彈簧支吊架在應力分析中的功能及應用

劉丹(北京石油化工工程有限公司西安分公司， 陜西 西安 710075)

彈簧支吊架在應力分析中的功能及應用

劉丹(北京石油化工工程有限公司西安分公司， 陜西 西安 710075)

通過應用CAESARII軟件進行管道應力分析和應用彈簧支吊架進行模型的調整，對保證管道的安全運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例進行論述與探討。

應力分析；彈簧；安全；安裝

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

1 彈簧支吊架概述

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

另外，在敏感設備的管口處彈簧的應用也很普遍，由于敏感設備的管口對荷載要求很嚴格，很多時候我們都是通過彈簧進行荷載的平衡調整，即使管道位移很小的時候，也常常應用彈簧支吊架，以達到設備管口的許用荷載要求。

2 彈簧的應用原理

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

圖1

3 彈簧支吊架應用實例的探討

對于多種溫度工況下的彈簧的應用。像泵、反應器等出現一開一備用的情況，還有需要考慮反應、再生等特殊情況，在一個管道模型中出現上述的情況下時，模型中的彈簧設置一定不要忘記要進行調整，首先需在No．of Hanger Design Operating Load Cases[1]項選出要進行計算的工況數量，然后在Mutiple Load Case Design Option項給出的13種工況中選取相對應的溫度進行彈簧數據的計算(見圖2所示)，否則CAESARII中將不能準確的計算出真實數據。以圖2中的泵管道彈簧的設置為例：

圖2

未調整之前的結果如下；

在Mutiple Load Case Design Option項選擇第11工況下的計算結果如下；

由此可見，如不對彈簧的工況進行設置，計算出的數據將不準確，影響彈簧的選型，且模型中的溫度越高，此問題越明顯，對彈簧計算選型的影響也越大。

除此之外，泵管道上往往通過調整彈簧預加荷載來平衡整體管道系統的受力狀態，減小泵口受力，來保證泵口的許用荷載符合標準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算的方法導致計算出的結果并不是我們想要的。以圖三為例，有的人把模型進行了復雜的處理，把兩段的耳軸也輸入到模型中，給出兩個耳軸A．B 分別設置彈簧支撐，在這個模型中，由于軟件的自然分配，大部分的荷載作用在了設備本身的支撐上，彈簧支撐著很小一部分荷載，現在大部分的軟件都可以進行荷載的調整，可以提高彈簧的荷載，以達到讓彈簧承受管道的大部分荷載。而由于A．B兩點非常近，根據彈簧的計算原理都是以剛性支架來計算荷載，當受到一些水平方向的力及力矩的影響，使得軟件計算出的兩個彈簧的結果不完全相同，有時候兩個彈簧相差比較大，這樣根據計算結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彈簧在安裝位置出現錯誤，這樣就會影響到整個管系的安全。對于這種情況下的彈簧模型，我們不建議用這種復雜的模型處理，往往都在圖中的C點直接給出彈簧，彈簧的數量設置成2，將彈簧的荷載值一分為二，由軟件計算出兩個相同載荷的彈簧即可。

對于設備上應用彈簧支撐的情況，現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，膨脹節的應用受到限制的情況下，我們通常會設備上設置彈簧支撐來解決整個管系的柔性。但對于這種情況我們需要注意設備的重量對彈簧的影響，一般是應用正常操作情況下設備的重量，來進行彈簧的設計，除此之外我們還要考慮開工前，彈簧定位銷拔除后，設備在空載情況下，選擇的彈簧對整個系統及設備管口的影響，尤其是空載持續時間比較長的情況下，更要進行空載工況的校核，在軟件CAESARII中要進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

彈簧支吊架必須嚴格按照設計要求進行定位和裝配，在整個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，必要時需采用加長托板或者偏裝的措施。

5 彈簧支吊架的熱態吊零與冷態吊零

平衡荷載是指用來平衡支撐管道本身荷重的荷載。熱態吊零是在操作條件下，熱態荷載等于平衡荷載[2]。大家更能接受的是熱態吊零的方式，這樣彈簧在正常操作狀態下處于零態，尤其在蠕變情況下，持續應力盡量小，這是對管道系統處于蠕變狀態下必要的要求，蠕變狀態下持續應力是最主要的蠕變破壞。理論上講，熱態吊零要優于冷態吊零。但對于一些中低溫的與大型機械設備連接的管道來講，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備管口在安裝上幾乎不受力，以盡可能的達到了設備管口零應力安裝的目標。其次溫度不高，在彈簧處產生的垂直位移很小，這樣該彈簧的荷載變化率也很小，是可以控制在預期的變化范圍內，因此有些有經驗的工程師往往希望進行冷態吊零。冷態吊零則是在安裝條件下冷態荷載等于平衡荷載。目前，冷態吊零在工廠中應用很廣泛，來促進加快工廠的安裝進程，選擇合適的位置及合理的約束形式來調整荷載分配，零應力安裝才能達到。

6 結語

綜上，彈簧支吊架的正確選擇及合理的安裝，對整體管道系統的安全運行，降低設備管口載荷起了至關重要的作用。這就要求我們對彈簧支吊架要有更加深入全面的了解，合理的完成相關應力管線上彈簧支吊架的設計。彈簧在設計中應注意以下幾點：

(1)彈簧的參數包括：安裝/工作荷載，位移，彈簧剛度；

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

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

[1]CAESARⅡApplication Guide.北京:北京艾思弗計算機軟件技術有限責任公司,2002.

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

劉丹(1982-)，女，畢業于河南科技大學化學工程與工藝專業，獲學士學位，畢業后一直從事于管道應力分析工作，工程師。