彈簧支吊架在應(yīng)力分析中的功能及應(yīng)用

劉丹(北京石油化工工程有限公司西安分公司， 陜西 西安 710075)

彈簧支吊架在應(yīng)力分析中的功能及應(yīng)用

劉丹(北京石油化工工程有限公司西安分公司， 陜西 西安 710075)

通過應(yīng)用CAESARII軟件進(jìn)行管道應(yīng)力分析和應(yīng)用彈簧支吊架進(jìn)行模型的調(diào)整，對保證管道的安全運(yùn)行起到了重要的作用，本文對彈簧支吊架的基本原理和安裝處理及幾種模型實(shí)例進(jìn)行論述與探討。

應(yīng)力分析；彈簧；安全；安裝

彈簧支吊架作為熱力管道及設(shè)備的支撐形式，被廣泛的應(yīng)用到電力，煉油及化工等行業(yè)。

1 彈簧支吊架概述

在管道設(shè)計(jì)中，當(dāng)管道支承點(diǎn)處有較大垂直位移時(shí)，在該點(diǎn)處將會產(chǎn)生了兩種情況：(1)管道位移向上時(shí)支架脫空，使支架失去其承載功能，該荷載轉(zhuǎn)移將造成管道一次應(yīng)力增大；(2)管道位移向下時(shí)該支撐點(diǎn)處產(chǎn)生過大熱應(yīng)力，將使管道產(chǎn)生較大的二次應(yīng)力對管道和支吊架都不利，且會影響到鄰近設(shè)備，使設(shè)備管口超載。這時(shí)管道支承點(diǎn)處就需要采用彈簧支吊架進(jìn)行熱應(yīng)力的釋放。

另外，在敏感設(shè)備的管口處彈簧的應(yīng)用也很普遍，由于敏感設(shè)備的管口對荷載要求很嚴(yán)格，很多時(shí)候我們都是通過彈簧進(jìn)行荷載的平衡調(diào)整，即使管道位移很小的時(shí)候，也常常應(yīng)用彈簧支吊架，以達(dá)到設(shè)備管口的許用荷載要求。

2 彈簧的應(yīng)用原理

在應(yīng)力管線系統(tǒng)中，彈簧力的變化貫穿著整個(gè)操作循環(huán)中。在沒有任何支撐的情況下，計(jì)算出管道系統(tǒng)的預(yù)期熱位移量，找出在預(yù)期支撐點(diǎn)處垂直位移，作為該點(diǎn)的位移；在整個(gè)管道系統(tǒng)處于無熱位移，所有支架都是剛性支架的情況下，在預(yù)期支撐點(diǎn)處的荷載作為該點(diǎn)將要施加彈簧的荷載，通過得到的位移、冷態(tài)荷載及彈簧的剛度就可計(jì)算出彈簧的熱態(tài)荷載，完成彈簧的選擇。在軟件CAESARII中，見圖1：其中L1工況是計(jì)算彈簧荷載的工況，是用來決定彈簧的荷載，該荷載包括管道自重，保溫，介質(zhì)，管件及細(xì)小的附件等的綜合重量；L2-L4這3個(gè)工況都是用來計(jì)算彈簧的位移，再通過迭代計(jì)算，得到最后的彈簧計(jì)算結(jié)果。

圖1

3 彈簧支吊架應(yīng)用實(shí)例的探討

對于多種溫度工況下的彈簧的應(yīng)用。像泵、反應(yīng)器等出現(xiàn)一開一備用的情況，還有需要考慮反應(yīng)、再生等特殊情況，在一個(gè)管道模型中出現(xiàn)上述的情況下時(shí)，模型中的彈簧設(shè)置一定不要忘記要進(jìn)行調(diào)整，首先需在No．of Hanger Design Operating Load Cases[1]項(xiàng)選出要進(jìn)行計(jì)算的工況數(shù)量，然后在Mutiple Load Case Design Option項(xiàng)給出的13種工況中選取相對應(yīng)的溫度進(jìn)行彈簧數(shù)據(jù)的計(jì)算(見圖2所示)，否則CAESARII中將不能準(zhǔn)確的計(jì)算出真實(shí)數(shù)據(jù)。以圖2中的泵管道彈簧的設(shè)置為例：

圖2

未調(diào)整之前的結(jié)果如下；

在Mutiple Load Case Design Option項(xiàng)選擇第11工況下的計(jì)算結(jié)果如下；

由此可見，如不對彈簧的工況進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算出的數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，影響彈簧的選型，且模型中的溫度越高，此問題越明顯，對彈簧計(jì)算選型的影響也越大。

除此之外，泵管道上往往通過調(diào)整彈簧預(yù)加荷載來平衡整體管道系統(tǒng)的受力狀態(tài)，減小泵口受力，來保證泵口的許用荷載符合標(biāo)準(zhǔn)要求或供貨商提供的管口許用荷載要求。

對于大口徑大荷載管道上的彈簧支架的處理，例如圖三所示，我們都希望讓彈簧承受管道的大部分荷載且兩個(gè)彈簧荷載是均等的。但是由于對管道輸入的模型不同處理及軟件自身的理論計(jì)算的方法導(dǎo)致計(jì)算出的結(jié)果并不是我們想要的。以圖三為例，有的人把模型進(jìn)行了復(fù)雜的處理，把兩段的耳軸也輸入到模型中，給出兩個(gè)耳軸A．B 分別設(shè)置彈簧支撐，在這個(gè)模型中，由于軟件的自然分配，大部分的荷載作用在了設(shè)備本身的支撐上，彈簧支撐著很小一部分荷載，現(xiàn)在大部分的軟件都可以進(jìn)行荷載的調(diào)整，可以提高彈簧的荷載，以達(dá)到讓彈簧承受管道的大部分荷載。而由于A．B兩點(diǎn)非常近，根據(jù)彈簧的計(jì)算原理都是以剛性支架來計(jì)算荷載，當(dāng)受到一些水平方向的力及力矩的影響，使得軟件計(jì)算出的兩個(gè)彈簧的結(jié)果不完全相同，有時(shí)候兩個(gè)彈簧相差比較大，這樣根據(jù)計(jì)算結(jié)果我們就選出了不同型號的彈簧，給彈簧的安裝帶來很多不便，且同一位置上很容易使兩個(gè)彈簧在安裝位置出現(xiàn)錯誤，這樣就會影響到整個(gè)管系的安全。對于這種情況下的彈簧模型，我們不建議用這種復(fù)雜的模型處理，往往都在圖中的C點(diǎn)直接給出彈簧，彈簧的數(shù)量設(shè)置成2，將彈簧的荷載值一分為二，由軟件計(jì)算出兩個(gè)相同載荷的彈簧即可。

對于設(shè)備上應(yīng)用彈簧支撐的情況，現(xiàn)今有好多化工裝置中，由于工藝要求及布置空間的限制，管道盡量要求少拐彎或者沒有彎頭，膨脹節(jié)的應(yīng)用受到限制的情況下，我們通常會設(shè)備上設(shè)置彈簧支撐來解決整個(gè)管系的柔性。但對于這種情況我們需要注意設(shè)備的重量對彈簧的影響，一般是應(yīng)用正常操作情況下設(shè)備的重量，來進(jìn)行彈簧的設(shè)計(jì)，除此之外我們還要考慮開工前，彈簧定位銷拔除后，設(shè)備在空載情況下，選擇的彈簧對整個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備管口的影響，尤其是空載持續(xù)時(shí)間比較長的情況下，更要進(jìn)行空載工況的校核，在軟件CAESARII中要進(jìn)行此種工況的校核需要人為填加WNC+H工況即可。

圖3

4 彈簧的安裝

彈簧支吊架必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定位和裝配，在整個(gè)管系安裝完畢且試壓完成后，管系升溫之前將定位裝置拔出，使彈簧正常工作，管道運(yùn)行前，必須逐一檢查彈簧的定位裝置是否拔除，以保證整體管系的安全。對于含有水平位移的彈簧，要注意水平位移的大小，必要時(shí)需采用加長托板或者偏裝的措施。

5 彈簧支吊架的熱態(tài)吊零與冷態(tài)吊零

平衡荷載是指用來平衡支撐管道本身荷重的荷載。熱態(tài)吊零是在操作條件下，熱態(tài)荷載等于平衡荷載[2]。大家更能接受的是熱態(tài)吊零的方式，這樣彈簧在正常操作狀態(tài)下處于零態(tài)，尤其在蠕變情況下，持續(xù)應(yīng)力盡量小，這是對管道系統(tǒng)處于蠕變狀態(tài)下必要的要求，蠕變狀態(tài)下持續(xù)應(yīng)力是最主要的蠕變破壞。理論上講，熱態(tài)吊零要優(yōu)于冷態(tài)吊零。但對于一些中低溫的與大型機(jī)械設(shè)備連接的管道來講，首先彈簧定位裝置拔出之后，整體管系通過剛性支架、彈簧支架的支撐，使得管道的法蘭面與其連接的設(shè)備管口在安裝上幾乎不受力，以盡可能的達(dá)到了設(shè)備管口零應(yīng)力安裝的目標(biāo)。其次溫度不高，在彈簧處產(chǎn)生的垂直位移很小，這樣該彈簧的荷載變化率也很小，是可以控制在預(yù)期的變化范圍內(nèi)，因此有些有經(jīng)驗(yàn)的工程師往往希望進(jìn)行冷態(tài)吊零。冷態(tài)吊零則是在安裝條件下冷態(tài)荷載等于平衡荷載。目前，冷態(tài)吊零在工廠中應(yīng)用很廣泛，來促進(jìn)加快工廠的安裝進(jìn)程，選擇合適的位置及合理的約束形式來調(diào)整荷載分配，零應(yīng)力安裝才能達(dá)到。

6 結(jié)語

綜上，彈簧支吊架的正確選擇及合理的安裝，對整體管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，降低設(shè)備管口載荷起了至關(guān)重要的作用。這就要求我們對彈簧支吊架要有更加深入全面的了解，合理的完成相關(guān)應(yīng)力管線上彈簧支吊架的設(shè)計(jì)。彈簧在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)彈簧的參數(shù)包括：安裝/工作荷載，位移，彈簧剛度；

(2)可以通過人為設(shè)定彈簧的安裝、工作載荷、彈簧剛度來改善管道系統(tǒng)在各種工況下的平衡性；

(3)彈簧位移行程范圍應(yīng)充分滿足該點(diǎn)可能發(fā)生的最大位移，惹位移量不夠，管道的支撐將會產(chǎn)生失效或過載。

[1]CAESARⅡApplication Guide.北京:北京艾思弗計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司,2002.

[2](L.C)Peng and(Alvin)Peng Pipe Stress Engineering 2009.

劉丹(1982-)，女，畢業(yè)于河南科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后一直從事于管道應(yīng)力分析工作，工程師。