè)計(jì)

吉慶林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

操作溫差大或受力狀況波動(dòng)情況下，臥式壓力容器的滑動(dòng)鞍座安裝方式不合理或者安裝質(zhì)量不高會(huì)造成容器自由伸縮受阻，設(shè)備變形受到約束，在鞍座結(jié)構(gòu)與筒體之間不連續(xù)處引發(fā)較高的局部應(yīng)力，嚴(yán)重危及設(shè)備的使用壽命及安全運(yùn)行。

1 滑動(dòng)端鞍座安裝方式現(xiàn)狀[1-3]

SH/T 3542—2007《石油化工靜設(shè)備安裝工程施工技術(shù)規(guī)程》對(duì)臥式壓力容器滑動(dòng)端鞍座的安裝規(guī)定為，將滑動(dòng)端鞍座支撐在一個(gè)平整光滑的基礎(chǔ)墊板上，并涂上潤(rùn)滑脂。工藝配管完成之后，應(yīng)將滑動(dòng)鞍座的螺母松動(dòng)1～3 mm，即確保滿足滑動(dòng)條件同時(shí)又不至于受振動(dòng)等因素影響。

在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)際安裝過(guò)程中，為了滿足設(shè)備水平度等要求，需要在鞍座與結(jié)構(gòu)底座之間加裝調(diào)平板。特別是在采用局部塞鋼板調(diào)平的情況下，完整的光滑接觸面被破壞，而金屬板之間的縫隙難以補(bǔ)充潤(rùn)滑脂，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后易積水腐蝕，鞍座自由滑動(dòng)的阻力將會(huì)不斷加大。

目前工程上有采用滾軸安裝代替上述加裝調(diào)平安裝的案例。滾軸式滑動(dòng)鞍座示意見(jiàn)圖1，其中滾軸為鞍座提供滑動(dòng)條件，限位槽結(jié)構(gòu)又將滾動(dòng)限制在保證合理固定性的范圍內(nèi)。此安裝程序復(fù)雜且成本較高，推廣困難[4]。

圖1 滾軸式滑動(dòng)鞍座

2 聚四氟乙烯(PTFE)墊板特性

非金屬材料在耐腐性和彈塑性方面天然優(yōu)于金屬材料，但其剛度有限。但隨著非金屬材料合成技術(shù)的進(jìn)步，非金屬材料的力學(xué)性能得到了大幅改善。PTFE作為典型的非金屬材料，其力學(xué)性能和化學(xué)性能也在不斷的提升和優(yōu)化[5]。工程實(shí)踐中最常見(jiàn)的是PTFE作為管線支架的墊板，既能防止管線與支架之間的電化學(xué)腐蝕，又能起到滑動(dòng)隔離的作用，可以有效解決管線振動(dòng)造成的磨損[6]。而高強(qiáng)度改性PTFE墊板作為橋梁支墩中的核心滑動(dòng)部件，也已經(jīng)成為成熟的工業(yè)設(shè)計(jì)[7-8]。

人工合成高分子非金屬材料PTFE具有多種優(yōu)良特性：①耐酸堿腐蝕。②耐有機(jī)溶劑破壞(幾乎不溶于所有溶劑)。③可在-180～250 ℃環(huán)境中長(zhǎng)期保持力學(xué)性能[9]。④摩擦因數(shù)極低，鋼材對(duì)它的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)可低至0.04，其自身摩擦因數(shù)可低至0.01。從國(guó)內(nèi)廠家提供數(shù)據(jù)看，其最大靜摩擦因數(shù)為0.015左右，而普通碳鋼之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)在0.1～0.15[10]。⑤力學(xué)性能優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度一般在10～30 MPa，國(guó)產(chǎn)的PTFE墊板抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa(變形量小于1%)及125 MPa(變形量小于5%)，而對(duì)于某些改性PTFE，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到325 MPa(變形量小于5%)[11]。這些特性都使得PTFE墊板非常適用于滑動(dòng)端鞍座的安裝。

此外，PTFE具有極強(qiáng)的自潤(rùn)滑性能，可省去傳統(tǒng)滑動(dòng)端鞍座安裝必需的周期性潤(rùn)滑的操作維護(hù)。

3 滑動(dòng)鞍座PTFE墊板設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)方案

滑動(dòng)鞍座PTFE墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。在鞍座底板上和底座結(jié)構(gòu)上安裝限位板，限位板上開(kāi)若干與PTFE板尺寸匹配的限位孔，將PTFE板固定在限位孔中。PTFE墊板的厚度大于限位板的厚度，這樣設(shè)備將由上下2組PTFE墊板支撐。相比于傳統(tǒng)的滑動(dòng)端鞍座與底座之間是鋼板與鋼板之間的硬接觸，2組PTFE墊板之間的摩擦副能極大降低鋼板摩擦副的阻力。同時(shí)由于PTFE墊板的自潤(rùn)滑性能，后期將不需要為滑動(dòng)鞍座做潤(rùn)滑維護(hù)。

圖2 滑動(dòng)鞍座PTFE墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.2 尺寸計(jì)算

3.2.1 墊板支撐面積

在滑動(dòng)鞍座的安裝中，PTFE墊板成對(duì)使用，其支撐面積根據(jù)抗壓強(qiáng)度計(jì)算如下。

(1)

3.2.2 滑動(dòng)鞍座位移

在滑動(dòng)鞍座的安裝中，滑動(dòng)鞍座的位移根據(jù)熱膨脹計(jì)算如下。

l=?ls(tp-ta)

(2)

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，每對(duì)PTFE墊板最小接觸面積應(yīng)大于根據(jù)抗壓強(qiáng)度計(jì)算出的接觸面積，因此長(zhǎng)寬尺寸應(yīng)滿足以下要求。

(b-l)a≥A1

(3)

3.2.3 墊板厚度

在滑動(dòng)鞍座的安裝中，PTFE墊板的厚度根據(jù)摩擦因數(shù)計(jì)算。PTFE墊板安裝于限位孔內(nèi)，當(dāng)設(shè)備受熱膨脹時(shí)，由于其優(yōu)異的抗壓性能，可以忽略墊板自身的變形，因此只考慮上下2個(gè)PTFE墊板之間的摩擦阻力，即：

(4)

由于鋼板的抗壓強(qiáng)度大于PTFE的，因此在計(jì)算時(shí)只需校核PTFE墊板的抗壓性能。同時(shí)由于PTFE抗剪切強(qiáng)度性能極強(qiáng)，故可以忽略抗剪切強(qiáng)度的校核。限位板厚度應(yīng)滿足以下要求。

nadσbc≥F

(5)

根據(jù)式(3)和式(5)，可以計(jì)算出PTFE墊板的尺寸。

式(1)～式(5)中，A1為每對(duì)PTFE墊板支撐面積，m2；m為容器質(zhì)量，kg；g為重力加速度，kg/s2；σbc為PTFE抗壓強(qiáng)度，MPa；n為PTFE墊板對(duì)數(shù)，通常n=3。?為設(shè)備筒體材料的熱膨脹系數(shù)，m/℃。l為熱膨脹位移，ls為固定鞍座與滑動(dòng)鞍座的間距，b為PTFE墊板長(zhǎng)度，a為PTFE墊板寬度，d為限位板的厚度，m;tp為設(shè)備操作溫度最大(小)值，ta為室溫，℃;f為PTFE墊板摩擦因數(shù)，實(shí)際計(jì)算時(shí)可以考慮取值0.04。

4 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某國(guó)外項(xiàng)目火炬氣分離罐尺寸為3 500 mm×12 300 mm(筒體內(nèi)徑×切線間距)，鞍座間距7 380 mm，設(shè)計(jì)溫度20/180 ℃，筒體材質(zhì)SA-240-316L，設(shè)備操作質(zhì)量151 518 kg。鞍座底板尺寸為3 075 mm×550 mm。

4.2 PTFE墊板設(shè)計(jì)

墊板抗壓強(qiáng)度取30 MPa。根據(jù)給定的鞍座底板長(zhǎng)度，初步設(shè)計(jì)4對(duì)墊板。將各設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式，根據(jù)式(1)，墊板支撐面積A1=6 185 mm2。筒體材料的熱膨脹系數(shù)為16.84×10-6℃-1，根據(jù)式(2)，鞍座間的最大熱膨脹位移l=19.9 mm。根據(jù)式(3)，(b-19.9)a≥6 185 mm2。根據(jù)式(5)，ad≥247 mm2。選擇正方形墊板，計(jì)算出墊板邊長(zhǎng)最小為89 mm，取值100 mm；最小厚度為2.5 mm， 取值10 mm。為了調(diào)平需要，可準(zhǔn)備多個(gè)大于2.5 mm厚的PTFE墊板，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)調(diào)平需求安裝所需厚度的墊板。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)臥式壓力容器滑動(dòng)鞍座在安裝及運(yùn)行過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，分析了PTFE用于滑動(dòng)鞍座安裝的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合實(shí)際案例，給出PTFE墊板選型計(jì)算方法，為改進(jìn)設(shè)備安裝工藝提供技術(shù)參考。在選擇用PTFE墊板調(diào)平和安裝時(shí)，需要在鞍座和基礎(chǔ)面上各焊接1塊限位板，用于支撐PTFE墊板。此方案可以解決鞍座處筒體上產(chǎn)生較高局部應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，并能省去后期的潤(rùn)滑維護(hù)操作，值得推廣。