CN115059802B - 一种大型煤气管道水平推力优化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型煤气管道水平推力优化装置，包括多个固定于地面的T形支架、固定于T型支架上方并用于支托煤气管道的座式管托、用于连接T型支架和座式管托的螺栓、与螺栓配套使用的螺母、设置于座式管托与T形支架之间的垫板。通过改变第一螺母、第二螺母的拧、旋、锁的特殊安装次序及设置垫板等方法，根据降低应力水平需要，不同的煤气管道位置设置各种优化方式，分别实现导向、滑动、限位等支架功能。协同实现节省结构型钢用量、控制管道轴向位移、降低生根面摩擦系数、有效降低管道水平推力的荷载水平的目的，以保障装置系统运行的安全、可靠。
Description
技术领域
本发明属于煤化工领域的煤制天然气工艺，具体涉及一种大型煤气管道水平推力优化装置。
背景技术
目前中国天然气需求快速增长，每年的缺口达800亿立方米，这为煤制天然气提供了广阔的发展空间，尤其是目前开发的新型煤制气技术相比于传统煤制气技术，能够避免生产过程中的冷热病，还能提高能效，使污水排放至少降低30％，进一步满足清洁生产的需要。新型煤制气的气源来自焦化装置，如焦炉煤气。焦炉煤气制天然气的主工艺路线为气柜缓冲、储存、压缩、合成、脱硫、净化、液化等。气柜的缓冲、储存、稳压为气源进入煤制气装置的首站。焦炉煤气气源的温度、压力、氧含量、品质等都要在气柜装置区进行监测、控制。因此，对气柜、乃至气柜进出煤气管道的要求愈发严苛。
随着现代化工产业结构升级，干式气柜制造技术愈发成熟，万立方级乃至几十万立方级容量的气柜应用也愈发广泛，大容量气柜煤气进出管道的管径一般都较大，DN600～DN2000级别的管径应用度也更高，因此，管道支架垂直荷载量级随之提高；此外，干式气柜煤气进出管道一般与气柜管口直接刚性连接，无水封、软管或其他软连接结构，在运行工况时，由于管道内煤气操作温度与环境温度热差的存在，煤气进出管道会产生一定的热应力，并映射为支架水平推力，增大量级可达几十kN乃至上百kN。基于上述现象，管道支架生根结构所承受的水平推力也将会处于较高量级，为满足推力的要求，可能需要使用较大型号的结构钢梁、柱，甚至单柱支撑改为多柱支撑，继而提高材料成本，从而造成项目一次建设投入增加；此外，长期高载荷工况运行，还会影响系统稳定性及装置运行安全。
发明内容
针对现有管道支架生根结构存在的问题，本发明提出一种大型煤气管道水平推力优化装置，可有效降低管道的水平推力荷载水平。
设置界区时，则全厂外管单元即为界区外，界区内外一般以两者连接处的某一支撑管架作为界限，界内为装置内管道主体及附件，界外为全厂外管部分管道附件(全厂外管部分管道附件包括全厂外管单元内的主物料管道、弯头、三通管件、公用工程管道、仪表、阀门、电气仪表桥架等)；界区内煤气管道与干式气柜管口相连，界区内外的各管段、长半径90°焊接弯头等采用焊接连接，另设限位支架、滑动支架，配合PTFE实现对大型煤气管道的支撑。
界区的概念是化工工厂工程设计领域中对于厂区内各车间、各装置、各单元主体而人为划分的界限，各装置单元之间的连接管廊即为全厂外管单元，当以装置为主体，作为界区内(即，界区内装置及支架为装置单元本体；界区外的全厂外管部分一般情况下为长且直的管道)。通过设置支架，可使得装置单元与界区外全厂外管直接的管道作用于各自支架上的水平推力互不影响，互不牵涉。
本发明的目的是提供一种大型煤气管道水平推力优化装置，其包括沿着煤气管道走向在界区内和界区外分布的多个固定于地面的T形支架、固定于T型支架上方并用于支托煤气管道的座式管托、用于连接T型支架和座式管托的螺栓、与螺栓配套使用的第一螺母和第二螺母，在座式管托与T形支架之间设置或不设置垫板，
其中，界区内第一T形支架(临近界区的最近的第一个T形支架)处设为第一种变形装置，即导向T形支架，实现方式为：座式管托与T型支架之间不设置垫板，座式管托的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母和第二螺母，设置第一螺母、第二螺母的拧、旋、锁的特殊安装次序，即先将第一螺母拧紧，然后将其后退回旋半圈至两圈，优选约一圈，加之第二螺母再次锁紧，同时，座式管托的长圆孔使大型煤气管道在运行工况时，在该支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的2个自由度(即放开部分约束，增大其柔性)；计算结果显示，该处水平推力已降至30kN以下，荷载优化率达50％以上，效果明显。荷载水平、荷载优化率计算可使用的软件例如为等值刚度法计算程序、SAP5程序、石油化工非埋地管道设计与鉴定程序PBAA以及CAESAR II软件，目前，在石油化工行业，CAESAR II软件为管道应力分析计算的首选程序，因此，本发明优选使用该软件进行分析计算。计算时，输入的数值包括管道外径、壁厚、路由尺寸、材料、温度、压力、介质密度、腐蚀余量等，这些数值均来源于具体项目的统一规定及已出版的设计成品文件。
界区内其他支架设为第二种变形装置，即滑动T形支架，实现方式为：暂不安装座式管托配套的螺栓、第一螺母、第二螺母，而在座式管托与T形支架之间的生根面(梁顶生根面)上增设垫板(材质可为塑料，例如PTFE垫板、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等)，垫板的孔穿过螺栓，然后座式管托的长圆孔穿过螺栓，然后旋入第一螺母和第二螺母，利用扳手或专用工具进行旋拧，依次旋拧第一螺母与第二螺母，直至拧紧，可有效减小座式管托生根面(梁顶生根面)的摩擦系数，降为原来的约1/3；经应力分析可知，该支架处水平推力优化效果明显，荷载水平已在6kN以下，荷载优化率超过了80％，极大的优化了大型煤气管道运行工况下的受力状态；荷载水平、荷载优化率计算可使用的软件例如为等值刚度法计算程序、SAP5程序、石油化工非埋地管道设计与鉴定程序PBAA以及CAESAR II软件，目前，在石油化工行业，CAESAR II软件为管道应力分析计算的首选程序，因此，本发明优选使用该软件进行分析计算。计算时，输入的数值包括管道外径、壁厚、路由尺寸、材料、温度、压力、介质密度、腐蚀余量等，这些数值均来源于具体项目的统一规定及已出版的设计成品文件。计算结果是基于计算输入而得来的。大型煤气管道直径范围为DN600～DN2000，因此该计算结果是经过对该直径范围管道分别输入计算对比后，得出的普遍效果，水平推力及荷载优化率的优化值就此得出。
在全厂外管界区外设为第三种变形装置，即限位T形支架，实现方式为：座式管托与T型支架之间不设置垫板，座式管托的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母和第二螺母，将第一螺母旋拧、锁紧后再将第二螺母旋拧、锁紧，使其成为限位支架，限位支架对该支撑点的6组自由度(3组位移自由度、3组转角自由度)进行拆分，释放了4组自由度(一个点，有X，Y，Z三个方向的位移自由度，RX，RY，RZ三个方向的转角自由度。所谓释放4组自由度，即对6组自由度中的4组不施加任何限制约束，该方向或转向可自有伸缩或扭转，而限制住的2组自由度则不可有伸缩或扭转)，从而释放了管道应力趋势，进而不会产生过大的水平推力，达到降低水平推力，减少对界区管道支架影响的目的，从而可将界区外全厂外管长直大型管道的轴向推力不会对界区内干式气柜的大型煤气管道支架处的水平推力产生影响，以此实现界区内、外大型煤气管道的水平推力分段分区优化控制。第一支架位于界区附近、限位T形支架需要根据管道自身热胀情况在界外适当处选取位置、其他位置均采用滑动T形支架。限位T形支架的设置间距需要根据两限位T形支架之间的管道自然补偿器的型式与数量而定。滑动T形支架的数量与间距则为其他处满足管道强度、刚度条件后根据需要设置。
T形支架可根据需要每隔50m～150m，进一步例如60～140m、70m、80m、90m、100m、110m、120m、130m设置一个，然后根据计算结果择优选用限位T行支架、滑动T行支架或导向T行支架。
T形支架包括水平的梁顶生根面和与梁顶生根面垂直固定的竖梁，梁顶生根面例如可以为长方形，梁顶生根面在管道横向上的尺寸例如可以为200-1500mm，例如优选约为300-1000mm，梁顶生根面在管道横向上的尺寸是其支撑的煤气管道直径的0.5-2倍，优选0.8-1.5倍，优选0.9-1.2倍，梁顶生根面在管道纵轴方向上的尺寸100-1000mm，例如优选约为200-500mm，梁顶生根面的厚度例如可以为100-300mm，例如优选约为150-250mm，竖梁例如可以为柱状或方形，优选柱状，竖梁的直径或等效直径例如可以为100-250mm，例如优选为150-200mm，T形支架的高度根据管道布置实际需要现场确定，T形支架的高度或T形支架竖梁高度例如0.5-50m，2-50m，进一步例如0.5-10，1-10m，1.5-10m，2-10m，或3-10m，T形支架的材质例如可以为钢结构或混凝土结构。
座式管托从上到下可依次包括承托煤气管道的弧形托、用于支撑弧形托的支柱、用于固定支柱的底座，弧形托的形状与煤气管道形状适配，弧形托的弧长例如可以为2/3πr-πr，例如优选约为2/3πr，弧形托的厚度例如可以为5-15mm，例如优选为6-12mm，弧形托的宽度(沿管道纵轴方向的尺寸)例如可以为250-600mm，优选约为300-500mm；支柱均匀分布于弧形托的下方，支柱的外径例如可以为10-60mm，例如优选为20-30cm，支柱的高度例如可以为150-300mm，优选约为200mm，支柱的个数根据所支撑的煤气管道管径确定，当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，支柱可为4根，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，底座中部增加加强筋支柱，使其与座式管托的生根梁板(生根梁板即为T行支架的水平梁顶。尺寸根据管道规格而定，长度一般取管道直径的1.05～1.2倍，宽度一般取200mm～400mm，厚度8mm～20mm，材质优选为碳钢(优廉))相接；底座例如可以为长方形、正方形、椭圆形、圆形等，底座沿管道横向的尺寸与弧形托沿管道横向的尺寸一致，例如可以为250-1200mm，进一步约为500-1000mm，底座沿管道横向的尺寸根据所支撑的煤气管道确定，例如当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，座式管托的底座长度不小于管径的9/10，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，座式管托的底座长度不小于管径的8/10，底座沿管道横向的尺寸一般小于梁顶生根面在管道横向上的尺寸，底座厚度例如可以为5-20mm，进一步例如10-15mm，座式管托的材质例如可以为钢材。
T型支架的梁顶生根面上开有供螺栓的头部嵌入并固定的凹槽，螺栓分散固定于T型支架的梁顶生根面上，螺栓的个数例如可以为2-10个，螺栓优选对称固定于竖梁的两侧，螺栓的规格例如为M20～M36，座式管托的底座上开有供螺栓的螺杆贯穿的长圆孔，长圆孔优选是与螺栓规格对应的标准长圆孔，长圆孔的长度不小于5倍螺栓直径，宽度例如可以与螺栓直径一致(稍大于螺栓直径)，长圆孔的长方向与煤气管道的走向一致，长圆孔使煤气管道在运行工况时，在T型支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的例如2个自由度，即放开部分约束，增大其柔性。
螺母包括旋入螺栓的第一螺母和第二螺母，底座的长圆孔穿入螺栓后依次旋入第一螺母和第二螺母。
所述垫板优选为PTFE垫板，垫板例如可以为长方形，垫板厚度例如可以为1-3mm，垫板的面积大于座式管托的底座的面积同时小于T型支架的梁顶生根面的面积，垫板上开有供螺栓的螺杆贯穿的孔，例如为圆孔。
本发明进一步提供了一种用于上述大型煤气管道水平推力优化装置的T形支架装置，其包括沿着煤气管道走向在界区内和界区外分布的固定于地面的T形支架、固定于T型支架上方并用于支托煤气管道的座式管托、用于连接T型支架和座式管托的螺栓、与螺栓配套使用(固定于螺栓上的)的第一螺母和第二螺母，在座式管托与T形支架之间设置或不设置垫板。
T形支架包括水平的梁顶生根面和与梁顶生根面垂直固定的竖梁，梁顶生根面例如可以为长方形，梁顶生根面在管道横向上的尺寸例如可以为200-1500mm，例如优选约为300-1000mm，梁顶生根面在管道横向上的尺寸是其支撑的煤气管道直径的0.5-2倍，优选0.8-1.5倍，优选0.9-1.2倍，梁顶生根面在管道纵轴方向上的尺寸100-1000mm，例如优选约为200-500mm，梁顶生根面的厚度例如可以为100-300mm，例如优选约为150-250mm，竖梁例如可以为柱状或方形，优选柱状，竖梁的直径或等效直径例如可以为100-250mm，例如优选为150-200mm，T形支架的高度根据管道布置实际需要现场确定，T形支架高度或T形支架竖梁高度例如0.5-50m，2-50m，进一步例如0.5-10，1-10m，1.5-10m，2-10m，或3-10m，T形支架的材质例如可以为钢结构或混凝土结构。
座式管托从上到下可依次包括承托煤气管道的弧形托、用于支撑弧形托的支柱、用于固定支柱的底座，弧形托的形状与煤气管道形状适配，弧形托的弧长例如可以为2/3πr-πr，例如优选约为2/3πr，弧形托的厚度例如可以为5-15mm，例如优选为6-12mm，弧形托的宽度(沿管道纵轴方向的尺寸)例如可以为250-600mm，优选约为300-500mm；支柱均匀分布于弧形托的下方，支柱的外径例如可以为10-60mm，例如优选为20-30cm，支柱的高度例如可以为150-300mm，优选约为200mm，支柱的个数根据所支撑的煤气管道管径确定，当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，支柱可为4根，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，底座中部增加加强筋支柱，使其与座式管托的生根梁板(生根梁板即为T行支架的水平梁顶。尺寸根据管道规格而定，长度一般取管道直径的1.05～1.2倍，宽度一般取200mm～400mm，厚度8mm～20mm，材质优选为碳钢(优廉))相接；底座例如可以为长方形、正方形、椭圆形、圆形等，底座沿管道横向的尺寸与弧形托沿管道横向的尺寸一致，例如可以为250-1200mm，进一步约为500-1000mm，底座沿管道横向的尺寸根据所支撑的煤气管道确定，例如当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，座式管托的底座长度不小于管径的9/10，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，座式管托的底座长度不小于管径的8/10，底座沿管道横向的尺寸一般小于梁顶生根面在管道横向上的尺寸，底座厚度例如可以为5-20mm，进一步例如10-15mm，座式管托的材质例如可以为钢材。
T型支架的梁顶生根面上开有供螺栓的头部嵌入并固定的凹槽，螺栓分散固定于T型支架的梁顶生根面上，螺栓的个数例如可以为2-10个，螺栓优选对称固定于竖梁的两侧，螺栓的规格例如为M20～M36，座式管托的底座上开有供螺栓的螺杆贯穿的长圆孔，长圆孔优选是与螺栓规格对应的标准长圆孔，长圆孔的长度不小于5倍螺栓直径，宽度例如可以与螺栓直径一致(稍大于螺栓直径)，长圆孔的长方向与煤气管道的走向一致，长圆孔使煤气管道在运行工况时，在T型支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的例如2个自由度，即放开部分约束，增大其柔性。
螺母包括旋入螺栓的第一螺母和第二螺母，底座的长圆孔穿入螺栓后依次旋入第一螺母和第二螺母。
所述垫板可为塑料或树脂垫板，优选为例如PTFE垫板，垫板例如可以为长方形，垫板厚度例如可以为1-3mm，垫板的面积大于座式管托的底座的面积同时小于T型支架的梁顶生根面的面积，垫板上开有供螺栓的螺杆贯穿的孔，例如为圆孔。
由于大型煤气管道自身较为庞大，加之考虑管道阀门操作高度不宜过高的因素，设定支架优先地面生根原则，依据该原则，大型煤气管道的离地高度优选为0.5m～1.2m，管道阀门方便操作。由此可使得T形支架高度降低，或用混凝土基础替代T形支架，从而有效减少结构型钢用量。
第一螺母、第二螺母的拧、旋、锁的特殊安装次序或者改变螺栓、第一螺母安装条件而将本发明的装置改造为限位支架或滑动支架，并于T形支架的梁顶生根面添设PTFE垫板以实现对大型煤气管道水平推力的优化。
可在界区内的气柜装置区管道和界区外的全厂外管管道设置多处本发明的装置，并在不同位置分别采用本发明的优化装置的变形装置，各处装置可采取不同的安装方式分别实现滑动、限位、导向等作用。
通过第一螺母和第二螺母的锁紧、回旋、增设垫板、限位等设置，可将支撑处管道的部分自由度释放，包括位移自由度和转角自由度。从而释放应力，减少摩擦系数，降低水平推力。
本发明的有益效果：
通过采用本发明提供的大型煤气管道水平推力优化装置，可有效降低结构型钢材料成本，节约项目一次建设投资，降低系统的水平推力荷载水平，保障了装置系统运行的安全性、可靠性、稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种大型煤气管道水平推力优化装置的正面示意图。
图2为大型煤气管道水平推力优化装置的侧面示意图。
图3为本发明提供的优化装置的使用位置图。
附图标记：
1-煤气管道，2-T形支架，3-座式管托，4-螺栓，5-第一螺母，6-第二螺母，7-垫板，8-干式气柜，9-水平推力优化装置，21-梁顶生根面，22-竖梁，31-弧形托，32-支柱，33-底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
如图1-2所示，本发明的一种大型煤气管道水平推力优化装置，其包括沿着煤气管道走向在界区内和界区外分布的多个固定于地面的T形支架2、固定于T型支架2上方并用于支托煤气管道1的座式管托3、用于连接T型支架2和座式管托3的螺栓4、与螺栓4配套使用的第一螺母5和第二螺母6，在座式管托3与T形支架2之间设置或不设置垫板7。根据装置功能区划分界区，界区内装置及支架为装置单元本体；全厂外管单元即为界区外，配置的螺栓可选用例如强度较高的M20X70螺栓，螺母为例如M20螺母，一条螺栓配2个螺母，材质应与座式管托材质相近或相容，如均为碳钢。管道自界区内装置的设备管口或固定支架起始，至界外限位支架结束。界区为设置导向支架附近或功能区划分处。
优选的是，螺栓4设置在座式管托的位置例如为：1、沿支撑管道的轴线方向，即座式管托宽度方向，为中点处，设一处；2、沿支撑管道的水平径向，即座式管托长度方向，为两端侧1/5分点，两处。
界区内第一T形支架(临近界区的最近的第一个T形支架)处设为第一种变形装置，即导向T形支架，实现方式为：座式管托3与T型支架2之间不设置垫板7，座式管托3的长圆孔套入螺栓4后，依次旋入第一螺母5和第二螺母6，设置第一螺母5、第二螺母6的拧、旋、锁的特殊安装次序，即先将第一螺母5拧紧，然后将其后退回旋半圈至两圈，优选约一圈，加之第二螺母再次锁紧，同时，座式管托的长圆孔可使大型煤气管道1在运行工况时，在该支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的2个自由度(即放开部分约束，增大其柔性)；计算结果显示，该处水平推力已降至30kN以下，荷载优化率达50％以上，效果明显。荷载水平、荷载优化率计算可使用的软件例如为等值刚度法计算程序、SAP5程序、石油化工非埋地管道设计与鉴定程序PBAA以及CAESAR II软件，目前，在石油化工行业，CAESAR II软件为管道应力分析计算的首选程序，因此，本发明优选使用该软件进行分析计算。计算时，输入的数值包括管道外径、壁厚、路由尺寸、材料、温度、压力、介质密度、腐蚀余量等，这些数值均来源于具体项目的统一规定及已出版的设计成品文件。
2)界区内其他支架设为第二种变形装置，即滑动T形支架，实现方式为：暂不安装座式管托3配套的螺栓4、第一螺母5、第二螺母6，而在座式管托3与T形支架2之间的生根面(梁顶生根面21)上增设垫板(材质可为塑料，例如PTFE垫板、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等)7，垫板7的孔穿过螺栓，然后座式管托的长圆孔穿过螺栓，然后旋入第一螺母和第二螺母，利用扳手或专用工具进行旋拧，依次旋拧第一螺母与第二螺母，直至拧紧，可有效减小座式管托3生根面(梁顶生根面21)的摩擦系数，降为原来的1/3；经应力分析可知，该支架处水平推力优化效果明显，荷载水平已在6kN以下，荷载优化率超过了80％，极大的优化了大型煤气管道运行工况下的受力状态；荷载水平、荷载优化率计算可使用的软件例如为等值刚度法计算程序、SAP5程序、石油化工非埋地管道设计与鉴定程序PBAA以及CAESAR II软件，目前，在石油化工行业，CAESAR II软件为管道应力分析计算的首选程序，因此，本发明优选使用该软件进行分析计算。计算时，输入的数值包括管道外径、壁厚、路由尺寸、材料、温度、压力、介质密度、腐蚀余量等，这些数值均来源于具体项目的统一规定及已出版的设计成品文件。计算结果是基于计算输入而得来的。前文已述大型煤气管道直径范围为DN600～DN2000，因此该计算结果是经过对该直径范围管道分别输入计算对比后，得出的普遍效果，水平推力及荷载优化率的优化值就此得出。
3)在全厂外管界区外设为第三种变形装置，即限位T形支架，实现方式为：座式管托3与T型支架2之间不设置垫板，座式管托3的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母5和第二螺母6，将第一螺母5旋拧、锁紧后再将第二螺母6旋拧、锁紧，使其成为限位支架，限位支架对该支撑点的6组自由度(3组位移自由度、3组转角自由度)进行拆分，释放了4组自由度(一个点，有X，Y，Z三个方向的位移自由度，RX，RY，RZ三个方向的转角自由度。所谓释放4组自由度，即对6组自由度中的4组不施加任何限制约束，该方向或转向可自有伸缩或扭转，而限制住的2组自由度则不可有伸缩或扭转)，从而释放了管道应力趋势，进而不会产生过大的水平推力，达到降低水平推力，减少对界区管道支架影响的目的，从而可将界区外全厂外管长直大型管道的轴向推力不会对界区内干式气柜8的大型煤气管道1支架处的水平推力产生影响，以此实现界区内、外大型煤气管道1的水平推力分段分区优化控制。第一支架位于界区附近、限位T行支架需要根据管道自身热胀情况在界外适当处选取位置、其他位置均采用滑动T行支架。限位T行支架的设置间距需要根据两限位T行支架之间的管道自然补偿器的型式与数量而定。滑动T形支架的数量与间距则为其他处满足管道强度、刚度条件后根据需要设置。
通过第一螺母和第二螺母的锁紧、回旋、增设垫板、限位等设置，可将支撑处管道的部分自由度释放，包括位移自由度和转角自由度。从而释放应力，减少摩擦系数，降低水平推力。
T形支架2可根据需要每隔50m～150m，进一步例如60～140m、70m、80m、90m、100m、110m、120m、130m设置一个，然后根据计算结果择优选用限位T行支架、滑动T行支架或导向T行支架。
T形支架2包括水平的梁顶生根面21和与梁顶生根面21垂直固定的竖梁22，梁顶生根面21例如可以为长方形，梁顶生根面21在管道横向上的尺寸例如可以为200-1500mm，例如优选约为300-1000mm，梁顶生根面21在管道横向上的尺寸是其支撑的煤气管道1直径的0.5-2倍，优选0.8-1.5倍，优选0.9-1.2倍，梁顶生根面在管道纵轴方向上的尺寸100-1000mm，例如优选约为200-500mm，梁顶生根面的厚度例如可以为100-300mm，例如优选约为150-250mm，竖梁22例如可以为柱状，竖梁22的外径例如可以为100-250mm，例如优选为150-200mm，T形支架的高度根据管道布置实际需要现场确定，T形支架的高度或T形支架竖梁高度例如0.5-50m，2-50m，进一步例如0.5-10，1-10m，2-10m，或3-10m，T形支架的材质例如可以为钢结构或混凝土结构。
座式管托3从上到下可依次包括承托煤气管道1的弧形托31、用于支撑弧形托31的支柱32、用于固定支柱32的底座33，弧形托31的形状与煤气管道1形状适配，弧形托31的弧长例如可以为2/3πr-πr，例如优选约为2/3πr，弧形托31的厚度例如可以为5-15mm，例如优选为6-12mm，弧形托31的宽度(沿管道纵轴方向的尺寸)例如可以为250-600mm，优选约为300-500mm；支柱32均匀分布于弧形托31的下方，支柱32的外径例如可以为10-60mm，例如优选为20-30cm，支柱32的高度例如可以为150-300mm，优选约为200mm，支柱32的个数根据所支撑的煤气管道1管径确定，当所支撑的煤气管道1管径范围为DN600～DN1200时，支柱32为4根，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，底座中部增加加强筋支柱，使其与座式管托的生根梁板(生根梁板即为T行支架的水平梁顶。尺寸根据管道规格而定，长度一般取管道直径的1.05～1.2倍，宽度一般取200mm～400mm，厚度8mm～20mm，材质优选为碳钢(优廉))相接；底座33例如可以为长方形，底座33沿管道横向的尺寸与弧形托31沿管道横向的尺寸一致，例如可以为250-1200mm，进一步约为500-1000mm，底座33沿管道横向的尺寸根据所支撑的煤气管道1确定，例如当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，座式管托的底座长度不小于管径的9/10，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，座式管托的底座长度不小于管径的8/10，底座33沿管道横向的尺寸一般小于梁顶生根面21在管道横向上的尺寸，底座厚度例如可以为5-20mm，进一步例如10-15mm，座式管托的材质例如可以为钢材。
T型支架的梁顶生根面21上开有供螺栓4的头部嵌入并固定的凹槽，螺栓4分散固定于T型支架的梁顶生根面21上，螺栓4的个数例如可以为2-10个，螺栓4优选对称固定于竖梁22的两侧，螺栓4的规格例如为M20～M36，座式管托的底座33上开有供螺栓4的螺杆贯穿的长圆孔，长圆孔是与螺栓规格对应的标准长圆孔，长圆孔的长度不小于5倍螺栓直径，宽度例如可以与螺栓直径一致(稍大于螺栓直径)，长圆孔的长方向与煤气管道1的走向一致，长圆孔使煤气管道在运行工况时，在T型支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的例如2个自由度，即放开部分约束，增大其柔性。
螺母包括旋入螺栓的第一螺母5和第二螺母6，底座的长圆孔穿入螺栓后依次旋入第一螺母5和第二螺母6。
所述垫板7为PTFE垫板，垫板7例如可以为长方形，垫板厚度例如可以为1-3mm，垫板7的面积大于座式管托的底座33的面积同时小于T型支架的梁顶生根面21的面积，垫板7上开有供螺栓的螺杆贯穿的孔，例如为圆孔。
实施例
以某焦化厂区经全厂外管输送来的焦炉煤气气源(温度35℃、压力6kPa)为例，说明采用本发明的优化装置的工艺，其包括如下步骤：
某焦化厂区经全厂外管输送来的焦炉煤气气源(温度35℃、压力6kPa)，经DN1200的大型煤气管道1，输送至50000m3干式气柜8设备内，如图2所示，界区内的气柜装置区管道和界区外的全厂外管管道设置了多处本发明的优化装置9，各优化装置9可采取不同的安装方式分别实现滑动、限位、导向等作用。本发明的优化装置9的位置如图3所示。
在确定了采用本发明优化装置的工艺路线后，通过对进入气柜的大型煤气管道进行应力分析，可得出存在温差应力时的支架垂直荷载和水平推力，考虑大型煤气管道的平面布置较难调整的因素，依据ASME B31.3分析设计准则，提出降低大型煤气管道水平推力的优化方法。具体应用过程如下：
1、参数定义：环境温度选取项目建设当地年平均气温11.3℃；管道规格为DN1200，管内介质温度35℃、压力6kPa。其他参数自ASME B31.3规范选取。
2、取用公式：
式1中：
Sb——合成弯曲应力；Pa
ii——平面内应力增强系数；
io——平面外应力增强系数；
Mi——平面内的弯矩；N·m
Mo——平面外的弯矩；N·m
Z——管道的截面模数。
ii、io、Mi、Mo、Z的数值依据ASME B31.3规范选取。
3、计算分析：某焦化厂区经全厂外管输送来的焦炉煤气气源管道进行柔性应力分析计算，得到如下结论：
(1)工艺系统中的支架全部采用传统支撑方式时的应力分析结果：各处支架水平推力可达60kN～80kN，干式气柜8煤气进口处弯矩甚至超过100kN·m，各T形支架2的地面生根点的弯矩也在50kN·m以上。
(2)为了降低各支架水平推力，将全部支架调整为本发明所提供的优化装置，同时，不同位置分别采用本发明的优化装置的变形装置；通过不同的优化安装方式，可充分体现本发明的多元化处理水平推力的能力，具体如下所示：
1)经分析可知，界区内第一支架处应设为本发明的优化装置第一种变形装置，即导向支架，实现方式为：座式管托3与T型支架2之间不设置垫板，座式管托3的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母5和第二螺母6，设置第一螺母5、第二螺母6的拧、旋、锁的特殊安装次序，即先将第一螺母5拧紧，然后将其后退回旋一圈，加之第二螺母再次锁紧，同时，座式管托的长圆孔可使大型煤气管道1在运行工况时，在该支架处可产生一定的轴向位移，释放了该处管道的2个自由度，即放开部分约束，增大其柔性；计算结果显示，该处水平推力已降至30kN以下，荷载优化率达50％以上，效果明显。
2)为满足应力水平在低幅波动的需要，界区内其他支架应设为本发明的优化装置第二种变形装置，即滑动支架，实现方式为：暂不安装座式管托3配套的螺栓4、第一螺母5、第二螺母6，而在座式管托3与T形支架2之间的生根面上增设PTFE垫板7，垫板7的孔穿过螺栓，然后座式管托的长圆孔穿过螺栓，然后旋入第一螺母和第二螺母，可有效减小座式管托3生根面的摩擦系数，降为原来的1/3；经应力分析可知，该支架处水平推力优化效果明显，荷载水平已在6kN以下，荷载优化率超过了80％，极大的优化了大型煤气管道运行工况下的受力状态。
3)为弱化界内外受力工况的互相干扰，在全厂外管界区外设为本发明的优化装置第三种变形装置，即限位支架，实现方式为：座式管托3与T型支架2之间不设置垫板，座式管托3的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母5和第二螺母6，将第一螺母5旋拧、锁紧后再将第二螺母6旋拧、锁紧，使其成为限位支架，限位支架对该支撑点的6组自由度(3组位移自由度、3组转角自由度)进行拆分，释放了4组自由度，从而释放了管道应力趋势，进而不会产生过大的水平推力，达到降低水平推力，减少对界区管道支架影响的目的，从而可将界区外全厂外管长直大型管道的轴向推力不会对界区内干式气柜8的大型煤气管道1支架处的水平推力产生影响，以此实现界区内、外大型煤气管道1的水平推力分段分区优化控制。
通过第一螺母和第二螺母的锁紧、回旋、增设垫板、限位等设置，可将支撑处管道的部分自由度释放，包括位移自由度和转角自由度。从而释放应力，减少摩擦系数，降低水平推力。
通过采用本发明提供的大型煤气管道水平推力优化装置，可有效降低结构型钢材料成本，节约项目一次建设投资，降低系统的水平推力荷载水平，保障了装置系统运行的安全性、可靠性、稳定性。
Claims (16)
1.一种大型煤气管道水平推力优化装置，其包括沿着煤气管道走向在界区内和界区外分布的多个固定于地面的T形支架、固定于T型支架上方并用于支托煤气管道的座式管托、用于连接T型支架和座式管托的螺栓、与螺栓配套使用的第一螺母和第二螺母，在座式管托与T形支架之间设置或不设置垫板，
其中，界区内为装置内管道主体及附件，界区外为全厂外管部分管道附件；
界区内第一T形支架处设为第一种变形装置，即导向T形支架，实现方式为：座式管托与T型支架之间不设置垫板，座式管托的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母和第二螺母，设置第一螺母、第二螺母的拧、旋、锁的安装次序，即先将第一螺母拧紧，然后将其后退回旋半圈至两圈，加之第二螺母再次锁紧；
界区内其他支架设为第二种变形装置，即滑动T形支架，实现方式为：暂不安装座式管托配套的螺栓、第一螺母、第二螺母，而在座式管托与T形支架之间的生根面上增设垫板，垫板的孔穿过螺栓，然后座式管托的长圆孔穿过螺栓，然后旋入第一螺母和第二螺母，利用扳手或专用工具进行旋拧，依次旋拧第一螺母与第二螺母，直至拧紧；
在全厂外管界区外设为第三种变形装置，即限位T形支架，实现方式为：座式管托与T型支架之间不设置垫板，座式管托的长圆孔套入螺栓后，依次旋入第一螺母和第二螺母，将第一螺母旋拧、锁紧后再将第二螺母旋拧、锁紧，使其成为限位支架。
2.根据权利要求1所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，T形支架每隔50m～150m设置一个。
3.根据权利要求1所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，T形支架每隔60～140m、设置一个。
4.根据权利要求1所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，T形支架每隔90m-110m设置一个。
5.根据权利要求1所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，T形支架包括水平的梁顶生根面和与梁顶生根面垂直固定的竖梁。
6.根据权利要求5所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，梁顶生根面在管道横向上的尺寸为200-1500mm，梁顶生根面在管道横向上的尺寸是其支撑的煤气管道直径的0.5-2倍，梁顶生根面在管道纵轴方向上的尺寸100-1000mm，梁顶生根面的厚度为100-300mm，竖梁为柱状，竖梁的外径为100-250mm，T形支架的材质为钢结构或混凝土结构。
7.根据权利要求6所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，梁顶生根面在管道横向上的尺寸为300-1000mm，梁顶生根面在管道横向上的尺寸是其支撑的煤气管道直径0.8-1.5倍，梁顶生根面在管道纵轴方向上的尺寸200-500mm，梁顶生根面的厚度为150-250mm，竖梁的外径为150-200mm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，
座式管托从上到下依次包括承托煤气管道的弧形托、用于支撑弧形托的支柱、用于固定支柱的底座，弧形托的形状与煤气管道形状适配。
9.根据权利要求8所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，弧形托的弧长为2/3πr-πr，弧形托的厚度为5-15mm，弧形托的宽度，即沿管道纵轴方向的尺寸为250-600mm；
支柱均匀分布于弧形托的下方，支柱的外径为10-60mm，支柱的高度为150-300mm。
10.根据权利要求8所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，弧形托的弧长为2/3πr，弧形托的厚度为6-12mm，弧形托的宽度，即沿管道纵轴方向的尺寸为300-500mm；
支柱的外径为20-30cm，支柱的高度为200mm。
11.根据权利要求8所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，支柱的个数根据所支撑的煤气管道管径确定，当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，支柱为4根，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，底座中部增加加强筋支柱，使其与座式管托的生根梁板相接。
12.根据权利要求8所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，
底座沿管道横向的尺寸与弧形托沿管道横向的尺寸一致，为250-1200mm，底座沿管道横向的尺寸根据所支撑的煤气管道确定，当所支撑的煤气管道管径范围为DN600～DN1200时，座式管托的底座长度不小于管径的9/10，当所支撑的煤气管道管径范围为DN1200以上时，座式管托的底座长度不小于管径的8/10，底座厚度为5-20mm。
13.根据权利要求12所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，
底座沿管道横向的尺寸与弧形托沿管道横向的尺寸一致，为500-1000mm，底座厚度为10-15mm。
14.根据权利要求5所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，
T型支架的梁顶生根面上开有供螺栓的头部嵌入并固定的凹槽，螺栓分散固定于T型支架的梁顶生根面上，螺栓的个数为2-10个。
15.根据权利要求14所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，螺栓对称固定于竖梁的两侧，螺栓的规格为M20～M36，座式管托的底座上开有供螺栓的螺杆贯穿的长圆孔，长圆孔是与螺栓规格对应的标准长圆孔，长圆孔的长度不小于5倍螺栓直径，宽度与螺栓直径一致，长圆孔的长方向与煤气管道的走向一致，长圆孔使煤气管道在运行工况时，在T型支架处产生一定的轴向位移。
16.根据权利要求1-7中任一项所述的大型煤气管道水平推力优化装置，其中，
所述垫板为PTFE垫板，垫板厚度为1-3mm，垫板的面积大于座式管托的底座的面积同时小于T型支架的梁顶生根面的面积，垫板上开有供螺栓的螺杆贯穿的孔。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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