管道設計中關于雙向位移彈簧選型問題的探討

劉 薇，滿文聰

(中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

管道設計中關于雙向位移彈簧選型問題的探討

劉 薇，滿文聰

(中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島 266071)

本文主要針對石油化工裝置管道設計中,雙向位移彈簧支吊架選型的難點問題，結合管道應力分析軟件CAESARII，對選型的過程、原因、注意事項進行分析和總結，并舉例說明，對管道設計中彈簧的選型具有一定的指導意義。

管道設計; 雙向位移；彈簧選型；CAESARII

支吊架的設計是石油化工行業管道設計中的重要環節，如果其設計不當，不能承受管道重量等引起的載荷，將可能導致管道的一次應力超標。通過支吊架的設計可以對管系的變形加以控制，從而減小管道的二次應力和管道對設備的推力，保證管道與設備的正常運行。當垂直熱位移較大時，若采用剛性支吊架，可能造成支吊架脫空，起不到支吊架應有的作用，在這種情況下，必須采用彈簧支吊架，既能承受載荷，又允許存在垂直位移，可以避免支吊架脫空或者熱漲載荷過大的問題[1]。本文將從雙向彈簧選型的角度切入，深入討論雙向彈簧選型應該注意的問題。

1 雙向位移的彈簧容易被忽略的原因

在彈簧設計過程中遇到工況復雜的管系，尤其是彈簧在不同的工況下，支撐點處有雙向位移的情況。出現這種情況的原因是，彈簧所在的管道有多個操作工況，某個工況是處于非正常操作工況，如加氫裝置塔區的硫化線、催化裝置中的催化劑線等都有可能出現。

1.1 沒有對管系進行正確模擬

原因一是進行應力分析時沒有對管系正確模擬，遺漏了某個工況，最終選出的彈簧只適用于某個工況，而不適用于其他工況。比如某管線正常無量比如某管線正常無量，但設計溫度比較高，應力分析時按照設計溫度選彈簧，如果該彈簧所在位置有其他管線或設備熱脹對其引起的較大牽制位移，且位移方向與該管線在熱態下的位移方向相反，那么幾乎可以肯定，選出的彈簧是不適用的。

1.2 沒有對彈簧表進行后期編輯

原因二是CAESARII軟件在生成彈簧表彈簧時確不能將兩個方向的彈簧位移都顯示出來。由于在分析過程中通常設定了程序按照“最大位移”原則，如圖1。沒有使彈簧產生最大位移的工況，彈簧的位移就會在彈簧表中被忽略掉，無論該工況的彈簧位移方向是否與最大位移方向一致。如果沒有在應力分析報告的彈簧表中進行手動修改，如圖2，那么彈簧各工況的位移只能從分析報告中的各個位移報告中讀取，而對于多工況管系的應力分析報告，要查找每個工況下的彈簧位移也是非常不方便的。如果不仔細查看位移報告，最終會導致彈簧選型錯誤。

圖1 設定程序按照“最大位移”原則

圖2 沒有對彈簧表進行后期編輯

1.3 缺乏雙向位移彈簧設計經驗

對于一些缺乏設計經驗的工程師，在已知雙向位移情況下，彈簧選型仍然存在困難，主要是由于各個彈簧樣本中給出的選型方法及彈簧代號無法表達雙向位移的彈簧。

2 雙向位移的彈簧選型應注意的問題

2.1 要重視對工藝流程的理解和彈簧表后期的完善

要工藝流程進行詳細的了解，對管系中可能存在的特殊工況要格外重視，避免因為工況缺失導致的彈簧選型錯誤。在計算具有多個工況的管系時，對管系中的彈簧要格外重視，有必要在報告彈簧表中手動改成雙向位移的彈簧。讀取應力分析報告的時候，對于各個支架點的管道位移以及載荷大小都要仔細考慮，彈簧選型時盡量看各工況的力和位移報告，而不是直接根據彈簧表選彈簧[2]。如表1。

表1 完善彈簧表

2.2 對于雙向位移彈簧的選型的建議

在確定彈簧的類型時，如果上下兩個方向的位移之和超出了可變彈簧的適用范圍，應改為恒力彈簧并重新核算該管系。在彈簧的選型時，要根據彈簧樣本中每個位移系列的范圍合理選擇彈簧，對彈簧型號的標注要將上下兩個方向的位移和工作載荷都編入其中，現舉例說明(忽略彈簧的廠家以及彈簧形式的代號及附件重量)。

某彈簧在兩種工況下的工作位移分別為向上10 mm和向下20 mm,其中向下20 mm的工況是其最常保持的工作狀態，該工作狀態下的載荷為15600N，根據上述條件可知該彈簧至少要滿足30 mm的位移范圍，從樣本中的“彈簧位移系列表”中查得與該載荷位于載荷編號為04和05的那兩列中，如果用載荷編號04的彈簧，位移系列可選2-4系列，如果用載荷編號為05的彈簧，位移系列可選3-4系列，考慮到最常用的工作載荷15600N位于04載荷系列的底部附近，考慮到計算、制造、施工等方面的誤差，盡量避免使用，因此建議使用載荷編號為05的彈簧，為保證位工作移向上10 mm的另一操作工況盡量遠離彈簧位移范圍的端部，選擇最大行程范圍的4系列的彈簧，查表得到，05載荷編號4系列的彈簧15600荷載對應的位移刻度為46，向上20 mm可推得彈簧的安裝荷載為14433N，再向上10 mm可推得彈簧的另一工作荷載為13852N，因此該彈簧型號為：xxxx405,10↑/13852-14433-20↓/15600。恒力彈簧的選型與之類似，不在贅述。

3 總結

為保證管系在任何工況下的安全，雙向位移彈簧是非常有必要的，如果不在彈簧型號上注明上下兩個方向上的位移，僅確保兩個方向上的位移都在該型號的彈簧行程范圍內，理論上也是可行的，但由于彈簧的制造和采購等環節均不是設計方能控制的，有的彈簧廠家為了節約成本，會縮短彈簧的行程，使彈簧的行程范圍剛好大于該彈簧的最大工作位移，這樣的彈簧就無法滿足另一工況下的位移要求。

對于雙向位移的彈簧使用更要謹慎，有的工況持續時間很短，有的管系短時的彈簧空載并不會對管系產生較大影響，這種情況也沒有必要選擇雙向位移彈簧，彈簧的選型在滿足彈簧位移范圍并考慮誤差影響即可。

[1] 張德姜，趙 勇. 石油化工管道設計與安裝[M].2版.北京:中國石化出版社,2007.

[2] 唐永進. 壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009.

(本文文獻格式：劉 薇，滿文聰.管道設計中關于雙向位移彈簧選型問題的探討[J].山東化工,2017,46(5):107-108.)

The Discussing for the Selection Problem of Two-way Displacement Spring in the Piping Design

LiuWei,ManWencong

(Piping Design Department,China Petroleum Engineering Construction Corporation East China Design Branch,QingDao 266071,China)

This paper discuss a difficult problem in the design of bidirectional displacement spring selection in the petrochemical plant,and combination of pipe stress analysis software CAESARII, the selection of the process, reason and attention should be paid to the problems to analy and summary., and at the same time put up an example.All above for two-way displacement spring type selection has a certain guiding significance in piping design.

piping design;two-way displacement;the spring selection;CAESARII

2017-01-22

劉 薇(1984—)，女，山東青島人，工程師，碩士研究生，主要研究方向為石油化工煉油設計。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)05-0107-02