特殊條件下快速切斷閥的支架研究

顧金濤 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

快速切斷閥作為化工工藝流程中常見的閥門型式，在自控調(diào)節(jié)方面具有重要的作用。在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)根據(jù)閥門參數(shù)(外形尺寸，壓力等級(jí)等)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并同時(shí)考慮閥門的安裝空間及支撐。對(duì)于大管徑快速切斷閥，其質(zhì)量、體積都較大，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接處又非常薄弱，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量大，在離切斷閥本體存在一定距離的情況下，產(chǎn)生的力矩相對(duì)薄弱處來說非常大，足以使調(diào)節(jié)閥自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)閥體出現(xiàn)一定的側(cè)向形變，很可能造成閥門在使用過程中出現(xiàn)故障。因此，更要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)閥門支撐方案進(jìn)行分析并確定，避免施工及使用過程中出現(xiàn)比較棘手的難題。本文對(duì)某項(xiàng)目現(xiàn)場遇到的大管徑快速切斷閥支架設(shè)計(jì)的實(shí)際問題進(jìn)行研究，希望對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作起到一定的參考作用。

1 工程案例背景

某項(xiàng)目廢催化劑過濾器(共6臺(tái))需要通過設(shè)備下出口卸出催化劑，管口與自控調(diào)節(jié)閥直連，閥門重2.26t，閥門本體為球閥，自帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)，過濾器與閥門的相對(duì)位置見圖1。

圖1 設(shè)備及閥門相對(duì)位置模型

在設(shè)計(jì)文件中，沒有對(duì)與設(shè)備管口直連的閥門進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，當(dāng)閥門安裝完成后，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)向一側(cè)傾斜，且閥門的重量已經(jīng)超過了空置狀態(tài)下的設(shè)備本體重量，現(xiàn)場人員懷疑若閥門不加支撐，可能會(huì)損壞設(shè)備。

為了確定是否需要對(duì)該閥門進(jìn)行支撐，首先將該閥門所在管線的應(yīng)力空視圖和催化劑過濾器設(shè)備工程圖作為設(shè)計(jì)輸入，進(jìn)行管線應(yīng)力計(jì)算。

計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，管線應(yīng)力較大，在將計(jì)算結(jié)果反饋給設(shè)備專業(yè)后，設(shè)備專業(yè)認(rèn)為，若僅僅依靠設(shè)備管口法蘭連接來承受調(diào)節(jié)閥重量，設(shè)備本體下方的錐形結(jié)構(gòu)壁厚無法滿足受力要求，由于業(yè)主在采購定型設(shè)備時(shí)，廠家未考慮管口的附加荷載，設(shè)備本體無法承受該調(diào)節(jié)閥的重量，需要采取措施對(duì)閥門進(jìn)行支撐。

其它參數(shù)如下：切斷閥公稱直徑為DN400；設(shè)備工作溫度為130℃；設(shè)備有無震動(dòng)：有。

設(shè)備布置見圖2。該布置圖為6m層樓面，六個(gè)廢催化劑過濾器并排布置，每個(gè)設(shè)備下方的DN400管口均連有連快速切斷閥，快速切斷閥下方連接有伸縮機(jī)構(gòu)，用于卸料。卸料時(shí)，在伸縮機(jī)構(gòu)下方放置空桶接料。

圖2 設(shè)備布置圖

2 支架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

設(shè)備管口距離地面3.35m，由于排出的是催化劑廢料，為避免存料，工藝要求快速切斷閥和設(shè)備管口直連，這就造成快速切斷閥門本體穿越半層EL3000平臺(tái)。同時(shí)，流程要求在快速切斷閥下直接連接了一個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，要求伸縮機(jī)構(gòu)出口距離地面1.2m，這樣造成在本來就狹小的空間內(nèi)，管架無法生根(生根將影響下方卸料)，閥門和伸縮機(jī)構(gòu)的支撐極為困難，具體情形見圖1。

業(yè)主從生產(chǎn)檢驗(yàn)角度還要求這6臺(tái)快速切斷閥要實(shí)現(xiàn)每2～3個(gè)月能整體拆下來檢修，支架要求設(shè)計(jì)為可拆卸式，這給支架的設(shè)計(jì)又增加了難度。

3 支架設(shè)計(jì)的方案

3.1 利用設(shè)備管口和快速切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)做支撐

在之前所述的情況下，設(shè)計(jì)此閥門支撐的難點(diǎn)在于空間受限，找不到管架生根的著力點(diǎn)。因此,打算采用三點(diǎn)支撐原理，利用設(shè)備管口和水平放置的快速切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)做支撐點(diǎn)，形成三點(diǎn)支撐，達(dá)到支撐快速切斷閥和伸縮機(jī)構(gòu)的目的，見圖3。

圖3 切斷閥三點(diǎn)支撐示意圖

3.2 在快速切斷閥本體法蘭上做支撐

利用設(shè)備管口和快速切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)做支撐，設(shè)備管口受力過大會(huì)被損壞，快速切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)較長，力矩較大，也無法承受整個(gè)閥門的重量，因此這兩種設(shè)計(jì)思路不可行，又沒有其它可以供管架生根的著力點(diǎn)，只好在快速切斷閥本體上想辦法。

共討論出兩種方案：

(1)在閥體上焊支耳，通過支耳做過渡。但儀表廠家表示快速切斷閥本體上不能焊接，會(huì)損傷內(nèi)部密封，該設(shè)計(jì)思路同樣不可行。

(2)考慮螺栓連接，可供螺栓連接的地方只有快速切斷閥的法蘭連接處。

因此，通過對(duì)以上兩種方案分析比較，在快速切斷閥本體法蘭上做支撐理論上是可行的。

4 支撐點(diǎn)的確定

設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)有震動(dòng)，考慮此種情況需要增加彈簧，因此將運(yùn)行工況條件及設(shè)備、閥門參數(shù)整合起來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算?？紤]到不同的支撐點(diǎn)，通過計(jì)算得到了四種支撐方案，見圖4。

圖4 應(yīng)力計(jì)算模型

下面分別進(jìn)行說明：

支撐方案1：調(diào)節(jié)閥閥體四點(diǎn)支撐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)二點(diǎn)支撐，共六個(gè)支撐點(diǎn)。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)115點(diǎn)受力673N，125點(diǎn)受力955N，閥體單點(diǎn)受力5500N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接法蘭處受力1266N。

支撐方案2：閥體四點(diǎn)支撐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不支撐，共四個(gè)點(diǎn)支撐。閥體單點(diǎn)受力6500N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接法蘭處受力2788N。

支撐方案3：閥體二點(diǎn)支撐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不支撐，共二個(gè)點(diǎn)支撐。閥體單點(diǎn)受力13500N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接法蘭處受力2788N。

支撐方案4：調(diào)節(jié)閥閥體兩點(diǎn)支撐，執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩點(diǎn)支撐，共四個(gè)支撐點(diǎn)。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)115點(diǎn)受力647N，125點(diǎn)受力947N，閥體單點(diǎn)受力12500N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接法蘭處受力1299N。

綜上，經(jīng)過四個(gè)方案支撐效果的對(duì)比，并同時(shí)考慮現(xiàn)場的實(shí)際情況及將來的拆卸檢修，最終選擇了方案4來進(jìn)行閥體的支撐。

5 支撐點(diǎn)處的支架設(shè)計(jì)

5.1 閥體的支撐設(shè)計(jì)

經(jīng)各方討論，最后確定的設(shè)計(jì)方案是，在調(diào)節(jié)閥與伸縮機(jī)構(gòu)的法蘭連接處增加鋼板，詳見圖5。

圖5 切斷閥閥體上的支撐詳圖

鋼板厚度t=20mm，材料為Q-345B，在鋼板上開螺栓孔，夾在法蘭之間進(jìn)行連接，螺栓使用加長螺栓。鋼板上沿設(shè)加筋肋板，增大支撐強(qiáng)度。安裝時(shí)，鋼板伸出來的兩端直接采用所選彈簧進(jìn)行支撐，從而對(duì)閥體實(shí)現(xiàn)彈性支撐。

5.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支撐

在所選方案中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩端也需要進(jìn)行彈性支撐。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，共提出了兩種支撐方案。

方案1：執(zhí)行機(jī)構(gòu)為圓柱形氣缸，因此可在氣缸兩端各增設(shè)一個(gè)U型管卡，然后管卡再與吊桿及彈簧連接，在框架6m層樓面梁上生根，U型管卡樣式見圖6。

圖6 U形管卡示意圖

方案2：通過觀察發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸兩側(cè)各有一組吊耳，用于運(yùn)輸支撐?；诖?，可把現(xiàn)有的吊耳利用起來。

對(duì)比兩種方案，方案1沒有現(xiàn)成的U形管卡，需要現(xiàn)場制作，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)最外側(cè)有一圈鋼筋，管卡被鋼筋擋住，無法支撐在執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體上，只能支撐在鋼筋上。而方案2則可直接利用現(xiàn)有吊耳，比較簡單方便。另外，方案1的上部結(jié)構(gòu)也比方案2復(fù)雜。

綜上所述，最終選擇了方案2為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支撐方案。通過討論，認(rèn)為可以將吊桿通過螺栓與吊耳連接。由于工期緊張，現(xiàn)場沒有現(xiàn)成的吊桿，因此采用了以鋼筋代替吊桿的方案，然后鋼筋再與彈簧連接，鋼筋上部與框架6m層樓面梁連接；彈簧兩側(cè)均用鋼筋連接，彈簧上方的鋼筋做成了鉤子形狀，與下邊的彈簧及上方的梁上吊孔連接。

但安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，一些調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的吊耳沒有朝向正上方，無法直接連接。經(jīng)過與業(yè)主及施工單位溝通，現(xiàn)場將執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的螺母擰下來，將連有吊耳的鋼筋與正上方的鋼筋互換(不能只移動(dòng)吊耳位置，因?yàn)殇摻铋L度不一樣，連接吊耳的鋼筋長度要長一些)，該問題得以解決。

6 結(jié)構(gòu)處理

6.1 結(jié)構(gòu)條件

該切斷閥比較特殊，根據(jù)工藝要求，閥門上的密封需要三個(gè)月更換一次，因此該閥門需要三個(gè)月拆下來一次，這就要求閥體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)也要能夠拆卸，否則會(huì)影響閥門的拆卸。

所以，給結(jié)構(gòu)專業(yè)提支撐條件時(shí)，經(jīng)與業(yè)主及結(jié)構(gòu)專業(yè)討論，提出了能夠拆卸的結(jié)構(gòu)支撐條件。

6.2 結(jié)構(gòu)支撐方案

切斷閥結(jié)構(gòu)支撐做成了可拆卸式，根據(jù)荷載要求，采用H型鋼(型鋼具體型號(hào)見圖7)做成了倒門型支架，支架與樓面鋼梁的連接處采用螺栓連接，彈簧的支撐型鋼與倒門型鋼架的連接也采用螺栓連接，所有支撐部件均可拆卸。

結(jié)構(gòu)圖見圖7及圖8，圖中結(jié)構(gòu)的支撐標(biāo)高為示意，實(shí)際標(biāo)高需要根據(jù)現(xiàn)場鋼板支撐位置高度及彈簧高度進(jìn)行調(diào)整。由于閥門重量過大，結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)支撐設(shè)備支耳的鋼梁強(qiáng)度也進(jìn)行了核算，荷載余量滿足要求。

圖7 結(jié)構(gòu)支撐圖(平面)

圖8 結(jié)構(gòu)支撐圖(立面)

施工完畢后，現(xiàn)場效果如圖9所示。

圖9 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)支撐實(shí)物圖

從圖中可以看出，豎直型鋼與樓面鋼梁通過螺栓連接，型鋼端部焊接了鋼板，然后在樓面鋼梁及鋼板上鉆孔，通過螺栓連接，并且在二者之間增加了肋板進(jìn)行加強(qiáng)處理。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)支撐點(diǎn)采用彈簧吊架進(jìn)行支撐，通過現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上方框架6m層樓面處，有滿足支撐條件的鋼梁，直接利用即可，不必再單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

7 對(duì)以后設(shè)計(jì)工作的啟發(fā)

該工程案例具有一定的典型性，該問題是在現(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)并處理的。基于此，以下對(duì)該類型的問題進(jìn)行系統(tǒng)化梳理，力爭在以后的設(shè)計(jì)過程中，把所有問題解決在設(shè)計(jì)階段。具體流程如下：

(1)大管徑快速切斷閥與設(shè)備管口豎向直連或裝在豎直管道上時(shí)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)重量會(huì)對(duì)管線應(yīng)力產(chǎn)生影響，在收到儀表資料后，第一時(shí)間要查找是否有關(guān)于閥門重量的信息，若沒有，及時(shí)向儀表專業(yè)咨詢，最好由儀表廠家提供閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)各自的重量。

(2)應(yīng)力計(jì)算時(shí)，須將儀表閥門及膜頭重量信息輸入應(yīng)力計(jì)算程序，確定是否需要在閥門本體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)上進(jìn)行支撐(確定有無彈簧)。

(3)若需要對(duì)閥門本體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行支撐，可能在閥體或膜頭上有支撐，須及時(shí)向儀表專業(yè)反饋，要求廠家在閥門本體上焊接支撐點(diǎn)，同時(shí)在膜頭上也做出可供下方支撐或上方吊架生根的結(jié)構(gòu)。

(4)根據(jù)工藝要求，并結(jié)合拆卸檢修空間判斷結(jié)構(gòu)支撐是否可拆卸,并在條件中標(biāo)明。

(5)根據(jù)廠家在做的支撐點(diǎn)位置及應(yīng)力專業(yè)計(jì)算出的荷載及拆卸要求，向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出相應(yīng)的支撐條件。

(6)若閥門與設(shè)備管口直連，還可以與設(shè)備專業(yè)商量通過增強(qiáng)管口荷載的方式承受閥門重量，若設(shè)備壁厚不足以承受該強(qiáng)度，還可以增大設(shè)備壁厚，這是比較理想的方案，可以省去閥門的支撐問題，此時(shí)向結(jié)構(gòu)專業(yè)提設(shè)備支撐條件時(shí)需要在設(shè)備重量的基礎(chǔ)上增加閥門重量。

(7)若閥門水平安裝，可以考慮從閥體上及執(zhí)行機(jī)構(gòu)上進(jìn)行豎向支撐。

在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮全面，能在設(shè)計(jì)中解決的問題就盡量不要去現(xiàn)場解決，參考以上7個(gè)步驟，在以后遇到類似問題時(shí)，基本能夠在設(shè)計(jì)階段合理地解決，從而提高現(xiàn)場的施工效率。

8 結(jié)語

閥門支架是支架設(shè)計(jì)中很重要的一部分，常見而又有一定的特殊性。支架的具體型式與閥門的外形關(guān)系較為密切，不同功能類型和不同廠商的閥門差異往往導(dǎo)致閥門支架的結(jié)構(gòu)變化較大，這就對(duì)閥門的支架設(shè)計(jì)造成了一定的困難。

本文以某項(xiàng)目工程案例中大管徑切斷閥遇到的支撐問題為案例，詳細(xì)論證了不同支撐方案的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選出了最合適的閥門支撐方案，也對(duì)解決過程中遇到的問題及處理過程進(jìn)行了說明，最后總結(jié)了相關(guān)的注意事項(xiàng)，希望可以為以后的設(shè)計(jì)及施工提供一些參考。