彈簧支架摩擦對管道應(yīng)力的影響研究

朱周軍，陳潮清，葉世強，潘榮建，王旭晟

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315000）

在石油化工裝置中，彈簧支架的投資所占比例不大，但在管道設(shè)計中有著相當重要的作用。彈簧支架分為可變彈簧支架和恒力彈簧支架兩類。前者在操作狀態(tài)的彈簧載荷與安裝狀態(tài)的彈簧載荷會有所變化；而后者彈簧的載荷是保持不變的，恒力彈簧一般用于垂直位移較大和受力要求苛刻的場合，且轉(zhuǎn)動機器管口附近的管道上，不易采用恒力彈簧支架。彈簧支架的合理設(shè)置和正確選用，可以減少敏感設(shè)備管口的受力問題，并且使管系具有適當?shù)娜嵝?，從而使管系的?yīng)力滿足要求，對管系的安全平穩(wěn)運行起著相當主要的作用[1-3]。

CAESARII 軟件作為國際流行的管道應(yīng)力分析軟件，得到了眾多工程公司和應(yīng)力工程師的認可。在某些情況下，使用該軟件建模時，應(yīng)力工程師應(yīng)具備一定的工程經(jīng)驗，充分考慮現(xiàn)場實際情況，否則在數(shù)據(jù)方面會出現(xiàn)一些不必要的偏差，導(dǎo)致應(yīng)力分析結(jié)果不準確，甚至是獲得相反的結(jié)果[4-5]。

本文通過對實際案例的分析來研究可變彈簧支架與管托間的摩擦力對管道應(yīng)力的影響。

1 案例介紹

本案例為汽輪機的進出口管線的應(yīng)力分析[6-9]，其應(yīng)力模型如圖1 所示，其中節(jié)點279 為彈簧支架所在位置。前期通過應(yīng)力分析，在不考慮彈簧摩擦的情況下，筆者已經(jīng)將汽輪機進出管口的受力和力矩調(diào)整到符合NEMA SM23 的要求[10]。在此基礎(chǔ)上，筆者又對節(jié)點279 處的彈簧重新建模，并加入了摩擦系數(shù)，其他位置的支架設(shè)置保持不變，最后得到了新的結(jié)果。通過對比前后的結(jié)果來研究彈簧支架的摩擦力對汽輪機進出口管嘴的NEMA SM23 校核結(jié)果的影響。

圖1 汽輪機的進出口管線應(yīng)力模型Fig.1 Stress model of pipelines of steam turbine

2 彈簧支架模擬與分析

2.1 彈簧支架的簡單模擬

簡單彈簧支架如圖2 所示，節(jié)點5 為彈簧支撐點，CAESARII 中的具體設(shè)置如圖3 所示，該方法也是常規(guī)的彈簧支架建模方法。

圖2 簡單彈簧支架Fig.2 Single spring support

圖3 簡單彈簧支架的設(shè)置Fig.3 Setting of single spring support

計算結(jié)果如表1 所示，可以看出節(jié)點279 處只有彈簧的+Y方向支撐力，沒有摩擦力。而從汽輪機管口的校核報告（如圖4 所示）可以看出，綜合校核結(jié)果為“PASSED”。

圖4 NEMA SM23 校核報告（無摩擦）Fig.4 NEMA SM23 report （without friction）

表1 彈簧處的受力（無摩擦）Table 1 Loads on spring support （without friction）

2.2 帶摩擦的彈簧支架模擬

圖5 中節(jié)點5 ～ 10 為0 重量的剛性件，用于模擬管托；節(jié)點10 與節(jié)點15 在X、Z、RX、RY、RZ共5個方向進行關(guān)聯(lián)；節(jié)點10 設(shè)置彈簧并關(guān)聯(lián)節(jié)點15；節(jié)點15 ～ 20 為0 重量的剛性件，用于模擬彈簧高度；節(jié)點20 設(shè)置帶摩擦的+Y支撐，用于模擬管托與彈簧支架之間的摩擦。在實際建模中節(jié)點5 和10、節(jié)點15 和20 可以合并處理。

圖5 帶摩擦的彈簧支架Fig.5 Spring support with friction

CAESARII 中的具體設(shè)置如圖6 所示，其中279對應(yīng)圖5 中的節(jié)點10（等同節(jié)點5），節(jié)點281 對應(yīng)圖5 中的節(jié)點20（等同節(jié)點15）。另外，節(jié)點281 的摩擦系數(shù)mu 設(shè)置為0.1，表示管托與彈簧支架之間設(shè)置了PTFE 摩擦副。

圖6 帶摩擦的彈簧支架的設(shè)置Fig.6 Setting of spring support with friction

計算結(jié)果如表2 所示，可以看出節(jié)點279 不僅有彈簧的支撐力（與節(jié)點281 的Y值相近），還有X、Z兩個方向的力（分別與節(jié)點281 的X、Z值相近），這兩個方向的力即為模擬的彈簧摩擦力。而從汽輪機管口的校核報告（如圖7 所示）可以看出，綜合校核結(jié)果為“FAILED”。

圖7 NEMA SM23 校核報告（有摩擦）Fig.7 NEMA SM23 report （with friction）

表2 彈簧處的受力（有摩擦）Table 2 Loads on Spring Support （with friction）

2.3 結(jié)果分析

通過對比以上兩種建模方式所得的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該汽輪機管口的綜合校核結(jié)果直接從“PASSED”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癋AILED”，因此可以認為彈簧支架的摩擦力確實對汽輪機進出口管嘴的NEMA SM23 校核結(jié)果產(chǎn)生了影響?？紤]到實際運行情況，帶摩擦的彈簧支架（即第2.2 節(jié)的模擬方法）更加準確。最終筆者在保持彈簧支架摩擦的前提下，通過對其他支架進行調(diào)整使得綜合校核結(jié)果重新變回“PASSED”，完成了對汽輪機進出管線的應(yīng)力計算。

3 結(jié)論

進行應(yīng)力分析時，在必須使用彈簧支架的情況下，如果管口受力對彈簧的摩擦力不敏感，彈簧支架可以采用簡單模型進行模擬，以降低模型的復(fù)雜度。反之，則應(yīng)考慮彈簧的摩擦力，以便獲得更接近實際的力學模型，使結(jié)果更加準確。在模擬摩擦力后，受力結(jié)果可能不符合要求，此時可以采用以下幾種方法：

（1）在條件允許的情況下將彈簧支架改成彈簧吊架，此時摩擦系數(shù)可以按0 考慮，模擬時使用簡單模型；

（2）在管托與彈簧支架之間增加PTFE 摩擦副，將摩擦系數(shù)由0.3 降為0.1，本案例采用了該方法；

（3）通過調(diào)節(jié)其他支架設(shè)置或者修改管路走向來獲得滿意的結(jié)果。