敬文娟(新地環(huán)保技術(shù)有限公司,河北 廊坊 065000)
彈簧支吊架在一般的設(shè)備和管道上采用的是最簡單的剛性支撐,其剛度大,穩(wěn)定性好,不必檢修,施工簡單,成本低等優(yōu)點,在現(xiàn)場應(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存在問題,比如:當(dāng)設(shè)備及管道存在熱膨脹向下時,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,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),均會給現(xiàn)場帶來風(fēng)險。此時,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,同樣給予支撐一定的受力。
可變彈簧支吊架受力隨著設(shè)備及管道位移,彈簧也會產(chǎn)生一定的伸縮量,此時彈簧提供的受力會發(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%。
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,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)場空間受限時,或在重要的設(shè)備管口附件放置彈簧時,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為一個恒定值,當(dāng)做支撐的設(shè)備或管道發(fā)生位移量時,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
氣化裝置中,其核心部件包括氣化爐、破渣機、上鎖閘閥、中鎖渣閥、鎖斗、下鎖渣閥、渣池等。鎖斗在正常運行中,會有泄壓、排渣、沖洗、沖壓、收渣這五個階段[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,氣化爐的支耳固定在框架平臺上,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,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)時承受冷態(tài)時設(shè)備及管系分配的重量,冷態(tài)時彈簧載荷和設(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)時由于位移作用導(dǎo)致載荷分配不均[3]??紤]選彈簧經(jīng)濟性時,位移向上時按冷態(tài)吊零選彈簧是合理的,位移向下時,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,容易造成個別支吊架脫空; 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)無論采取空載時的冷態(tài)吊零還是使用沖渣時的熱態(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)計難點在于,鎖斗處于空載和裝滿渣態(tài)時,重量與溫度差別很大。此彈簧要保障鎖斗的整個運行循環(huán)下,穩(wěn)定提供支撐力,同時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,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)計時,當(dāng)選用可變彈簧,變化的載荷會轉(zhuǎn)移到設(shè)備上,使整個運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的受力,也要滿足鎖斗充渣的狀態(tài)??勺儚椈善浒惭b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循環(huán)工況。當(dāng)選用恒力彈簧時,要滿足整套設(shè)備及管道的熱位移要求,同時受力恒定,各循環(huán)工況下設(shè)備管口的載荷要達到規(guī)范要求,避免設(shè)備管口泄漏甚至破壞。對氣化爐+連接管道閥門+鎖斗來進行應(yīng)力計算,當(dāng)一次、二次應(yīng)力及管口受力均滿足要求時,即可使用。但當(dāng)其中一條不滿足時,可對安裝載荷進行微調(diào),直到應(yīng)力和各載荷滿足要求。
下面分析氣化裝置鎖斗系統(tǒng)的一個實例,分別從泄壓、排渣、沖洗、沖壓、收渣這五個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進行模型計算時,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,同時校核應(yīng)力及鎖斗管口載荷。為了更好的進行說明,在此進行了空載+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)計壓力4.0 MPa,破渣機操作溫度120 ℃,鎖斗操作溫度40~70 ℃,設(shè)計壓力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)計壓力0.35 MPa,材質(zhì)20#。
彈簧載荷:118 257 N/8個彈簧;位移為-51.428 mm。
破渣機管口載荷:W+P1+H工況-207 441 N,WNC+P1+H工況:278 075 N,兩者方向相反,則說明一個受拉,一個受壓。
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,則說明一個受拉,一個受壓。
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)致了破渣機和鎖斗管口受力,在不同工況下,受力方向不同,對設(shè)備管口不利,更易產(chǎn)生疲勞破壞。
彈簧載荷:22 3671 N/8個彈簧;位移為-51.428 mm。
破渣機管口載荷: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,則說明同時受壓。
當(dāng)盛渣+最高操作溫度選彈簧,整個裝置管口受力方向一致,但受力太大,遠超過設(shè)備管口承載能力,也是不可取的。
彈簧載荷:144 000 N/8個彈簧;位移為-51.428 mm。
破渣機管口載荷:W+P1+H工況-1 494 N,WNC+P1+H工況:484 023 N,兩者方向相反,則說明一個受拉,一個受壓。
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。鎖斗管口整個循環(huán)過程中都收到壓力,同時相對盛渣選彈簧而言,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。在實際應(yīng)用中,要結(jié)合設(shè)備專業(yè)選擇合適的彈簧。
在設(shè)計階段,由于鎖斗附近存在著泄壓、沖壓等一部分常溫管道,此部分會被忽略到。在現(xiàn)場出現(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,需要用到彈簧支吊架,而不能直接用硬性支撐。其彈簧可有計算來進行選型。在以后的設(shè)計中,連接在有熱位移設(shè)備上的常溫管道需要引起設(shè)計師們的關(guān)注,尤其是設(shè)備附近的第一、二個支撐,避免再次發(fā)生類似情況。
在氣化裝置進行檢修時,尤其是對上鎖渣閥進行拆檢、更換部件或管道改造時,需要從系統(tǒng)上拆出時,現(xiàn)場缺乏對鎖斗支撐彈簧的關(guān)注,導(dǎo)致彈簧發(fā)生大的位移。在進行回裝時,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)計載荷工況下,整個裝置處于非預(yù)期狀態(tài),影響現(xiàn)場的正常運行。在此,需要運行現(xiàn)場對工人進行彈簧支吊架拆檢時的相關(guān)培訓(xùn),補充不足,從而保證裝置的正常運行。
本文闡述了氣化裝置鎖斗系統(tǒng)在設(shè)計及檢修中,彈簧支吊架的選型及應(yīng)用問題。針對設(shè)計時的難點提出鎖斗上彈簧支吊架選型建議方案,并在設(shè)計時關(guān)注鎖斗附件的常溫管線支架,為鎖斗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障?,F(xiàn)場運行檢修時,給予工人一定的彈簧知識培訓(xùn),避免彈簧不合理使用給操作人員帶來風(fēng)險。