可變彈簧支吊架設計注意事項

程 強

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

1 彈簧支吊架選型原則

彈簧選型時為防止管道在熱態和冷態下有較大的荷載轉移，通常選擇彈簧時有這一規則：彈簧支吊架要在滿足管道冷態荷載和熱態荷載，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，對重要管線或者設備管口受力允許的荷載變化率需要按照要求進行設置，一般小于6%。

2 彈簧支吊架設計主要注意事項

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行荷載分配，即按照每個支吊點處管道自重產生的豎直位移為0的條件進行荷重的分配，這樣可以保證管道重量分配比較均勻。工程中對彈簧的選型一般有冷態吊零和熱態吊零兩種方式，熱態吊零是彈簧支吊架在熱態時承受冷態時管系分配的重量，冷態時彈簧荷載與管道自重是不匹配的，存在冷態位移和力矩；冷態吊零是彈簧支吊架在冷態時承受管系分配的重量，冷態時管道重量分配均勻，有利于管道的安裝，熱態時由于位移的作用導致荷載分配不均。一般工程上管道是長期處于操作狀態，我們一般采用熱態吊零。冷態吊零和熱態吊零主要區別見表1。

考慮選彈簧經濟性時，位移向上時按冷態吊零選彈簧是合理的，位移向下時，按熱態吊零選彈簧是合理的[3]。

當支架跨距很大且不一致或者存在集中荷載時，容易造成個別支吊架脫空；或者在設備管口附近的彈簧支吊架，為避免設備管口受力過大，需要彈簧支吊架承受更多的重量；或者管道某一個剛性支架載荷過大，需要彈簧支吊架分擔一部分荷載等，此時吊零分配荷載不再適用，需要給定彈簧荷載來分擔其他支架或者設備管口受力，更有利于管系[4]。

表1 冷態吊零與熱態吊零區別

2.2 多工況選彈簧設計

彈簧設計過程中常會遇到復雜工況，例如再生塔的一開一備工況，蒸汽吹掃工況，高溫低溫循環工況等。例如某裝置管道一開一備工況，還存在一個低溫工況，具體如下表2所示。

表2 管道工況

根據選型熱態吊零，熱態居中原則，各工況選出彈簧型號以及位移如表3所示。

表3 各工況下彈簧位移荷載表

如表所示根據各個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工況的要求，根據其他工況選出的彈簧，在OPE1工況是脫空的，會造成較大的荷載轉移，熱態下一次應力超標。因此在應力分析過程中缺少了對某一工況的模擬，選出的彈簧可能只適用于某個工況，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，只能在分析報告中確認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誤。因此需要分析者根據實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。

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。當管托等附件重量較小時，對彈簧型號不會產生影響，但影響到彈簧的安裝荷載和工作荷載；當管托等附件重量較大時，就會對彈簧的型號產生影響，如果在動設備等敏感管口，則荷載就會轉移到設備管口上，造成管口受力超標。在實際模擬過程中我們應該盡量接近真實的荷載情況，防止忽略管托等附重，給管系和設備安全運行造成的隱患。

2.4 彈簧摩擦力及偏裝

對于彈簧支架，管托和支架直接接觸，當管道發生水平位移后，摩擦力(摩擦力=正壓力×摩擦系數)會傳遞給支架，即管架的水平推力，對于大口徑液體管道，水平推力過大時會對支架的設計帶來一定的困難。工程上可以采用吊架、滾動支架、低摩擦支架等來減少摩擦力的影響。對于彈簧支架來說，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，不用考慮摩擦力的作用；當水平位移特別大時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備管口上，另外當水平或者軸向位移比較大時，管托可能從彈簧支架上滑落，工程上一般采用偏裝、加長管托等方法解決。

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

2.5 大管徑水壓試驗工況

可變彈簧安裝前，會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)水壓試驗工況，對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。對于大口徑的氣相管，管內的水重量遠大于管道本身重量，需要對定位銷進行加固，防止荷載過大對彈簧造成破壞。

(2)彈簧拔出定位銷到投料前的時間，對于大口徑的液體管線管內的水重量遠大于管道本身重量，此時彈簧支吊架會對管系產生一個持續作用力，會造成較大的冷態位移，可能對設備管口等造成較大的冷態力矩，需要考慮此種條件下的安裝工況。

(3)對于大直徑氣體管道，有時會出現非正常荷載突然增加的工況，如轉油線的淹塔，管內液體急劇增加，彈簧支架變形量過大，會造成相鄰支架或設備管口超載，對于這種情況，彈簧支吊架需要設置保險桿，防止彈簧發生過大變形[1]。

3 結論

彈簧支吊架設計的過程中應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行優化設計，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彈簧支架的影響，以免造成彈簧設計錯誤，以及對安裝過程中對產生較大位移采取相應措施，才能保證彈簧正常的運行，從而保證裝置的安全運行。