安全閥排放管道支架設計

                              安全閥排放管道支架設計
                              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計。通過分析和計算所受的力和力矩，介紹安全閥排放管
道支架的設計方法。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、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計中，排放管支架設計是一項重要的工作，它關系到安全閥能否正常工作，也關系到裝置的安全。
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)排放至儲罐或者火炬系統(tǒng)，排放終點通常連接設備，其出口管道產生的熱位移較大。除要考慮排放介質反作用力和自重的影響外，還需計算二次應力。開式排放系統(tǒng)排放至大氣，其特點是瞬時性，排放管受熱介質影響較小，不計算熱位移對出口管的影響，即不需計算二次應力。
1．1 閉式排放系統(tǒng)
通常，安全閥閉式排放系統(tǒng)的排放管相對較長，我們稱之為“管系”。在穩(wěn)態(tài)流動條件下，管系各部位所受的力和力矩具有自平衡性。在連續(xù)放高溫介質的情況下，會使管道產生變形。管道與設備(或火炬)相連接的地方，由于設備溫度的變化而出現(xiàn)端點位移，端點位移也使管系變形。這些變形使管系承受彎曲、扭轉、拉伸和剪切等應力。目前，計算各點所受力和力矩通常用應力分析程序CAESARⅡ進行計算。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)輸入計算機，應用程序進行計算。由于閉式排放系統(tǒng)出口管道力和力矩的計算有完善的計算程序， 同時該程序應用也較為廣泛，故本篇對該部分不作介紹。
1．2 開式排放系統(tǒng)
開式排放系統(tǒng)的出口管道沒有程序化的計算，其計算結果對排放管的支架設計很重要，因此我們將該部分作為重點進行分析和研究。目前計算安全閥排放管所受力和力矩常用的方法是荷載分析法。荷載分析及計算方法考慮安全閥的排放管除承受內壓、自重等靜荷載以外，還要承受排氣的反作用力等動力荷載。下面將給出排放管動力荷載的計算公式。安全閥排放管出口的流動狀態(tài)可能是臨界流動(臨界壓力大于或等于大氣壓力)，也可能是亞臨界流動(臨界壓力小于大氣壓力)，兩者計算方法是不同的。
首先，根據(jù)安全閥排放介質的參數(shù)計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為介質的比熱比(絕熱指數(shù))，對于空氣、o2、N2、CO等K=1．4；對H2，K=1．41；對于過熱蒸汽、Co2、H2S等，K=1．3；對飽和蒸汽，K=1．13；G為介質量，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放管的流動狀態(tài)。如果為臨界流動，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。始端參數(shù)可按下式計算：

式中，Ps為排放管始端介質壓力，MPa；Ws為排放管始端介質流速，m／s；Vs為排放管始端介質比容，m3／kg；口為介質的比容比； 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)流動的條件下，安全閥開啟時的反作用力F包括動量效應和應力效應兩部分，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為質量流率，kg／s，按安全閥開啟時大流率的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)流動的影響，還應計人動載因子DLF(及動力放大特性)，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算：Ml?F d DLF (10)式中，Ml為彎矩，N·mi F為反力，N；d為分析點到反力作用線的距離，mi DLF為動載因子。
1．2。3 加放空管時所受力和力矩
在進行安全閥出口排放管設計時，如果在出口管道外加設放空管，如圖1所示，且安全閥放空管和放空管支架生根點與安全閥出口管和出口管支架生根點隔開，則將大大降低安全閥放空管對安全閥的影響。故安全閥出口管道支架設計還包括安全閥放空管支架設計，因此，需計算放空管所受力和力矩。放空管在安全閥開啟時，受到FA和FB兩個力的作用，它們可按上述公式計算。設置支架時，支架應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
通過以上對開式排放系統(tǒng)排放管道所受力和力矩的分析，我們可以用來解決實際問題。下面以某煉油廠的安全閥開式排放條件為例，計算排放管道所受力和力矩。
    某煉油廠一安全閥的排放介質為過熱蒸汽，排放量為62 t／h。安全閥開啟壓力為Po：11．2MPa，過熱溫度為520"C，比容為v0=0．03245m 3／kg，垂直放空管道長度為L：10 m。由于安全閥出口管通常做法是加放空管，所以下面將同時計算安全閥出口管出口和放空管固定點所受的力和力矩。根據(jù)工藝參數(shù)和出口介質壓力，可計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 安全閥排放管計算放空管重量：W=LX Tt[( )z一(萼)z=315 N通過計算，II—III段的流通截面為0．01767m2；質量流率為974．6 kg／m2·S。I—II段的流通截面為0．03365 m2；質量流率為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。首先計算I—II段：過熱蒸汽的比熱容比：

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點處垂直分力：Fry=FI×cos30。=14043 N水平分力：FⅡ{= FI×sin30。=8108 N
動力系數(shù)取2，求固定點受力：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對固定點產生的力矩為：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。又由于水平分力對固定點也產生了力矩MH =FH×0．5=16216×0．5=8108 N·m
用右手原則，力矩方向朝里，故固定點所受彎矩：M =Mv+ MH=15051 N·m通過計算固定點所受的力和力矩，為設計放空管支架提供依據(jù)。
2 支架設計
安全閥排放管道支架設計包括：開式排放管道支架和閉式排放系統(tǒng)管道支架的設計。所謂支架設計，實際上是根據(jù)各種已有的支架型式(已通過計算程序校核，并現(xiàn)場實際應用可行)，依據(jù)計算的各點所受的力和力矩(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。其支架設計包括這兩部分管道的支架設計。
2．1．1 出口管道
通過前面分析，安全閥出口管II點受力和力矩為：Fn：21291 NM =21291 N·rn根據(jù)FII受力方向向下，故在彎頭處應設置支撐支架。根據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》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型號的支架。通常，支撐管管徑比安全閥出口管小一級，如圖3所示。支出口管小一級5孔要求能滑動圖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能承受泄放時的反作用力和產生的力矩。通常在安全閥放空管道上靠近上面排放口處設置固定支架，同時，為了防止安全閥出口產生過大的橫向沖擊力，在固定支架下面的垂直管道上，每隔6～8 m設置導向支架，如圖2所示。
(1)固定支架
通過以上計算的放空管道固定點的受力和力矩，依據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》中第十五章“管道支吊架系列”進行選取。
支架計算條件長度：Lo=500 l-flirt固定點垂直分力：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也許有人會說所選取的允許垂直荷載F，V和水平推力F，H比實際大很多，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狀態(tài)。
(2)根據(jù)流動狀態(tài)，確定安全閥排放管所受的力和力矩。與本文相關的論文有：安全閥定期檢驗辦事指南
參考文獻
1 張德姜等．石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊．北京：中國石化出版社，2004
(3)根據(jù)所受的力和力矩，確定安全閥排放 唐永進，壓力管道應力分析，北京：中國石化出版