CN112555554A - 一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节 - Google Patents

Abstract

一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，包括端管组件、第一工作波纹管、第二工作波纹管、三通组件、平衡波纹管、比例连杆组件、受力拉杆组件和集成设计的自承重可微调弹簧组件，自承重可微调弹簧组件设置在膨胀节轴线处，并位于同侧的两组受力拉杆组件之间；自承重可微调弹簧组件包括弹簧固定横梁、弹簧组件固定框架、杠杆力臂、弹簧组件、自重提升拉杆、自重载荷调节螺母和拉杆连接横梁，通过转动自重载荷调节螺母对压缩弹簧的压缩量进行微调。能够彻底解决大型炼化装置烟机出口膨胀节重量提升系统的准确性与长期运行的可靠性难题，满足烟机管口苛刻受力要求，助力能量回收系统关键设备烟机长周期可靠运行。

Description

一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节

技术领域

本发明涉及膨胀节技术领域，具体说的是一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节。

背景技术

催化裂化装置产生的再生烟气具有较高压力（0.3MPa左右）及较高的温度（700℃左右），因此含有大量可回收的能量，约占全装置能耗的26%。烟气轮机（简称烟机）是把催化裂化再生烟气所具有的热能和压力能经静、动叶降压膨胀转为烟气的动能，高流速的烟气冲动转子进而将烟气动能转变为转子的机械能，从而带动风机达到减轻电机负荷及能量回收的目的。烟机的运行情况直接关系到装置的运行周期和能耗水平，对保证催化裂化装置的正常平稳运行和节能降耗具有重要意义，因此烟机是催化裂化装置能量回收系统的关键设备。烟机出口温度近550℃，因为烟机在高温及含有催化剂粉尘的烟气中工作，操作条件极为苛刻，且烟机为薄壁结构，烟机进出口管嘴所受的外力和力矩的要求极为严格，为了满足烟机设备管口受力要求，保证烟机出口与管道的柔性连接，一般在烟机出口管道上设置具有低刚度减振功能的压力平衡型膨胀节，用以吸收烟机沿其轴线的水平位移和烟机出口垂直管道段的热膨胀位移，如图1所示。基于该型膨胀节对烟机设备安全运行影响的重要性，膨胀节和烟机出口（包括天圆地方变径组件）以上部件的重量不能作用在烟机上，以减轻烟机管口载荷，方便的现场安装。如图2所示，膨胀节自身集成设计了自承重的拉伸弹簧结构，随着石化企业炼化一体化战略的实施，烟气能量回收装置不断扩大，现有烟机出口安装与运行过程中存在如下问题：

1）提升膨胀节重量的拉伸弹簧的预拉伸量需要根据其提升的重量确定，而膨胀节、变径法兰和外保温材料等部件核算重量与现场存在差异时，现有弹簧结构现场调整困难；

2）膨胀节受力运动构件间的摩擦力不均匀，导致管口方法兰四周受力不均、管口法兰调不平引起的烟机壳体偏斜、转子异常振动问题，成为制约烟机能量回收及影响设备长周期运行的主要因素之一。

3）石化领域膨胀节的寿命要求为安全运行100000小时。现有结构的拉伸弹簧距离三通部件热壁的距离较近，长期高温、高频、微振条件下运行后，隔热层不均匀的情况下拉伸弹簧性能下降，管口受力超标引起烟机运行异常问题。

与此同时，炼化企业的一体化、装置大型化，能量回收系统工艺参数与流程发生了新的变化。装置规模变大，烟机出口膨胀节大型化、设备化，膨胀节直径DN1800→DN3500；环保与节能要求提高后，能量回收系统流程变长，烟机出口管线压力增高，由8kPa,变为0.1→0.2MPa; 流速增加，40m/s→50m/s ；烟机管口受力调试即烟机出口膨胀节调节安装要求精细化、严苛化，管口方法兰安装不平度≤0.005mm。

因此，需要发明一种新的烟机出口用膨胀节，能够有效解决上述问题，能够精准提升膨胀节自身与附属构件重量，并记及膨胀节运动构件间的摩擦力的差异，简化现场安装操作程序，满足烟机管口苛刻受力，提升膨胀节产品及烟机运行的可靠性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，能够彻底解决大型炼化装置烟机出口膨胀节重量提升系统的准确性与长期运行的可靠性难题，满足烟机管口苛刻受力要求，助力能量回收系统关键设备烟机长周期可靠运行。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，包括端管组件、第一工作波纹管、第二工作波纹管、三通组件、平衡波纹管、比例连杆组件、受力拉杆组件和集成设计的自承重可微调弹簧组件，第一工作波纹管、第二工作波纹管、三通组件和平衡波纹管依次连接，在第一工作波纹管和平衡波纹管的另一端连接有端管组件，在第一工作波纹管和第二工作波纹管的外侧设有比例连杆组件，比例连杆组件的一端与连接在第一工作波纹管上的端管组件连接，另一端连接在接近第二工作波纹管的三通组件一端上，膨胀节的左右两侧分别设有至少两组受力拉杆组件，同侧的受力拉杆组件按膨胀节轴线对称设置，受力拉杆组件的两端分别与两端的端管组件连接，在接近平衡波纹管的三通组件的左右两侧分别设有至少一组自承重可微调弹簧组件，自承重可微调弹簧组件设置在膨胀节轴线处，并位于同侧的两组受力拉杆组件之间；

自承重可微调弹簧组件包括弹簧固定横梁、弹簧组件固定框架、杠杆力臂、弹簧组件、自重提升拉杆、自重载荷调节螺母和拉杆连接横梁，弹簧固定横梁固定在接近平衡波纹管的三通组件上，在弹簧固定横梁上固定有弹簧组件固定框架，在弹簧组件固定框架上铰接在杠杆力臂的支点上，在杠杆力臂的支点两侧分别设有一个自由连接端，其中一个自由连接端连接有与膨胀节轴线相平行的自重提升拉杆，自重提升拉杆的另一端连接在固定在两组受力拉杆组件上的拉杆连接横梁上，在自重提升拉杆上设有改变自重提升拉杆长度的自重载荷调节螺母，杠杆力臂另一个自由连接端连接有弹簧组件，弹簧组件由压缩弹簧竖向位移调整组件、压缩弹簧和压缩弹簧外护筒组成，压缩弹簧外护筒内设有至少一个处于预压缩状态的压缩弹簧，压缩弹簧压缩方向与膨胀节轴向方向一致，使压缩弹簧竖向位移调整组件的一端穿过所有压缩弹簧后固定在压缩弹簧端部，另一端伸出压缩弹簧外护筒与自由连接端连接，通过转动自重载荷调节螺母对压缩弹簧的压缩量进行微调。

同侧的自承重可微调弹簧组件设有一组或两组，当自承重可微调弹簧组件为一组时，压缩弹簧的轴线与膨胀节轴线重合，当自承重可微调弹簧组件为两组时，两组自承重可微调弹簧组件沿膨胀节轴线对称设置。

与平衡波纹管连接的端管组件上连接有用于密封的球形封头。

在膨胀节出厂前对第一工作波纹管和第二工作波纹管进行预拉伸变位，平衡波纹管进行预压缩变位。

压缩弹簧外护筒内还设有将压缩弹簧外护筒分为多个腔的弹簧中间导向板，每个腔内设有一个预压缩的压缩弹簧，多个压缩弹簧并列设置。

本发明有益效果是：

1、运用特殊设计且具有承力微调功能的由压缩弹簧、杠杆力臂与自重提升拉杆组成的自承重可微调弹簧组件提升机构代替现有的布置在膨胀节两边、现场调节困难的两组普通圆柱拉伸弹簧。新设计的自承重可微调弹簧组件出厂前根据其提升的膨胀节结构件重量、膨胀节下方的变径法兰重量等主要装量，对压缩弹簧预先进行压缩后固定，只留下现场保温材料重量、运动构件即四个拉杆与导向套间摩擦力的差异、两侧比例连杆运动部件间摩擦力的差异等进行微调，现场不需要再对需要提升的重量进行称量，满足烟机管口法兰精确调整需要，节省现场安装时间。

2、新设计的自承重可微调弹簧组件靠近膨胀节4个受力拉杆布置，受力可以进行微调，便于烟机管口方法兰调平，节省现场安装调整时间。

3、通过增加自承重可微调弹簧组件的数量以及单自承重可微调弹簧组件内压缩弹簧的数量，提升自承重能力，并且所需的自承重可微调弹簧组件体积小，使用简单，方便现场安装。

4.压缩弹簧设置有外护筒，起到隔热与保护作用，有利于压缩弹簧长期稳定可靠工作。

附图说明

图1为弯管压力平衡型膨胀节与烟机布置简图；

图2为现有弯管压力平衡型膨胀节的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3的侧视结构示意图；

图中：1、端管组件，2、短拉杆，3、第一工作波纹管，4、球锥面垫圈，5、拉杆固定螺母，6、比例连杆中间固定支座，7、拉杆变位传力筒，8、比例连杆组件， 9、中间管，10、比例连杆端部连接架，11、拉杆导向筒，12、膨胀节固定座板，13、装运固定件，14、三通组件，15、长拉杆组件，16、拉杆连接横梁，17、自重提升拉杆，18、自重载荷调节螺母，19、压缩弹簧下固定导向板，20、压缩弹簧竖向位移调整组件，21、杠杆力臂，22、弹簧固定横梁，23、平衡波纹管，24、球形封头，25、固定螺栓，26、弹簧组件固定框架，27、压缩弹簧外护筒，28、弹簧中间导向板29、第二工作波纹管，30、受力拉杆组件，31、压缩弹簧，32、弯管压力平衡型膨胀节，33、烟道支架。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明加以说明，但是，本发明并不局限于烟气轮机管口补偿实施例，同时可用于其他敏感、受力苛刻的设备管口的补偿。

如图3所示，一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，包括端管组件1、第一工作波纹管3、第二工作波纹管29、三通组件14、平衡波纹管23、比例连杆组件8、受力拉杆组件30和集成设计的自承重可微调弹簧组件，第一工作波纹管3、第二工作波纹管29、三通组件14和平衡波纹管23依次连接，第一工作波纹管3和第二工作波纹管29可通过中间管串联在一起，在第一工作波纹管3和平衡波纹管23的另一端连接有端管组件1。在第一工作波纹管3、第二工作波纹管29和平衡波纹管23的外侧还设有装运固定件，用于固定运输，在膨胀节使用时需要拆卸。

如图4所示，在第一工作波纹管3和第二工作波纹管29的外侧设有比例连杆组件8，比例连杆组件8的一端与连接在第一工作波纹管3上的端管组件1连接，另一端连接在接近第二工作波纹管29的三通组件14一端上，即比例连杆组件8设置在两组工作波纹管之间，其两端通过比例连杆端部连接架10分别与端管组件1的环板和三通组件14上的膨胀节固定座板12相联。

膨胀节的左右两侧分别设有至少两组受力拉杆组件30，同侧的受力拉杆组件30按膨胀节轴线对称设置，受力拉杆组件30的两端分别与两端的端管组件1连接。受力拉杆由短拉杆2、长拉杆组件15并通过拉杆变位传力筒7、球锥面垫圈4、拉杆固定螺母5连接组成，承受工作压力条件下波纹管产生的压力推力，并能够通过拉杆变位传力筒7、球锥面垫圈4和拉杆固定螺母5，与两组工作波纹管一起实现横向变形协调，补偿烟机以及三通组件管线产生的轴向、横向位移。受力拉杆组件30在安装时，短拉杆2与第一波纹管侧的端管组件连接，长拉杆组件15设置在三通组件的外侧，与平衡波纹管侧的端管组件连接，长拉杆组件15可穿过膨胀节固定座板12上的拉杆导向筒11、弹簧固定横梁22上的拉杆导向筒11，起到限位导向作用。

当外界的位移作用于端管组件1和/或三通组件14上时，通过两组工作波纹管的压缩以及偏转和平衡波纹管23的拉伸来吸收，受力拉杆组件30来保证横向位移的吸收并约束波纹管产生的压力推力，同时比例连杆组件8不仅可以保证两组工作波纹管变形协调同步，而且可以通过比例连杆中间固定支座6承担起两组工作波纹管之间中间管9的重量，使其传递到端管组件1和三通组件14上，有利于减少中间管9的振动。

在接近平衡波纹管23的三通组件14的左右两侧分别设有至少一组自承重可微调弹簧组件，自承重可微调弹簧组件设置在膨胀节轴线处，并位于同侧的两组受力拉杆组件30之间。

自承重可微调弹簧组件包括弹簧固定横梁22、弹簧组件固定框架26、杠杆力臂21、弹簧组件、自重提升拉杆17、自重载荷调节螺母18和拉杆连接横梁16，弹簧固定横梁22固定在接近平衡波纹管23的三通组件14上，在弹簧固定横梁22上固定有弹簧组件固定框架26，弹簧组件固定框架26可通过固定螺栓固定在弹簧固定横梁22上，在弹簧组件固定框架26上铰接在杠杆力臂21的支点上，在杠杆力臂21的支点两侧分别设有一个自由连接端，其中一个自由连接端连接有与膨胀节轴线相平行的自重提升拉杆17，自重提升拉杆17的另一端连接在固定在两组受力拉杆组件30上的拉杆连接横梁16上，在自重提升拉杆17上设有改变自重提升拉杆17长度的自重载荷调节螺母18，杠杆力臂21另一个自由连接端连接有弹簧组件，弹簧组件由压缩弹簧竖向位移调整组件20、压缩弹簧31和压缩弹簧外护筒27组成，压缩弹簧外护筒27内设有至少一个处于预压缩状态的压缩弹簧31，压缩弹簧31压缩方向与膨胀节轴向方向一致，使压缩弹簧竖向位移调整组件20的一端穿过所有压缩弹簧31后固定在压缩弹簧31端部，固定时可采用压缩弹簧下固定导向板19进行固定，通过拉动压缩弹簧下固定导向板19，实现压缩弹簧压缩量微调，另一端伸出压缩弹簧外护筒27与自由连接端连接，转动自重载荷调节螺母18，自重提升拉杆17长度改变，通过杠杆力臂21拉动改变压缩弹簧31的压缩量，从而实现微调。

同侧的自承重可微调弹簧组件设有一组或两组，当自承重可微调弹簧组件为一组时，压缩弹簧31的轴线与膨胀节轴线重合，当自承重可微调弹簧组件为两组时，两组自承重可微调弹簧组件沿膨胀节轴线对称设置。每组自承重可微调弹簧组件的压缩量均可进行单独调节。如图3所示，自承重可微调弹簧组件共设置四组，单侧设置按膨胀节轴线对称设置两组。

与平衡波纹管23连接的端管组件1上连接有用于密封的球形封头24，实现顶部的密封。

压缩弹簧外护筒27内还设有将压缩弹簧外护筒27分为多个腔的弹簧中间导向板28，每个腔内设有一个预压缩的压缩弹簧31，多个压缩弹簧31并列设置，通过增加腔数及压缩弹簧31的个数，提升自承重力的大小。

如图1所示，膨胀节通过膨胀节固定座板12安装在烟机上部的支架上，因此为满足烟机管口苛刻受力要求，烟机工作时膨胀节需要将除了三通组件14以外的重量自行全部提起。如图3所示，自承重可微调弹簧组件提升装置有4套，设置在膨胀节两侧、靠近4根长拉杆组件15布置，其上端固定在三通组件14上的弹簧固定横梁22上，带有自重荷载调节螺母18的提升拉杆17下部固定在拉杆连接横梁16上，拉杆连接横梁16焊接在两侧的长拉杆组件15上，自承重可微调弹簧组件通过相关核算对弹簧进行准确的预压缩，经由膨胀节两侧拉杆连接横梁16连接成一体的受力拉杆组件将膨胀节除了三通管组件14以外重量、膨胀节下方的变径法兰及其保温材料的重量统统提起，满足烟机管口苛刻受力要求。

自承重可微调弹簧组件提升装置有4套，分别靠近4根长拉杆组件15布置，同时弹簧装置的自重提升拉杆17自带膨胀节自重载荷调节螺母18，膨胀节在安装时可以根据现场膨胀节保温材料、下部管嘴的附加重量以及长拉杆组件15与拉杆导向筒11之间的摩擦力情况，通过膨胀节自重载荷调节螺母18进行微调，促使管口法兰快速调平，满足管口法兰受力要求。

自承重可微调弹簧组件，可采用提高弹簧柔性由两组压缩弹簧31组成，两组压缩弹簧之间设有弹簧中间导向板28，压缩弹簧外部设有压缩弹簧外护筒27。压缩弹簧与自重提升拉杆17之间力的传递通过压缩弹簧下固定导向板19、压缩弹簧竖向位移调整组件20、杠杆力臂21和弹簧组件固定框架26来实现。

基于膨胀节高温运行状态的位移方向，在膨胀节出厂前对工作波纹管3进行预拉伸变位，平衡波纹管23进行预压缩变位，预变为量为膨胀节高温状态下的实际轴向位移量，使膨胀节预变位状态下保证所规定的尺寸，这样高温状态下膨胀节补偿轴向位移产生的轴向力不会作用到管口法兰上，满足其苛刻受力要求。需要注意的是两组工作波纹管的单个预拉伸量为实际轴向位移量的一半。

Claims (4)

1.一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，包括端管组件（1）、第一工作波纹管（3）、第二工作波纹管（29）、三通组件（14）、平衡波纹管（23）、比例连杆组件（8）、受力拉杆组件（30）和自承重可微调弹簧组件，第一工作波纹管（3）、第二工作波纹管（29）、三通组件（14）和平衡波纹管（23）依次连接，在第一工作波纹管（3）和平衡波纹管（23）的另一端连接有端管组件（1），在第一工作波纹管（3）和第二工作波纹管（29）的外侧设有比例连杆组件（8），比例连杆组件（8）的一端与连接在第一工作波纹管（3）上的端管组件（1）连接，另一端连接在接近第二工作波纹管（29）的三通组件（14）一端上，膨胀节的左右两侧分别设有至少两组受力拉杆组件（30），同侧的受力拉杆组件（30）按膨胀节轴线对称设置，受力拉杆组件（30）的两端分别与两端的端管组件（1）连接，其特征在于：在接近平衡波纹管（23）的三通组件（14）的左右两侧分别集成设有至少一组自承重可微调弹簧组件，自承重可微调弹簧组件设置在膨胀节轴线处，并位于同侧的两组受力拉杆组件（30）之间；

自承重可微调弹簧组件包括弹簧固定横梁（22）、弹簧组件固定框架（26）、杠杆力臂（21）、弹簧组件、自重提升拉杆（17）、自重载荷调节螺母（18）和拉杆连接横梁（16），弹簧固定横梁（22）固定在接近平衡波纹管（23）的三通组件（14）上，在弹簧固定横梁（22）上固定有弹簧组件固定框架（26），在弹簧组件固定框架（26）上铰接在杠杆力臂（21）的支点上，在杠杆力臂（21）的支点两侧分别设有一个自由连接端，其中一个自由连接端连接有与膨胀节轴线相平行的自重提升拉杆（17），自重提升拉杆（17）的另一端连接在固定在两组受力拉杆组件（30）上的拉杆连接横梁（16）上，在自重提升拉杆（17）上设有改变自重提升拉杆（17）长度的自重载荷调节螺母（18），杠杆力臂（21）另一个自由连接端连接有弹簧组件，弹簧组件由压缩弹簧竖向位移调整组件（20）、压缩弹簧（31）和压缩弹簧外护筒（27）组成，压缩弹簧外护筒（27）内设有至少一个处于预压缩状态的压缩弹簧（31），压缩弹簧（31）压缩方向与膨胀节轴向方向一致，使压缩弹簧竖向位移调整组件（20）的一端穿过所有压缩弹簧（31）后固定在压缩弹簧（31）端部，另一端伸出压缩弹簧外护筒（27）与自由连接端连接，通过转动自重载荷调节螺母（18）对压缩弹簧（31）的压缩量进行微调。

2.如权利要求1所述的一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，其特征在于：同侧的自承重可微调弹簧组件设有一组或两组，当自承重可微调弹簧组件为一组时，压缩弹簧（31）的轴线与膨胀节轴线重合，当自承重可微调弹簧组件为两组时，两组自承重可微调弹簧组件沿膨胀节轴线对称设置。

3.如权利要求1所述的一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，其特征在于：在膨胀节出厂前对第一工作波纹管（3）和第二工作波纹管（29）进行预拉伸变位，平衡波纹管（23）进行预压缩变位。

4.如权利要求1所述的一种用于苛刻受力设备管口的自承重膨胀节，其特征在于：压缩弹簧外护筒（27）内还设有将压缩弹簧外护筒（27）分为多个腔的弹簧中间导向板（28），每个腔内设有一个预压缩的压缩弹簧（31），多个压缩弹簧（31）并列设置。

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