周金娟，宋軍帥，尹本寬

(開封空分集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 魏都路 189號(hào)　475004)

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空分冷箱內(nèi)井字形管道支架許用荷載計(jì)算

周金娟，宋軍帥，尹本寬

(開封空分集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，河南 開封 魏都路 189號(hào)475004)

隨著空分等級(jí)大型化，冷箱內(nèi)管道支架設(shè)計(jì)的合理性成為影響其安全運(yùn)行的重要因素之一。對(duì)于大管徑的管道一般采用井字形支架。通過對(duì)井字形管道支架的許用荷載進(jìn)行計(jì)算，為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)合理的管道支架提供了理論依據(jù)。

空分；冷箱；井字形管道支架；許用荷載

1　空分設(shè)備冷箱內(nèi)井字形管道支架許用荷載計(jì)算的必要性

隨著空分等級(jí)大型化，冷箱內(nèi)管道支架設(shè)計(jì)的合理性成為影響其安全運(yùn)行的重要因素之一?？辗掷湎鋬?nèi)的設(shè)備和管道的材料一般為5083或5052的鋁材，而管道支架一般直接生根在設(shè)備上，因此組成管道支架的型材選用鋁材。

目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各類參考文獻(xiàn)在支架的受力計(jì)算時(shí)均針對(duì)鋼制材料，而對(duì)鋁制材料的管道支架研究很少。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)管道支架時(shí)往往憑借經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的管道支架要么強(qiáng)度不夠，要么為了保證強(qiáng)度而一味的增加型材的尺寸，造成材料的浪費(fèi)；另外，在空分冷箱內(nèi)管道支架的型式有多種，大管徑管道一般采用井字形支架。針對(duì)以上兩個(gè)問題，本文將對(duì)井字形管道支架的許用荷載進(jìn)行理論計(jì)算。

2　空分設(shè)備冷箱內(nèi)井字形管道支架許用荷載計(jì)算

2.1井字形管道支架型式及組成

本論文所設(shè)計(jì)的井字形管道支架的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中支架由橫梁、橫撐和斜撐組成，型材選用槽鋁。在制作時(shí)，各部件之間以焊接方式連接，焊接型式為直角角焊縫。

2.2支架許用荷載計(jì)算

在正常工作條件下，管道承受Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的力，方向如圖1所示。三個(gè)方向的力通過管道墊板和支耳傳遞到支架上。本節(jié)將分別計(jì)算三個(gè)方向的力許用值。

1. 墊板；2. 支架；3. 支耳；4. 管道墊板

2.2.1直角角焊縫強(qiáng)度計(jì)算許用荷載

垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力：

平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力：

2.2.2支架所能承受的Fx最大值計(jì)算

Fx通過C、C’處的支耳傳遞到橫梁AD、A’D’上，P、Q處的支耳不受力。因此橫梁AD和A’D’分別在C和C’處承受Fx/2作用，為簡(jiǎn)化計(jì)算斜撐不承擔(dān)力，因此計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為圖2所示的6次超靜定結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)對(duì)稱，荷載反對(duì)稱，可根據(jù)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》[2]中“對(duì)稱結(jié)構(gòu)在反對(duì)稱荷載作用下，其內(nèi)力和位移都是反對(duì)稱的”，取結(jié)構(gòu)的一半為基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為二次超靜定結(jié)構(gòu)，采用力法進(jìn)行受力分析，最終得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖如圖3所示，切應(yīng)力的影響很小可忽略不予計(jì)算。

圖2　Fx作用下簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型

彎矩圖

軸力圖

對(duì)橫梁，A(A’)處為危險(xiǎn)截面：

(3)

對(duì)橫撐，E(E’) 處和D(D’)處均為危險(xiǎn)截面：

式中，M為彎矩，F(xiàn)為軸力，A為型材的截面面積，Wy為型材y-y軸的抗彎截面系數(shù)，[σ]為型材許用應(yīng)力。

利用式(1)和式(3)～(5)求解所得到的Fx值進(jìn)行比較，取最小值為Fx的許用值。

2.2.3支架所能承受的Fy的最大值計(jì)算

Fy通過P、Q處的支耳傳遞到橫撐EE’和DD’上，C、C’處的支耳不受力。對(duì)橫撐EE’和DD’，在中點(diǎn)P、Q分別承受Fy/2的力，方向與Fy相同。在Fy/2力的作用下，橫撐在y方向受彎，最大彎矩為FyL/16。因此，對(duì)橫撐：σmax=Mmax/Wy=FyL/(16Wy)≤[σ]，所以，

橫撐兩端的支座反力為Fy/4剪力和FyL/16彎矩，并由橫梁AD和A’D’承受，同樣為了簡(jiǎn)化計(jì)算斜撐不承擔(dān)力，如圖4所示。

圖4　Fy作用下橫梁受力圖(M=FyL/16)

因此橫梁的端點(diǎn)A和A’為危險(xiǎn)截面：

利用式(1)、(6)、(7)求解得到的Fy值進(jìn)行比較，取最小值為Fy的許用值。

2.2.4支架所能承受的Fz的最大值計(jì)算

在Fz作用下，每個(gè)支耳上承受Fz/4荷載，作用到支架上的C、C’、P和Q點(diǎn)處。首先對(duì)橫撐在z方

向受彎，彎矩最大值為FzL/32，因此最大正應(yīng)力為：σmax=Mmax/Wx=FzL/(32Wx)≤[σ]，所以，

式中，Wx為型材x-x軸的抗彎截面系數(shù)。

橫撐兩端的反力為Fz/8的剪力和FzL/32的彎矩。因此，對(duì)由橫梁和斜撐組成的三角架，在E點(diǎn)和D點(diǎn)分別承受Fz/8的力和FzL/32的扭矩，在C點(diǎn)承受Fz/4的力。由于切應(yīng)力很小，扭矩的作用可忽略，分析時(shí)可簡(jiǎn)化為在C點(diǎn)承受Fz/2的豎直向下的力，如圖5所示。

圖5　Fz作用下橫梁受力圖

橫梁所承受的軸向拉力為N1=Fz/(2tanα)，斜撐所承受的軸向壓力為N2=Fz/(2sinα)。

對(duì)橫梁：σ=N1/A=Fz/(2Atanα)≤[σ]，所以，

Fz≤2A[σ]tanα(9)

為了使斜撐在受壓過程中不發(fā)生彎曲變形，需對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，因此對(duì)斜撐：

σ=N2/(φA)=Fz/(2φAsinα)≤[σ]，所以，

Fz≤2φA[σ]sinα(10)

式中，α為橫梁與斜撐的夾角，本論文取30°～60°，φ為斜撐的穩(wěn)定系數(shù)[3]。

3　計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

利用本論文第2節(jié)所得到的計(jì)算公式，對(duì)空分冷箱內(nèi)500≤DN≤800管道進(jìn)行計(jì)算。支架型材選用U100×48×6.3的槽鋁，L’取固定值250 mm，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　不同管徑下井字形管道支架的許用荷載值

根據(jù)表1中的計(jì)算結(jié)果可以得出：

1. 由焊縫強(qiáng)度計(jì)算得出的許用荷載值很大，在設(shè)計(jì)時(shí)可不予與考慮；

2. 當(dāng)型材不變時(shí)，F(xiàn)x和Fy的許用值隨管徑的增大而減小。另外當(dāng)管徑較小時(shí)，F(xiàn)z的許用值由橫梁決定，當(dāng)管徑增大到一定程度后其值將由橫撐決定。這是由于隨管徑增大，橫撐的長(zhǎng)度L增大，彎矩變大，從而導(dǎo)致許用荷載變小。因此對(duì)于大管徑管道，設(shè)計(jì)管架時(shí)，可考慮在橫梁和橫撐之間增加小橫撐，使力均勻分配到橫撐上，從而增大其許用荷載值。

4　結(jié)束語

本論文為井字形管道支架許用荷載的計(jì)算提供了參考依據(jù)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)管架時(shí)可根據(jù)具體情況選擇合適的型材和管架型式，保證了管架的安全可靠性，同時(shí)避免了材料的浪費(fèi)。

[1] GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[G]. 3版. 北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[3] 李廉錕. 結(jié)構(gòu)力學(xué)(上冊(cè))[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2004.

一種膜分離水溶氦氣提取系統(tǒng)

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201610357846.X

公開(公告)日：2016-07-27

申請(qǐng)(專利權(quán))人：天邦膜技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司

摘要：本發(fā)明公開了一種膜分離水溶氦氣提取系統(tǒng)，脫硫罐下部出口連接脫氫罐；脫氫罐出口連接冷干機(jī)；冷干機(jī)出口連接氦氣膜分離器；氦氣膜分離器滲透氣出口連接真空泵；質(zhì)量流量控制器出口連接脫氫罐入口；脫氫罐入口連接在線氫分儀；脫氫罐及質(zhì)量流量控制器均連入PLC顯示控制模塊。在催化劑的作用下，氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生化和反應(yīng)消除氫氣，空氣中殘留的氮?dú)鈱?duì)含氦水溶氣中的氦氣提取不構(gòu)成影響；脫硫、脫氫后的含氦水溶氣經(jīng)過冷干機(jī)脫水至100～1000ppm后進(jìn)入氦氣膜分離器進(jìn)行氦氣提?。桓患獾臐B透氣經(jīng)過真空泵送出界外進(jìn)行收集；貧氦的非滲透氣外排。

氪、氙氣純化用吸氣劑及其制備方法

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201410577612.7

公開(公告)日：2016-06-29

申請(qǐng)(專利權(quán))人：武漢鋼鐵(集團(tuán))公司 大連華邦化學(xué)有限公司

摘要：本發(fā)明涉及一種氪、氙氣純化用多元合金吸氣劑及其制備方法，解決了現(xiàn)有吸氣劑存在的針對(duì)性較差、處理能力不足、損耗大、易粉化、壽命短等問題。所述多元合金吸氣劑中鋯成分含量占50%～65%，鋁成分含量占10%～20%，鐵成分含量占5%～10%，鈦成分含量占2%～10%，鑭成分含量占3%～5%，硅成分含量占3%～5%，其余為不可避免的雜質(zhì)。所述方法包括合金單質(zhì)的預(yù)處理、合金熔煉和合金的粉碎過程。本發(fā)明吸氣劑對(duì)高純度氪、氙氣體(99.999%)的純度要求，抗原料氣碳氟化合物、氧氮化合物波動(dòng)范圍大、對(duì)原料氣雜質(zhì)吸附容量大、對(duì)原料氣雜質(zhì)脫除深度高、使用溫度范圍寬(300-1000℃)、不粉化、使用壽命長(zhǎng)。

一種復(fù)合儲(chǔ)氫材料的制備

方法及其應(yīng)用

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201510558213.0

公開(公告)日：2015-12-16

申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所 湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司

摘要：本發(fā)明公開了一種復(fù)合儲(chǔ)氫材料的制備方法，先將氯化鋁與硼氫化鋰以摩爾比為1:2-1:4的比例均勻混合，然后對(duì)上述混合物在低溫下進(jìn)行恒溫加熱，再將加熱產(chǎn)生的氣體通入高交聯(lián)多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物，即得硼氫化鋁/高交聯(lián)多孔苯乙烯-二乙烯苯共聚物復(fù)合材料，作為氫源材料，可于較低的加熱溫度下獲得大量高純氫氣，制備工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且成本適中；還公開了其應(yīng)用，用于釋放氫氣。

Allowable Load’s Calculation for Well-Shaped Pipe Support in the Cold Box of Air Separation

ZHOU Jinjuan, SONG Junshuai, YIN Benkuan

( KFAS Research and Development Institute, 189 Weidu Road, Kaifeng 475004, China)

With the large-scale of air separation plant, the rationality of pipe support in cold box becomes one of the important factors affecting the safe operation. Well-shaped pipe support is commonly used for large diameter pipes. Through calculating the allowable load for well-shaped pipe support, a theoretical basis is provided to the designer in designing reasonable pipe support.

air separation; cold box; well-shaped pipe support; allowable load

2016-04-15

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0016-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.005

周金娟(1987)，女，畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院從事壓力管道設(shè)計(jì)工作。