安全閥排放管道支架設(shè)計(jì)

                              安全閥排放管道支架設(shè)計(jì)
                              上海申弘閥門有限公司
摘要 分析和研究安全閥排放管支架的設(shè)計(jì)。通過(guò)分析和計(jì)算所受的力和力矩，介紹安全閥排放管
道支架的設(shè)計(jì)方法。上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。安全閥排放管支架在安全閥配管設(shè)計(jì)中，排放管支架設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的工作，它關(guān)系到安全閥能否正常工作，也關(guān)系到裝置的安全。
1 力和力矩
安全閥的排放系統(tǒng)分閉式和開式兩種，計(jì)算其反作用力和力矩采用不同的方法。閉式排放系統(tǒng)排放至儲(chǔ)罐或者火炬系統(tǒng)，排放終點(diǎn)通常連接設(shè)備，其出口管道產(chǎn)生的熱位移較大。除要考慮排放介質(zhì)反作用力和自重的影響外，還需計(jì)算二次應(yīng)力。開式排放系統(tǒng)排放至大氣，其特點(diǎn)是瞬時(shí)性，排放管受熱介質(zhì)影響較小，不計(jì)算熱位移對(duì)出口管的影響，即不需計(jì)算二次應(yīng)力。
1．1 閉式排放系統(tǒng)
通常，安全閥閉式排放系統(tǒng)的排放管相對(duì)較長(zhǎng)，我們稱之為“管系”。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下，管系各部位所受的力和力矩具有自平衡性。在連續(xù)放高溫介質(zhì)的情況下，會(huì)使管道產(chǎn)生變形。管道與設(shè)備(或火炬)相連接的地方，由于設(shè)備溫度的變化而出現(xiàn)端點(diǎn)位移，端點(diǎn)位移也使管系變形。這些變形使管系承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸和剪切等應(yīng)力。目前，計(jì)算各點(diǎn)所受力和力矩通常用應(yīng)力分析程序CAESARⅡ進(jìn)行計(jì)算。我們可以將安全閥出口管道的操作條件和管系的走向等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算。由于閉式排放系統(tǒng)出口管道力和力矩的計(jì)算有完善的計(jì)算程序， 同時(shí)該程序應(yīng)用也較為廣泛，故本篇對(duì)該部分不作介紹。
1．2 開式排放系統(tǒng)
開式排放系統(tǒng)的出口管道沒(méi)有程序化的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果對(duì)排放管的支架設(shè)計(jì)很重要，因此我們將該部分作為重點(diǎn)進(jìn)行分析和研究。目前計(jì)算安全閥排放管所受力和力矩常用的方法是荷載分析法。荷載分析及計(jì)算方法考慮安全閥的排放管除承受內(nèi)壓、自重等靜荷載以外，還要承受排氣的反作用力等動(dòng)力荷載。下面將給出排放管動(dòng)力荷載的計(jì)算公式。安全閥排放管出口的流動(dòng)狀態(tài)可能是臨界流動(dòng)(臨界壓力大于或等于大氣壓力)，也可能是亞臨界流動(dòng)(臨界壓力小于大氣壓力)，兩者計(jì)算方法是不同的。
首先，根據(jù)安全閥排放介質(zhì)的參數(shù)計(jì)算排放管出口的臨界壓力、臨界流速和臨界比容：Pc √ ‘TG e~PoVo‘10。 (1)wc=√ ‘PoVo。103 (2)Vc=Wc·吉 (3)式中，Pc為臨界壓力，SPa；Wc為臨界流速，m／s；Vc為臨界比容，m3／kg；K為介質(zhì)的比熱比(絕熱指數(shù))，對(duì)于空氣、o2、N2、CO等K=1．4；對(duì)H2，K=1．41；對(duì)于過(guò)熱蒸汽、Co2、H2S等，K=1．3；對(duì)飽和蒸汽，K=1．13；G為介質(zhì)量，kg／s；f為排放管出口流通截面，m2；Po為安全閥人口滯止壓力，MPa；Vo為安全閥人口滯止比容，m3／kg放管的流動(dòng)狀態(tài)。如果為臨界流動(dòng)，則排放管道的末段參數(shù)為臨界參數(shù)，始端參數(shù)與管道的總阻力系數(shù)1：有關(guān)。始端參數(shù)可按下式計(jì)算：

式中，Ps為排放管始端介質(zhì)壓力，MPa；Ws為排放管始端介質(zhì)流速，m／s；Vs為排放管始端介質(zhì)比容，m3／kg；口為介質(zhì)的比容比； 為等截面管道的總阻力系數(shù)：



1．2．1 排放管受力
在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的條件下，安全閥開啟時(shí)的反作用力F包括動(dòng)量效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)兩部分，即：F=G·W+ (P—Pa)f·10 (9)式中，F(xiàn)為排放管出口的反作用力，N；G為質(zhì)量流率，kg／s，按安全閥開啟時(shí)大流率的1．1倍；W 為排放管的出口流速，m／s；P為排放管出口的靜壓，MPa；f為排放管出口的通流面積，m 2i Pa為大氣壓力，MPa。為了考慮瞬態(tài)流動(dòng)的影響，還應(yīng)計(jì)人動(dòng)載因子DLF(及動(dòng)力放大特性)，常取DLF=2。
1．2．2 排放管受力矩
由排放管所受力引起的彎矩可按以下公式計(jì)算：Ml?F d DLF (10)式中，Ml為彎矩，N·mi F為反力，N；d為分析點(diǎn)到反力作用線的距離，mi DLF為動(dòng)載因子。
1．2。3 加放空管時(shí)所受力和力矩
在進(jìn)行安全閥出口排放管設(shè)計(jì)時(shí)，如果在出口管道外加設(shè)放空管，如圖1所示，且安全閥放空管和放空管支架生根點(diǎn)與安全閥出口管和出口管支架生根點(diǎn)隔開，則將大大降低安全閥放空管對(duì)安全閥的影響。故安全閥出口管道支架設(shè)計(jì)還包括安全閥放空管支架設(shè)計(jì)，因此，需計(jì)算放空管所受力和力矩。放空管在安全閥開啟時(shí)，受到FA和FB兩個(gè)力的作用，它們可按上述公式計(jì)算。設(shè)置支架時(shí)，支架應(yīng)能承受垂直方向和水平方向的不平衡力和力矩。囊冬圖1 安全閥出口放空管放空管所受力：F=FB—FA—W式中，F(xiàn)B、FA根據(jù)式(9)計(jì)算i W 為放空管自身的重量(如果放空管很短，可忽略)。放空管所受力矩同樣可以按式(10)計(jì)算。為了便于分析安全閥排放管所受的力和力矩，我們將把安全閥排放管分成兩部分：安全閥出口管和安全閥放空管(對(duì)閉式排放系統(tǒng)安全閥出口排放管同樣適用)。
1．2．4 示例
通過(guò)以上對(duì)開式排放系統(tǒng)排放管道所受力和力矩的分析，我們可以用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。下面以某煉油廠的安全閥開式排放條件為例，計(jì)算排放管道所受力和力矩。
    某煉油廠一安全閥的排放介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，排放量為62 t／h。安全閥開啟壓力為Po：11．2MPa，過(guò)熱溫度為520"C，比容為v0=0．03245m 3／kg，垂直放空管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)：10 m。由于安全閥出口管通常做法是加放空管，所以下面將同時(shí)計(jì)算安全閥出口管出口和放空管固定點(diǎn)所受的力和力矩。根據(jù)工藝參數(shù)和出口介質(zhì)壓力，可計(jì)算出安全閥出口管為 159 1TI／TI×4．5mm．，放空管為 219 nqlTl×6 m (可參考表1放空管尺寸選擇表)，安全閥排放管如圖2所示。圖2 安全閥排放管計(jì)算放空管重量：W=LX Tt[( )z一(萼)z=315 N通過(guò)計(jì)算，II—III段的流通截面為0．01767m2；質(zhì)量流率為974．6 kg／m2·S。I—II段的流通截面為0．03365 m2；質(zhì)量流率為511．8 kg／m2·S。由等截面管道的總阻力系數(shù)得II—III段總阻力系數(shù)為0．4677；I—II段的總阻力系數(shù)為1．5。首先計(jì)算I—II段：過(guò)熱蒸汽的比熱容比：

臨界方向向下，相反，截面II放空管受力向上。安全閥入口接管根部的彎矩：動(dòng)力系數(shù)DLF取2，則M =FII‘d·DLF=21291×0．5×2=21291 N·m為了克服安全閥入口接管根部處的彎矩，故要求在安全閥出口管彎頭處設(shè)一支架。截面I受力：FI=G·W+ (Pc—Pa)f×10= ×640_9+ (0．252_0．0981)×0．03365×10b=16216 NI點(diǎn)處垂直分力：Fry=FI×cos30。=14043 N水平分力：FⅡ{= FI×sin30。=8108 N
動(dòng)力系數(shù)取2，求固定點(diǎn)受力：垂直分力：Fv=2× (Fn—Fry—W )=2× (21291—14043—315)=13866 N(方向向上)水平分力：FH=2×FⅡ{=2×8108=16216 N(方向向右)由垂直分力Fv對(duì)固定點(diǎn)產(chǎn)生的力矩為：Mv =Fv×Lo=13886×0．5=6943 N·m
根據(jù)判斷力和力矩方向，用右手原則，力矩方向朝里。又由于水平分力對(duì)固定點(diǎn)也產(chǎn)生了力矩MH =FH×0．5=16216×0．5=8108 N·m
用右手原則，力矩方向朝里，故固定點(diǎn)所受彎矩：M =Mv+ MH=15051 N·m通過(guò)計(jì)算固定點(diǎn)所受的力和力矩，為設(shè)計(jì)放空管支架提供依據(jù)。
2 支架設(shè)計(jì)
安全閥排放管道支架設(shè)計(jì)包括：開式排放管道支架和閉式排放系統(tǒng)管道支架的設(shè)計(jì)。所謂支架設(shè)計(jì)，實(shí)際上是根據(jù)各種已有的支架型式(已通過(guò)計(jì)算程序校核，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用可行)，依據(jù)計(jì)算的各點(diǎn)所受的力和力矩(閉式排放系統(tǒng)管道還包括位移)，正確選取合適的支架。選取支架的原則：所選取的支架允許的荷載和許用彎矩，必須大于實(shí)際所受的力和彎矩。
2．1 開式排放系統(tǒng)
由前面分析，安全閥開出口管和放空管。其支架設(shè)計(jì)包括這兩部分管道的支架設(shè)計(jì)。
2．1．1 出口管道
通過(guò)前面分析，安全閥出口管II點(diǎn)受力和力矩為：Fn：21291 NM =21291 N·rn根據(jù)FII受力方向向下，故在彎頭處應(yīng)設(shè)置支撐支架。根據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第十五章“管道支吊架系列”里“碳鋼管道彎頭支托系列”，選取WT一1—150一H型號(hào)的支架。通常，支撐管管徑比安全閥出口管小一級(jí)，如圖3所示。支出口管小一級(jí)5孔要求能滑動(dòng)圖3 安全閥出口管支架
2．1．2 放空管道
安全閥放空管道的支架要求應(yīng)能承受泄放時(shí)的反作用力和產(chǎn)生的力矩。通常在安全閥放空管道上靠近上面排放口處設(shè)置固定支架，同時(shí)，為了防止安全閥出口產(chǎn)生過(guò)大的橫向沖擊力，在固定支架下面的垂直管道上，每隔6～8 m設(shè)置導(dǎo)向支架，如圖2所示。
(1)固定支架
通過(guò)以上計(jì)算的放空管道固定點(diǎn)的受力和力矩，依據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》中第十五章“管道支吊架系列”進(jìn)行選取。
支架計(jì)算條件長(zhǎng)度：Lo=500 l-flirt固定點(diǎn)垂直分力：Fv=13866 N水平分力：FH=16216 N彎矩：M =15051 N·m可選用生根在柱子上的三角支架刁一2—8型。支架的懸臂梁型鋼規(guī)格為： [12．6，斜撐為100×8。支架允許的垂直荷載：F，v=113050N>Fv其允許的水平推力：F，H=0．3F，v=33915 N>FH也許有人會(huì)說(shuō)所選取的允許垂直荷載F，V和水平推力F，H比實(shí)際大很多，但如果選用[10，其允許的垂直荷載F，v=19650 N>Fv滿足條件，但由F，H=0．3 F，V=5895 N<FH，就不能(1)確定安全閥排放管流動(dòng)狀態(tài)。
(2)根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)，確定安全閥排放管所受的力和力矩。與本文相關(guān)的論文有：安全閥定期檢驗(yàn)辦事指南
參考文獻(xiàn)
1 張德姜等．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：中國(guó)石化出版社，2004
(3)根據(jù)所受的力和力矩，確定安全閥排放 唐永進(jìn)，壓力管道應(yīng)力分析，北京：中國(guó)石化出版