彈簧支吊架的選用及設計

劉 輝

中國石化集團洛陽石化工程公司 洛陽 471003

1 概述

在石油化工裝置的管道設計時，不僅要考慮滿足工藝流程的要求，還要考慮設備、管道及其組成件的受力狀況和管道應力分析，以保證裝置長周期安全運轉(zhuǎn)。在管道應力分析中，正確設計彈簧支吊架是一項重要的工作。彈簧支吊架選型正確，布置合理，不僅使所設計的管系美觀，而且能確保管道和設備安全、裝置開車成功和長周期運行。

2 分類、結(jié)構(gòu)、類型和選型

彈簧支吊架分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架兩種。

2.1 可變彈簧支吊架

2.1.1 適用范圍

可變彈簧支吊架適用于有垂直方向位移的管道，位移范圍為0～120 mm；載荷范圍為154～217384 N；使用環(huán)境溫度為-20～200℃。

2.1.2 結(jié)構(gòu)

可變彈簧支吊架主要由圓柱螺旋彈簧、位移指示板、殼體、花籃螺母及定位塊等組成，其典型結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1.3 類型

根據(jù)安裝型式，可變彈簧支吊架可分為七種類型：①上螺紋懸吊型；②單耳懸吊型；③C雙耳懸吊型；④上調(diào)節(jié)擱置型；⑤下調(diào)節(jié)擱置型；⑥支撐擱置型；⑦并聯(lián)懸吊型。

2.1.4 選型

圖1 可變彈簧吊架的典型結(jié)構(gòu)

可變彈簧支吊架的選型主要根據(jù)生根的結(jié)構(gòu)形式、管道空間位置和管道支吊方式等因素。

(1)可根據(jù)管道運行時，包括物料、管道、閥門、保溫材料的全部管道組成件的工作載荷、位移量和位移方向來確定可變彈簧支吊架類型和選擇彈簧號。

(2)可變彈簧載荷選用表由彈簧號、工作位移范圍、彈簧剛度等組成。彈簧載荷選用表由中線分成上下兩個區(qū)域，上粗直線和下粗直線之間為最佳工作范圍。

2.1.5 載荷選擇的一般規(guī)定

(1)當管道運行時位移方向向上，則應從彈簧載荷選用表的中線和上粗直線之間查到工作載荷，再按位移量往下查得安裝載荷。

(2)當管道運行時位移方向向下，則應從彈簧載荷選用表的中線和下粗直線之間查到工作載荷，再按位移量往上查得安裝載荷。

(3)在選擇彈簧號時，不論管道運行時位移向上或向下，均應使工作載荷和安裝載荷處在表的上下粗線之間。當位移量較小時，工作載荷和安裝載荷可能均處在中線和某一粗直線之間。按上述情況選用的彈簧號及其載荷變化率不應超過25%。載荷變化率可按式(1)計算：

≤25%

(1)

當管道位移向上時，

安裝載荷=工作載荷+位移量×彈簧剛度

管道位移量向下時，

安裝載荷=工作載荷-位移量×彈簧剛度

若彈簧載荷變化率大于25%，則應減少彈簧剛度,選用大一檔的工作位移范圍，查得安裝載荷，再驗算載荷變化率。當查得的安裝載荷落在上下粗線范圍之外時，同樣采用減小彈簧剛度，選用大一檔的工作位移范圍，查得安裝載荷，再驗算載荷變化率。若垂直位移量或載荷較大，無法滿足載荷變化率小于等于25%時，或者選用可變彈簧荷載轉(zhuǎn)移較大時，則應選用恒力彈簧支吊架。

2.2 恒力彈簧支吊架

2.2.1 適用范圍

恒力彈簧支吊架適用于垂直方向位移較大的管道，位移范圍為50～400 mm；載荷范圍為124～315991 N；使用環(huán)境溫度為-20～200℃。

2.2.2 結(jié)構(gòu)

恒力彈簧支吊架主要由圓柱螺旋彈簧、固定框架、回轉(zhuǎn)框架及運行機構(gòu)、調(diào)節(jié)裝置、彈簧罩筒等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖2。

2.2.3 類型

按其筒體的空間位置和支吊架形式，恒力彈簧支吊架分平式、立式和座式三大類型。

2.2.4 選型

(1)恒力彈簧支吊架編號應根據(jù)計算的載荷和位移值從載荷彈簧表中選取，如果載荷、位移超出標準規(guī)定的范圍，可在恒力彈簧規(guī)格書中注明。

(2)選用恒力彈簧支吊架應考慮支吊架需要的安裝空間尺寸和管道設備布置，以及吊裝的布置要求。

(3)在選用恒力彈簧支吊架之前，應計算出被支吊管道或設備從冷態(tài)至熱態(tài)的最大垂直位移量，在選用時，位移數(shù)值應留有適當余量。推薦余量取位移量的20%，但不小于20mm。計算位移量應考慮由于水平位移引起的彈簧垂直位移的增加。

圖2 恒力彈簧吊架示意圖

(4)確定載荷值應考慮管道上附屬件的重量。當計算載荷與實際載荷有偏差時，可通過調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)載荷，其調(diào)節(jié)范圍一般小于標準載荷的±10%，最大不超過±15%。

(5) 根據(jù)已確定的支吊載荷和位移量，查載荷位移系列表，按計算位移值對應的與支吊載荷最接近的標準載荷值確定相應的支吊架編號。

(6)當載荷位移系列表中的位移值滿足要求，而支吊載荷值較大，以至超出載荷位移系列表中數(shù)值時，可選用兩個相同規(guī)格的支吊架并用。

(7)當載荷位移系列表中的載荷值滿足要求，而位移量較大，超出載荷位移系列表范圍時，可采用兩臺位移量相同，載荷相同的支吊架串聯(lián)來滿足要求。

(8) 選定彈簧支吊架規(guī)格編號后，支吊架所在的設計圖紙中應注明恒力彈簧支吊架型號和位移方向。在設計選用恒力彈簧支吊架時，應在型號后面標注彈簧規(guī)格。

3 設計時應注意的事項

(1)管系中應盡可能采用剛性承重，在垂直位移引起管系柔性不夠時，可選用可變彈簧支吊架。

(2)應根據(jù)程序計算報告上彈簧表選擇彈簧，確定一臺或多臺并聯(lián)、安裝荷載、彈簧剛度及位移范圍。

(3)應能適應各種工況下可能出現(xiàn)的位移和荷載變化，根據(jù)最大位移選彈簧。當可能出現(xiàn)向上位移和向下位移工況時，應在型號上標識出向下和向上的位移量。

(4)若水平位移大于40 mm且小于80 mm時，應考慮選帶四氟墊頂面的彈簧箱支架，當介質(zhì)溫度大于450℃時可設帶滾動機構(gòu)的彈簧支架，并采取防止彈簧支架滑離管托的措施；若水平位移大于等于80 mm，宜選用彈簧吊架。

(5)在較長垂直管上選用彈簧支吊架時，在不影響管系熱膨脹變形的前提下，應考慮在適當方向加限位支架。

(6)應在彈簧支架的底部用螺栓固定在支架或其它生根件上，可變彈簧支架頂面應保持滑動。

(7)當水壓試驗或兩相流管道上開停車等非正常操作下可能出現(xiàn)較多液相時，會使彈簧支吊架點的荷載超出彈簧工作荷載的1.5倍時，應考慮設承載裝置(保險杠)。

(8)當管道的管托重量較大或設備對管系受力要求苛刻時，彈簧支吊架選型時應考慮管托(吊環(huán))、吊桿重量。

(9)當管系中多點采用彈簧支吊架時，應將保溫容重、介質(zhì)密度、中間設備(如過濾器、電加熱器、換熱器)、安全閥、調(diào)節(jié)閥重量精確考慮。選定的彈簧支吊架應能適應開停車及設備內(nèi)液面變化的工況。

(10)彈簧吊架的吊桿長度應能保證在熱變形下吊桿偏移角在4°之內(nèi)，一般宜選1～1.5m長。

(11)在垂直管上有冷緊時，彈簧支吊架選型應兼顧冷緊前后及各種操作工況下的位移影響。

(12)在蠕變溫度下工作的管道，可變彈簧工作位移宜考慮蠕變位移的影響(蠕變率取1%)。

4 施工時應注意的事項

(1)制造廠應按用戶提供的安裝荷載，用上、下兩塊定位塊將彈簧支吊架的指示板固定在與安裝荷載相應的位置上，使彈簧支吊架暫處于剛性狀態(tài)。

(2)管道經(jīng)清洗、水壓試驗后，取掉上、下定位塊，方可將管道投入使用。

(3)管道開始運行時，首先拆除全部定位塊，再檢查指示板從安裝到工作的位移過程中應無卡阻現(xiàn)象。

(4)管道開始運行后，檢查彈簧支吊架在工作時的位移應與設計一致；管道停止運行后，檢查指示板應復位到安裝的位置。

參 考 文 獻

1 張德江,王懷義,劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊，第一篇，設計與計算[M].北京：中國石化出版社,2006.

2 JB/T 8130.2-1999，可變彈簧支吊架[S].