可變彈簧支吊架設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

程 強(qiáng)

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

1 彈簧支吊架選型原則

彈簧選型時(shí)為防止管道在熱態(tài)和冷態(tài)下有較大的荷載轉(zhuǎn)移，通常選擇彈簧時(shí)有這一規(guī)則：彈簧支吊架要在滿足管道冷態(tài)荷載和熱態(tài)荷載，彈簧荷載的變化率不超過25%的前提下盡可能選用剛度最小的彈簧[1]。保持彈簧在工作范圍內(nèi)剛度恒定，盡量保證在彈簧允許荷載變形量的20%～80%的最佳范圍內(nèi)，對(duì)重要管線或者設(shè)備管口受力允許的荷載變化率需要按照要求進(jìn)行設(shè)置，一般小于6%。

2 彈簧支吊架設(shè)計(jì)主要注意事項(xiàng)

2.1 彈簧吊零方法以及給定彈簧荷載的選擇

管系重量一般采用吊零的方法來進(jìn)行荷載分配，即按照每個(gè)支吊點(diǎn)處管道自重產(chǎn)生的豎直位移為0的條件進(jìn)行荷重的分配，這樣可以保證管道重量分配比較均勻。工程中對(duì)彈簧的選型一般有冷態(tài)吊零和熱態(tài)吊零兩種方式，熱態(tài)吊零是彈簧支吊架在熱態(tài)時(shí)承受冷態(tài)時(shí)管系分配的重量，冷態(tài)時(shí)彈簧荷載與管道自重是不匹配的，存在冷態(tài)位移和力矩；冷態(tài)吊零是彈簧支吊架在冷態(tài)時(shí)承受管系分配的重量，冷態(tài)時(shí)管道重量分配均勻，有利于管道的安裝，熱態(tài)時(shí)由于位移的作用導(dǎo)致荷載分配不均。一般工程上管道是長(zhǎng)期處于操作狀態(tài)，我們一般采用熱態(tài)吊零。冷態(tài)吊零和熱態(tài)吊零主要區(qū)別見表1。

考慮選彈簧經(jīng)濟(jì)性時(shí)，位移向上時(shí)按冷態(tài)吊零選彈簧是合理的，位移向下時(shí)，按熱態(tài)吊零選彈簧是合理的[3]。

當(dāng)支架跨距很大且不一致或者存在集中荷載時(shí)，容易造成個(gè)別支吊架脫空；或者在設(shè)備管口附近的彈簧支吊架，為避免設(shè)備管口受力過大，需要彈簧支吊架承受更多的重量；或者管道某一個(gè)剛性支架載荷過大，需要彈簧支吊架分擔(dān)一部分荷載等，此時(shí)吊零分配荷載不再適用，需要給定彈簧荷載來分擔(dān)其他支架或者設(shè)備管口受力，更有利于管系[4]。

表1 冷態(tài)吊零與熱態(tài)吊零區(qū)別

2.2 多工況選彈簧設(shè)計(jì)

彈簧設(shè)計(jì)過程中常會(huì)遇到復(fù)雜工況，例如再生塔的一開一備工況，蒸汽吹掃工況，高溫低溫循環(huán)工況等。例如某裝置管道一開一備工況，還存在一個(gè)低溫工況，具體如下表2所示。

表2 管道工況

根據(jù)選型熱態(tài)吊零，熱態(tài)居中原則，各工況選出彈簧型號(hào)以及位移如表3所示。

表3 各工況下彈簧位移荷載表

如表所示根據(jù)各個(gè)工況下選出的彈簧行程和荷載都相差較大，只有按OPE1工況(最大位移)下選出的彈簧荷載變化率15.4%以及彈簧行程滿足各個(gè)工況的要求，根據(jù)其他工況選出的彈簧，在OPE1工況是脫空的，會(huì)造成較大的荷載轉(zhuǎn)移，熱態(tài)下一次應(yīng)力超標(biāo)。因此在應(yīng)力分析過程中缺少了對(duì)某一工況的模擬，選出的彈簧可能只適用于某個(gè)工況，而不適用于其他工況。一般情況下我們采用"最大位移"原則來選彈簧，如果我們采用正常操作工況下選彈簧，其他工況的位移、荷載在彈簧表中忽略掉，只能在分析報(bào)告中確認(rèn)在其他工況下是否滿足彈簧行程和荷載變化率，極易造成彈簧選型錯(cuò)誤。因此需要分析者根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的工況或者最大位移工況作為選擇彈簧的依據(jù)。

2.3 管托等附加重量的影響

支吊架的荷載主要有管道重量、管件閥門重量、絕熱層重量、支吊架零部件的重量、介質(zhì)重量等。如果忽略某些荷載，容易造成彈簧支吊架選型荷載偏小。當(dāng)管托等附件重量較小時(shí)，對(duì)彈簧型號(hào)不會(huì)產(chǎn)生影響，但影響到彈簧的安裝荷載和工作荷載；當(dāng)管托等附件重量較大時(shí)，就會(huì)對(duì)彈簧的型號(hào)產(chǎn)生影響，如果在動(dòng)設(shè)備等敏感管口，則荷載就會(huì)轉(zhuǎn)移到設(shè)備管口上，造成管口受力超標(biāo)。在實(shí)際模擬過程中我們應(yīng)該盡量接近真實(shí)的荷載情況，防止忽略管托等附重，給管系和設(shè)備安全運(yùn)行造成的隱患。

2.4 彈簧摩擦力及偏裝

對(duì)于彈簧支架，管托和支架直接接觸，當(dāng)管道發(fā)生水平位移后，摩擦力(摩擦力=正壓力×摩擦系數(shù))會(huì)傳遞給支架，即管架的水平推力，對(duì)于大口徑液體管道，水平推力過大時(shí)會(huì)對(duì)支架的設(shè)計(jì)帶來一定的困難。工程上可以采用吊架、滾動(dòng)支架、低摩擦支架等來減少摩擦力的影響。對(duì)于彈簧支架來說，如果水平位移較小，由于彈簧荷重柱與外筒之間存在空隙，荷重柱可以隨管道移動(dòng)，不用考慮摩擦力的作用；當(dāng)水平位移特別大時(shí)就需要考慮摩擦力的作用，并盡量避免或者減少摩擦力作用在受力敏感的設(shè)備管口上，另外當(dāng)水平或者軸向位移比較大時(shí)，管托可能從彈簧支架上滑落，工程上一般采用偏裝、加長(zhǎng)管托等方法解決。

對(duì)于彈簧吊架，是不用考慮摩擦力，需要控制偏裝角度4度以內(nèi)，角度比較大時(shí)，可以增加吊桿長(zhǎng)度或者吊桿偏裝。

2.5 大管徑水壓試驗(yàn)工況

可變彈簧安裝前，會(huì)要求彈簧支吊架廠家將彈簧壓縮至安裝荷載，用定位銷鎖定。待管道及支架安裝后，水壓試驗(yàn)完成，開車之前才將定位銷拔出。定位銷未拔出之前，彈簧可以看成剛性支架，一般來說可以承受安裝荷載的2倍。

(1)水壓試驗(yàn)工況，對(duì)于小口徑的氣相管和液相管，彈簧承受荷載和彈簧安裝荷載相差不大，定位銷可以承受。對(duì)于大口徑的氣相管，管內(nèi)的水重量遠(yuǎn)大于管道本身重量，需要對(duì)定位銷進(jìn)行加固，防止荷載過大對(duì)彈簧造成破壞。

(2)彈簧拔出定位銷到投料前的時(shí)間，對(duì)于大口徑的液體管線管內(nèi)的水重量遠(yuǎn)大于管道本身重量，此時(shí)彈簧支吊架會(huì)對(duì)管系產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)作用力，會(huì)造成較大的冷態(tài)位移，可能對(duì)設(shè)備管口等造成較大的冷態(tài)力矩，需要考慮此種條件下的安裝工況。

(3)對(duì)于大直徑氣體管道，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)非正常荷載突然增加的工況，如轉(zhuǎn)油線的淹塔，管內(nèi)液體急劇增加，彈簧支架變形量過大，會(huì)造成相鄰支架或設(shè)備管口超載，對(duì)于這種情況，彈簧支吊架需要設(shè)置保險(xiǎn)桿，防止彈簧發(fā)生過大變形[1]。

3 結(jié)論

彈簧支吊架設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該充分考慮彈簧適用管系工況，選擇合適吊零方式，通過給定彈簧荷載來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮管托等附件重量以及彈簧支吊架摩擦、大口徑管道水壓工況下對(duì)彈簧支架的影響，以免造成彈簧設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，以及對(duì)安裝過程中對(duì)產(chǎn)生較大位移采取相應(yīng)措施，才能保證彈簧正常的運(yùn)行，從而保證裝置的安全運(yùn)行。