彈簧支座在蒸發(fā)器中的應(yīng)用

趙紅喬

（中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410114）

蒸發(fā)器是使揮發(fā)性溶劑和不揮發(fā)性溶質(zhì)分離的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保及食品等領(lǐng)域。蒸發(fā)器通常由加熱室、蒸發(fā)室、循環(huán)泵及外循環(huán)管組成，其中加熱室和蒸發(fā)室靠循環(huán)管來(lái)連接。

蒸發(fā)器的支撐較為常見(jiàn)為蒸發(fā)室、加熱室及循環(huán)管獨(dú)立支撐，從立面布置看，蒸發(fā)室支撐于第三層樓面的基礎(chǔ)上，加熱室和循環(huán)管分別支撐于第二層樓面的基礎(chǔ)上，循環(huán)泵采用懸掛式的形式，但電機(jī)支撐于第一層樓面的基礎(chǔ)上。由于采用多組支座帶來(lái)了多約束的問(wèn)題，還應(yīng)考慮蒸發(fā)器管路系統(tǒng)由冷態(tài)到熱態(tài)產(chǎn)生的熱位移。

工程設(shè)計(jì)常見(jiàn)的方法是在管路中間設(shè)置膨脹節(jié)和利用管路本身的柔性自然補(bǔ)償[1]。膨脹節(jié)的壁厚一般較薄，由于蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)含有晶體顆粒，將對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)生沖刷磨損。另一方面，膨脹節(jié)吸收由于介質(zhì)溫度而引起的熱位移，膨脹節(jié)本身的應(yīng)力將很大，如果蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)氯離子含量較高，將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。所以在實(shí)際生產(chǎn)使用過(guò)程中膨脹節(jié)的壽命不長(zhǎng)，經(jīng)常需要維修或更換膨脹節(jié)，膨脹節(jié)的維修或更換需要系統(tǒng)停車(chē)進(jìn)行，影響正常生產(chǎn)。利用管路本身的柔性自然補(bǔ)償由于不能定量計(jì)算出管路的自然補(bǔ)償量，一般只能憑經(jīng)驗(yàn)參考類(lèi)似的工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對(duì)上面兩種方法的局限性，本文通過(guò)把第二層的支座設(shè)置為彈簧支座，這樣解決了多組支座帶來(lái)多約束的問(wèn)題，可以人為分配各支座所承受的載荷，同時(shí)接管又能自由膨脹，把熱應(yīng)力減小到最低限度。以某硫化堿工程為例，通過(guò)分析計(jì)算蒸發(fā)器的膨脹量、彈簧的載荷及位移，合理設(shè)計(jì)彈簧支座，為同類(lèi)型的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工藝條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

某硫化堿工程蒸發(fā)器安裝在蒸發(fā)車(chē)間內(nèi)，其蒸發(fā)室安裝在標(biāo)高為+22000mm 的三層樓面上，加熱室安裝在標(biāo)高為+13000mm 二層樓面。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。蒸硫化堿液在加熱室管內(nèi)加熱，通過(guò)上循環(huán)管進(jìn)入蒸發(fā)室。該設(shè)備的主要特點(diǎn)：跨樓層布置且樓層間距大，介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，溫度較高，由于循環(huán)泵采用懸掛式軸流泵，所以標(biāo)高為+13000mm 支座以下部分加熱室和循環(huán)管能自由熱膨脹。

根據(jù)工藝條件及技術(shù)參數(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中標(biāo)高為+22300mm的支座采用固定支座，標(biāo)高為+13200mm 處為彈簧支座，這樣便于各支座載荷分布和吸收熱位移。

圖1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 支座載荷的確定

由于本工程的蒸發(fā)器標(biāo)高為+22300mm 的支座采用固定支座，標(biāo)高為+13200mm 處采用彈簧支座，為了支座的設(shè)計(jì)計(jì)算和系統(tǒng)的載荷分配，首先要確定各樓層的載荷。

2.1 標(biāo)高為+22300mm處載荷的確定

該處的載荷包括：蒸發(fā)室本體及附件（含保溫材料）的質(zhì)量、下循環(huán)管的（含保溫材料）質(zhì)量、蒸發(fā)室及下循環(huán)管中物料質(zhì)量或水壓試驗(yàn)時(shí)水的質(zhì)量的較大值（取物料質(zhì)量）。

由圖1所示，蒸發(fā)室（件1）和下循環(huán)管（件2）操作時(shí)總重為125000kg（其中料液101000kg）。

2.2 標(biāo)高為+13200mm處載荷的確定

該處的載荷包括：下擴(kuò)大錐段本體及附件（含保溫材料）的質(zhì)量，加熱室的（含保溫材料）質(zhì)量，上循環(huán)管、循環(huán)泵、加熱室及上循環(huán)管和下擴(kuò)大錐段中物料質(zhì)量或水壓試驗(yàn)時(shí)水的質(zhì)量的較大值（取物料質(zhì)量）。

由圖1所示，循環(huán)泵（件3）、擴(kuò)大錐段（件4）、加熱室（件5）和上循環(huán)管（（件6））操作時(shí)總重為50000kg（其中料液26000kg）。

這部分載荷由上循環(huán)管與蒸發(fā)室連接的管口和彈簧支座承擔(dān)，為了計(jì)算方便，載荷全部分配到彈簧支座上。

3 熱膨脹量的計(jì)算

由于殼程蒸汽的溫度及管程介質(zhì)的溫度較高，而且標(biāo)高為+22000mm 蒸發(fā)室的支座和標(biāo)高為+13000mm 加熱室支座之間的距離也較大，因此，在設(shè)計(jì)中必須考慮熱膨脹，否則將會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。

3.1 加熱室的熱膨脹量

加熱室在操作溫度下，加熱室的管程和殼程的軸向熱膨脹相互約束并保持協(xié)調(diào)，采用位移協(xié)調(diào)條件求出加熱室的軸向熱膨脹量[2]。

式中：αt為加熱室管束的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，1/℃；

αs為加熱室殼體的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，1/℃；

l0為加熱室的長(zhǎng)度，mm；

Δtt為換熱管設(shè)計(jì)溫度與安裝溫度之差，℃；

Δts為換熱器殼體設(shè)計(jì)溫度與安裝溫度之差，℃；

p0為加熱室殼程和管程因熱膨脹量不同產(chǎn)生的約束力，N；

Et為加熱室管程材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，MPa；

Es為加熱室殼程材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，MPa；

At為加熱室管束的凈截面積，mm2；

As為加熱室殼體的凈截面積，mm2。

本蒸發(fā)器加熱室管束材質(zhì)為S31008，αt取16.8×10-61/℃，加 熱 室 殼 體 材 質(zhì) 為S30408，αs取16.753×10-61/℃；l0取5996mm；Δtt為150℃，Δts為165℃；Et取183430MPa，Es取183430MPa；

At為26515.7mm2，As為75385.66mm2。把數(shù)據(jù)代入上式得到加熱室的軸向熱膨脹量為15.4mm，由于加熱室支座以下部分可以自由膨脹，只有加熱室支座以上部分的軸向熱位移對(duì)支座有影響，加熱室支座以上部分的熱位移量為7.0mm。

3.2 上循環(huán)管和蒸發(fā)室的熱膨脹量

上循環(huán)管和蒸發(fā)罐的熱膨脹量，可按下式計(jì)算：

式中：ΔL-上循環(huán)管和蒸發(fā)室的熱膨脹量，mm；

α為上循環(huán)管和蒸發(fā)室的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)，1/℃；

L為蒸發(fā)室支座到加熱室上部密封面之間的距離，mm；

Δt為蒸發(fā)室和上循環(huán)管設(shè)計(jì)溫度與安裝溫度之差，℃。

由于蒸發(fā)室和上循環(huán)管的材質(zhì)為S31008，α取16.8×10-61/℃；L經(jīng)計(jì)算為5950mm；Δt為150℃。代入上式計(jì)算得到上循環(huán)管和蒸發(fā)室的熱位移量為15.0mm。

所以加熱室的彈簧支座的需要的補(bǔ)償量為22mm。

4 彈簧支座的計(jì)算

計(jì)算出熱膨脹量和彈簧支座承受的工作載荷后，就可以計(jì)算彈簧了，通常按下列步驟進(jìn)行：

1）根據(jù)工作荷載，可以求安裝荷載，載荷變化率不大于25%，在此范圍內(nèi)先假定一個(gè)安裝荷載。

2）計(jì)算彈簧的剛度，彈簧的剛度=（工作荷載-安裝荷載）/熱位移量。

3）根據(jù)2）選擇彈簧，若單根彈簧不夠，可以并聯(lián)、三聯(lián)、四聯(lián)等，組成彈簧組。

4）根據(jù)所選擇彈簧，求實(shí)際的安裝荷載[3]。

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)本工程的特點(diǎn)，對(duì)加熱室彈簧支座提出了兩個(gè)方案。

方案一：選用兩件TD60F19組成一組彈簧支座，共四個(gè)彈簧支座，一個(gè)彈簧支座的工作荷載為122625N，安裝載荷為103058N，彈簧支座的剛度為831.118N/mm。

方案二：選用每個(gè)支座選用一件TD30F22彈簧，共四個(gè)彈簧支座，一個(gè)彈簧支座的工作荷載為122625N，安裝載荷為91938N，彈簧支座的剛度為1838.76N/mm。

從上面的計(jì)算結(jié)果看，選方案一比較合理，但由于本工程加熱室的彈簧支座的安裝空間有限，最后設(shè)計(jì)選用了方案二。

5 校核計(jì)算

由于加熱室與循環(huán)泵相連，循環(huán)泵是一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備，因此需要計(jì)算彈簧支座的固有頻率，判斷系統(tǒng)是否存在共振現(xiàn)象。

彈簧支座的固有頻率按下式計(jì)算：

式中：f為頻率，Hz；

k為彈簧剛度，N/m；

m為彈簧工作載荷，kg

選用方案二中，彈簧剛度為1838.76N/mm，工作荷載為122625N，工作載荷質(zhì)量12512.8kg。代入上式，可得彈簧支座的固有頻率為1.93Hz。循環(huán)泵采用的是6極電機(jī)并通過(guò)皮帶傳動(dòng)輸出，與彈簧支座的固有頻率相差比較大，故不會(huì)產(chǎn)生共振。

由于標(biāo)高為+13200mm 這部分載荷由上循環(huán)管與蒸發(fā)室連接的管口和彈簧支座承擔(dān)，安裝工況時(shí)需要校核上循環(huán)管與蒸發(fā)室連接的管口的受力。安裝時(shí)：

計(jì)算結(jié)果表明，安裝時(shí)彈簧反力大于管道重量，管口安全。

6 結(jié)論

蒸發(fā)器具有多支座超靜定多約束，工作溫度較高，布置空間有限等特點(diǎn)，利用管道自身的柔性和增設(shè)膨脹節(jié)的方法來(lái)吸收熱位移，釋放熱應(yīng)力有很大的局限性。通過(guò)工程中蒸發(fā)器彈簧支座設(shè)置計(jì)算，合理選擇彈簧，既可合理分配各層載荷又能補(bǔ)償熱位移等，保證了設(shè)備安全、長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。