CAESARII軟件在彈簧支架設計中的應用

李廣鑫　王乾

摘 要：彈簧支吊架主要解決管道有垂直位移時的支撐和減小敏感設備管口的受力問題，彈簧支吊架的合理設置和正確選擇，對管系的安全平穩運行起著決定性的作用。文章應用CAESAR II 管道應力分析軟件，以液化天然氣超低溫管道為例，講解快速設計脫空管道彈簧支架方法，并對管道進行應力分析校核，管道應力及支架受力滿足要求，彈簧選擇合理。

關鍵詞：CAESAR II；管道；彈簧支架；應力分析

引言

管道設計中，當管道熱脹或冷縮將使該支承點處有較大垂直位移時，使該點支架脫空或支架推力過大，剛性支架失去作用，該工況將造成管道一次應力增大或鄰近支架（或設備）超載，或將使管道產生較大的二次應力，對管道和支吊架產生破壞，這時管道支承點處需要采用彈簧支吊架[1-2，5]；在與敏感機械設備相連接的管道處，為減少對設備管口處的受力影響，亦采用彈簧支吊架[1-4]。

CAESARII管道應力分析軟件是由美國COADE公司研發的壓力管道應力分析專業軟件，內置國際上通用的管道設計規范，可進行管系在承受自重、壓力載荷、熱載荷、地震載荷和其它靜態和動態載荷作用下的管道應力分析。同時，軟件內置了Sinopec（China）、ANVIL、LISEGA等彈簧庫，允許在多個熱工況下，選擇冷態或熱態吊零，使用標準或擴充的載荷范圍，對彈簧進行自動選型設計，并從彈簧庫中選擇合適的彈簧支吊架。

文章以LNG超低溫管道為例，應用CAESAR II軟件，以Sinopec（China）彈簧標準，給出管道用彈簧支架的快速選型設計方法。

1 彈簧支吊架選用原則

彈簧支架分為可變彈簧支架和恒力彈簧支架。可變彈簧支架適用于支承點有垂直位移，用剛性支承會脫空或造成過大熱脹推力的場合，可變彈簧會造成一定的荷載轉移，為防止過大的荷載轉移，要求可變彈簧荷載變化率小于或等于25%[6]。

可變彈簧支吊架設計時主要考慮彈簧的工作載荷、運行時的位移量和位移方向、管道的空間位置、彈簧的形式、工作范圍位移、彈簧支吊架編號和安裝載荷，在彈簧能夠承受工作載荷、安裝載荷，載荷變化率在滿足要求的前提下，力求選用較小規格的彈簧。

當管道的垂直位移大于50mm，或需要減小設備管口受力，亦或可變彈簧的載荷變化率超過25%時，應選擇恒力彈簧[7]。恒力彈簧的恒定度應小于或等于6%，以保證支吊點發生位移時，支承力的變化很小。

2 CAESAR II 中彈簧支吊架設計

CAESAR II軟件采用熱態吊零法進行彈簧支架的設計，即操作工況（W+T1+P1+H，OPE）下，按每個支吊點處管道自重產生的垂直位移為零的條件來分配載荷，用大剛度支吊架代替吊零處的彈簧支吊架，彈簧支吊架垂直位移為零。

2.1 CAESARII彈簧支吊架設計控制參數

Hanger Table（彈簧表）——用來指定使用哪個制造商的彈簧。

Extended Range（極限范圍）：允許應用彈簧表中的彈簧極限范圍。

Cold Load（冷態載荷）：計算彈簧支架的實際安裝載荷。

Hot Load centered（熱態居中）：當一個彈簧選定后，熱態載荷落到整個載荷范圍的中間位置。

Available Space（可用安裝空間）——管頂和高處型鋼之間、管底與底處基礎之間的距離，決定彈簧允許安裝空間。

Allowable Load Variation%（許用載荷變化率%）——對于可變彈簧，要求載荷變化率不超過25%，設計者可改變載荷變化率，設計彈簧。

Rigid Support Displacement Criteria（剛性支架的位移標準）：當豎直位移小于給定值時，用剛性支架替換彈簧。

Max. Allowed Travel Limit（最大允許形成限制）：當豎直位移大于給定值，選用恒力彈簧替代可變彈簧。

Allow Short Range Springs（允許短程彈簧）——CAESARII的彈簧設計首先試圖選擇使用短程彈簧，其次是中程彈簧，最后才是長程彈簧。在某些施工現場，短程彈簧被認為是特殊件。

Operating Load（用戶指定的操作載荷）——在某些管系中，程序選擇的彈簧操作載荷不能消除設備管口載荷情況下，設計可以給定一個熱態載荷，重新調整載荷分布并使設備載荷能滿足許用值；或者當垂直管道或水平管道的重量需由彈簧支吊架來分擔，可對某些需要釋放載荷的支架給定荷載值。

No. Hangers At Location（允許彈簧數量）——若在一個給定的彈簧位置處有多個彈簧，可以在這里指定彈簧的數量，在多彈簧情況下，CAESARII將在所有彈簧間均勻分配載荷。

Multiple Load Case Design Option（多工況彈簧支吊架設計）——適用于當管系有多個不同的操作狀態，并且進行彈簧支吊架設計時必須考慮每個狀態的情況。

Free Restraint at Node，Free Code（釋放節點約束，釋放方式）——通常設備管口的固定架通常被“釋放”，使其所有重量都加在最近彈簧支吊架的熱態載荷上。彈簧支吊架設計的一個主要目的是使重量造成的設備管口載荷最小，可通過在離設備管口最近的彈簧位置強加一個不平衡的熱態載荷來實現。這個不平衡力作用在管口，因而消除通常在自然分布條件下加在管口上的重力。在理想情況下，不平衡的彈簧力可以使設備管口上的載荷盡量接近零。

Spring rate（彈簧剛度）：此為選用的彈簧參數。

Theoretical cold （installation） load（理論冷態安裝載荷）：此為選用的彈簧參數。

2.2 彈簧設計實例分析

以LNG超低溫管道為例，所用材料為304/304L雙牌號不銹鋼，管道內介質為液化天然氣，設計壓力為1.79MPa，設計溫度為-165℃，操作溫度為-162℃，最高溫度為60℃，管道尺寸為24寸，管道厚度為10S，管道保冷材料為PIR，厚度為170mm，PIR密度為40KG/M3，管道應力分析評定標準為ASME 31.3 工藝管道。管道布置如圖2，經應力分析后查看支架受力如圖3所示。

操作工況（W+T1+P1+H）下，Y方向上，150節點受力為0，說明150節點處剛性支架未起作用，支架脫空；而110節點支架受力為-40442N，大于結構承受最大4噸力的要求。根據需要150節點處剛性支架應調整彈簧支架，消除脫空影響，分擔110節點支架載荷。

2.3 CAESAR II彈簧支吊架設計

CAESAR II軟件中，設置free code為5-all（減少其他臨近支架受力），選用Sinopec（china）彈簧、選擇熱載居中、載荷變化率不超過25%，設置完成，選擇軟件自動推薦的工況（W+T1+P1+H）進行迭代計算彈簧。

計算得到推薦彈簧結果如4所示，彈簧系列為TD120，彈簧剛度為628N/cm、理論安裝載荷為18254N，彈簧載荷變化率為19%。此推薦參數，冷態載荷完全落在彈簧的工作范圍內，載荷變化率小于給定值25%，彈簧尺寸滿足凈空要求。此處，若單個彈簧不符合要求，軟件會自動選擇兩個彈簧并聯，若兩個并聯彈簧也不符合要求，軟件將自動選擇恒力彈簧。

根據推薦結果和標準“NB/T 47039-2013 可變彈簧支吊架”，選擇彈簧剛度和理論安裝載荷分別為627.88N/cm和18334N的彈簧。

將此結果填入彈簧控制參數中，進行管道應力計算，得到設置彈簧后各支架受力如圖5所示。更改彈簧支架后，各支架載荷重新分配，110節點支架受力從-40442N，降低到-28076N，160節點受力從-18165N降低到-5149N，支架受力滿足要求。經校核管道一次應力及二次應力，管道一次應力及二次應力滿足ASME 31.3標準要求，管道位移滿足布置要求，此彈簧選擇合理。

3 結束語

對彈簧支吊架的選用原則及CAESAR II軟件中彈簧支吊架設計參數進行了分析講解。以LNG超低溫管線為例，應用CAESAR II軟件進行彈簧支吊架快速選型設計，并對管道進行應力分析，管道一次應力、二次應力滿足ASME 31.3標準要求，支架受力滿足結構承載力要求，彈簧選擇合理。

CAESAR II 管道應力分析軟件，可快速、準確的進行彈簧支吊架選型設計，減少設計時間，降低設計錯誤幾率，極大程度地提高工作效率。

參考文獻

[1]李盾，任春玲，等.核電站管道設計彈簧支架優化應用[J].華北電力技術，2012（1）：27-31.

[2]尹成龍，牛多青.管道設計中彈簧支吊架的應用[J].內蒙古石油化工，2005，4：117-120.

[3]張民貞.彈簧支吊架在管道設計中的應用及彈簧失效分析[J].化工設計，2007，17（5）：29-33.

[4]張存良.AutoPSA與CAESAR II在彈簧選型中的比較[J].石油化工設備，2008，37（2）：59-63.

[5]ASME 31.3-2012.Process Piping[S].

[6]NB/T 47039-2013.可變彈簧支吊架[S].

[7]NB/T 48038-2013.恒力彈簧支吊架[S].

作者簡介：李廣鑫（1983-），男，，畢業于哈爾濱工業大學，碩士學位，現為海洋石油工程股份有限公司工程師，主要從事油氣田總圖與管道設計工作。