管道應(yīng)力分析中彈簧支吊架的應(yīng)用探討

黃輝輝朱 景 梁朝旭 中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司南寧分公司 南寧530023

美國COADE公司的CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件作為國際較為流行的管道應(yīng)力分析軟件，已被越來越多的工程公司和應(yīng)力工程師所采用，但是，在使用該軟件建模時(shí)需要具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)，否則在數(shù)據(jù)方面會出現(xiàn)一些不必要的偏差，導(dǎo)致應(yīng)力分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

承重管道支吊架主要用于支吊管道的重量，分為剛性支吊架、彈簧支吊架［1］。剛性支吊架適用于沒有垂直位移或垂直位移很小的場合。當(dāng)管道與支吊架生根部位的相對垂直熱位移較大且方向向上時(shí)，如采用剛性支吊架，可能造成支吊架脫空，起不到支吊架的應(yīng)有作用;當(dāng)管道與支吊架生根部位的相對垂直熱位移較大且方向向下時(shí)，如采用剛性支吊架，不但會使支吊架過載，支吊架難以承受，還會導(dǎo)致管道應(yīng)力和設(shè)備受力超標(biāo)［2］。在這兩種情況下，必須采用彈簧支吊架。因彈簧支吊架既能承受荷載，又允許在支吊點(diǎn)處管道存在垂直熱位移，所以可避免支吊架脫空和過載的問題。雖然使用彈簧支吊架可避免脫空和過載，但與剛性支吊架相比，彈簧支吊架也有不足之處:①價(jià)格較貴，彈簧支吊架的價(jià)格是剛性支吊架的幾倍;②可靠性較差，彈簧在長期工作狀態(tài)下有失效的問題;③穩(wěn)定性較差，彈簧支吊架的剛度遠(yuǎn)低于剛性支吊架;④占用空間大，彈簧支吊架本身體積較大，管道支吊點(diǎn)附近要為安裝彈簧支吊架預(yù)留一定的空間，在管道密集處或空間較緊張區(qū)域難度較大;⑤設(shè)計(jì)、安裝較復(fù)雜，對于懸吊式的彈簧架，要選用管夾、吊耳和吊桿等連結(jié)件與其配合使用。

為滿足管道設(shè)計(jì)的柔性要求，采用彈簧支吊架仍是較好的選擇，但同時(shí)也對設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 彈簧支吊架的串、并聯(lián)

(1)當(dāng)彈簧吊點(diǎn)位移較大，采用單個(gè)彈簧不能滿足要求時(shí)，可采用彈簧串聯(lián)。彈簧串聯(lián)只適用于彈簧吊架，不適用于支架。采用彈簧吊架串聯(lián)時(shí)，應(yīng)選用最大荷載相同的彈簧。其特點(diǎn)是每個(gè)彈簧的荷載不變，選用最大荷載相同的彈簧可以充分利用每個(gè)彈簧的承載能力，而單個(gè)彈簧的位移值是總位移值除以彈簧串聯(lián)數(shù)［3］。應(yīng)該注意的是，可變彈簧串聯(lián)所需的安裝控件較大，且穩(wěn)定性較差，設(shè)計(jì)中彈簧最大串聯(lián)數(shù)不宜超過3個(gè)，恒力彈簧吊架一般不串聯(lián)使用。

(2)可變彈簧和恒力彈簧在設(shè)計(jì)要求下均可并聯(lián)使用，當(dāng)管道支撐點(diǎn)的荷載超出標(biāo)準(zhǔn)彈簧支吊架的最大允許荷載時(shí)，或受支撐條件(如豎管支撐)、生根條件等限制不宜采用單個(gè)彈簧支吊架進(jìn)行支撐時(shí)，可選用2個(gè)或2個(gè)以上的彈簧支吊架并聯(lián)支撐。并聯(lián)使用時(shí)，各彈簧應(yīng)采用同一型號，以避免各彈簧支承力不均而導(dǎo)致管段傾斜或偏轉(zhuǎn)。需要注意的是，并聯(lián)時(shí)各彈簧變形量相同，均等于管道在支撐點(diǎn)的位移量，而單個(gè)彈簧的荷載是總荷載除以并聯(lián)數(shù)。

2 用CAESARⅡ進(jìn)行彈簧支吊架的計(jì)算

彈簧支吊架的各種建模方式，在CAESARⅡ軟件應(yīng)用指南第4章中的4.4～4.16節(jié)有詳細(xì)的闡述，在此就不再重復(fù)。筆者著重提出兩點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 多工況的應(yīng)力計(jì)算中彈簧架參數(shù)的輸入

對于多工況的應(yīng)力計(jì)算，如泵的一開一備(見圖1)，反應(yīng)器、裂解爐的正常操作和再生工況等多工況的應(yīng)力分析計(jì)算，在彈簧支吊架的參數(shù)輸入時(shí)一定不要忘記“Multiple Load Case Design Option”這一項(xiàng)［4］，至于選擇這一項(xiàng)內(nèi)13種工況中的哪一種工況作為彈簧支吊架的參數(shù)則取決于分析者自己的需求。圖1所示泵AB一開一備的工作情況，CAESARⅡ輸入文件中的Temp1表示A泵正常工作、B泵關(guān)閉的工況。Temp2表示A泵關(guān)閉、B泵正常工作時(shí)的工況，相對應(yīng)于A泵的彈簧支架1，其Multiple Load Case Design Option這一項(xiàng)應(yīng)選用1－Operating Temperature 1。而對應(yīng)于B泵的彈簧支架2，其Multiple Load Case Design Option這一項(xiàng)應(yīng)選用2－Operating Temperature 2，而不能再用默認(rèn)的Operating Temperature 1。如果仍用Operating Temperature 1計(jì)算，那么會發(fā)現(xiàn)輸出報(bào)告中彈簧支架2的熱位移量很小，得出的結(jié)果是不真實(shí)的。如果再用上述結(jié)果進(jìn)行彈簧支架的設(shè)計(jì)，那么該設(shè)計(jì)就會與實(shí)際的操作情況有很大的偏差。以下是某松香項(xiàng)目280℃導(dǎo)熱油管的位移數(shù)據(jù)的對比，多個(gè)負(fù)荷情況設(shè)計(jì)選項(xiàng)(選擇操作工況)見表1和多個(gè)負(fù)荷情況設(shè)計(jì)選項(xiàng)(默認(rèn)操作工況)見表2。

圖1 泵出口管道軸向

表1 位移數(shù)據(jù)(選擇操作工況)

表2 位移數(shù)據(jù)(默認(rèn)操作工況)

通過表1和表2位移數(shù)據(jù)的對比，109節(jié)點(diǎn)表2的各個(gè)方向的線位移和角位移都明顯小于表1。這表明默認(rèn)操作工況計(jì)算得出的位移數(shù)據(jù)明顯偏小，缺乏真實(shí)性，選擇操作工況計(jì)算更接近實(shí)際。

2.2 彈簧支吊架的理論與實(shí)際安裝荷載的偏差

在彈簧支吊架的設(shè)計(jì)中，一般均要求彈簧支架供應(yīng)商在產(chǎn)品出廠前，先將彈簧壓縮到預(yù)設(shè)的安裝載荷，即CAESARⅡ軟件彈簧輸出報(bào)告中的理論安裝荷載，然后用定位裝置將彈簧鎖住，待管線及支架安裝完畢、水壓試驗(yàn)結(jié)束、開車投料之前將定位裝置拆除。但是由于有些彈簧支吊架的安裝位置過高，而在開車投料之前已經(jīng)沒有任何輔助設(shè)施幫助操作者到達(dá)彈簧支架的位置，將定位裝置順利地拆除。因此，對于操作者來說，往往在水壓試驗(yàn)結(jié)束以后就將定位裝置拆除。筆者認(rèn)為，如果水壓試驗(yàn)結(jié)束和投料試車之間的時(shí)間間隔過長，有時(shí)會發(fā)生彈簧支架的理論與實(shí)際安裝荷載有偏差的情況［5］。因此，在對彈簧支架的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有選擇地考慮彈簧支架的理論與實(shí)際安裝荷載有偏差的情況。

(1)對于氣相管線，由于氣體密度較小，一般在應(yīng)力計(jì)算中可不予考慮，此時(shí)彈簧的理論安裝荷載就等于彈簧的實(shí)際安裝荷載。

(2)對于小直徑的液體管線，與管道的重量相比較，管內(nèi)流體的重量小于管道本身的重量，彈簧的理論安裝荷載略大于彈簧的實(shí)際安裝荷載，也可以忽略不計(jì)。

(3)對于大直徑的液體管線，如DN＞20in時(shí)，管內(nèi)流體的重量要大于管道本身的重量。此時(shí)，彈簧的理論安裝荷載要大于彈簧的實(shí)際安裝荷載，定位裝置取消后彈簧支架會對管系產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力，如果水壓試驗(yàn)結(jié)束和投料試車的時(shí)間間隔較長，則由此作用力產(chǎn)生的應(yīng)力也會在管系內(nèi)持續(xù)存在。因此，筆者認(rèn)為對于充滿流體的大直徑管線做應(yīng)力計(jì)算時(shí)，如果有彈簧支架存在，應(yīng)增加考慮上述的安裝工況。對于CAESARⅡ軟件，其輸出的工況組合見表3。

竹韻在宿舍區(qū)外的一家米粉店打了兩份米粉，還在龍斌碗里加了只熟雞蛋。回來到屋里時(shí)，龍斌已經(jīng)醒來了。竹韻把米粉放到客廳的餐桌上，侍候龍斌洗漱完開始吃早餐。

表3 各工況組合情況

與默認(rèn)的輸出結(jié)果相比較，表3中增加的WNC+H工況就是考慮彈簧的理論安裝荷載和實(shí)際安裝荷載相差較大時(shí)的工況。

3 節(jié)省彈簧支吊架的工程應(yīng)用實(shí)例

由于彈簧支吊架比普通支吊架價(jià)格高，且占用空間較大，設(shè)計(jì)安裝也比較復(fù)雜，而且彈簧支吊架在長期工作狀態(tài)下存在失效的問題，在設(shè)計(jì)中力求減少使用彈簧支吊架。下面通過幾種典型的例子來說明如何減少彈簧支吊架的使用［6］。

3.1 臥式容器及換熱器管道的支架

臥式容器的管道支吊架位置見圖2。

圖2 臥式容器的管道支架位置

由圖2可見，如果管道有熱膨脹，a點(diǎn)和b點(diǎn)有向下的位移，把支架設(shè)在a、b點(diǎn)之間，通常采用彈簧支架，采用剛性支架會造成支架過載。現(xiàn)在把滑動(dòng)支架RS放在c點(diǎn)，該點(diǎn)與管口的標(biāo)高大致平齊，這樣a及b點(diǎn)向下的位移基本一致，RS支架可采用剛性滑動(dòng)架，在這點(diǎn)管道是沒有垂直位移的，只有水平位移。c點(diǎn)的位置也允許上下稍有變動(dòng)。根據(jù)管徑、溫度情況，可采用不等腿的U型管。但如果bc段太長，RS架就可能有向上的位移，使支架脫空，RS剛性架就失去意義。所以bc段不能比oa段長得太多。RS支架可以從設(shè)備或地面生根。

3.2 立式換熱器管道支架

立式換熱器管道支架位置見圖3。

圖3 立式換熱器管道支架位置

由圖3可知，支架位置的選擇與臥式設(shè)備的管道原理一樣，應(yīng)放在設(shè)備支耳的高度附近，盡量利用設(shè)備的支架生根，焊出管支架構(gòu)件。RS架同樣可采用剛性的滑動(dòng)架，不必使用彈簧支座。

3.3 Z形及L形管道支架

圖4 Z形管道支架布置

由圖4可以看出，垂直管段的熱膨脹分配到下部為Δ1，上部為Δ2。下部水平管段的熱位移如虛線所示，如果長度L滿足應(yīng)力校核的要求，RS架就可以采用剛性的滑動(dòng)架。L的最小值可按照導(dǎo)向懸臂理論來決定。

式中，F(xiàn)為端點(diǎn)的力，N;M為力矩，N·m;E為管材(熱態(tài))的彈性模量，MPa;σ為熱脹產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa;I為管子的截面的慣性矩，m4;Z為管子的斷面系數(shù)，m3;L為水平管段的長度，m;D為管子的外徑，m;Δ為水平管段末端的位移，m。

用式(5)判斷使用剛性架的位置十分方便，實(shí)用性強(qiáng)，被設(shè)計(jì)者廣泛使用。

3.4 選擇管道上無垂直位移或位移較小的點(diǎn)設(shè)置

水平管段熱膨脹后，可以找到無垂直位移的a點(diǎn)，如果此點(diǎn)有設(shè)置支架的條件，就適合用剛性架。無垂直位移支架點(diǎn)的選擇見圖5。

圖5 支撐點(diǎn)的選擇

由圖5可知，有時(shí)雖然a點(diǎn)無垂直向位移，但沒有做支架的條件，而靠近a點(diǎn)的b點(diǎn)有做支架的方便條件，但b點(diǎn)卻有很小的向上位移，位移＜2mm時(shí)在b點(diǎn)可做剛性支架，即在冷態(tài)時(shí)在支架下加墊厚度與位移值相同的鋼板，或采用可調(diào)剛性支架，也就是在冷態(tài)時(shí)預(yù)先把管道支撐到熱態(tài)的位置，從而避免使用彈簧架。

4 結(jié)語

(1)用CAESARⅡ進(jìn)行應(yīng)力分析輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行建模時(shí)，涉及到一些細(xì)節(jié)，初學(xué)者一定要認(rèn)真反復(fù)推敲CAESARⅡ使用說明，避免不必要的錯(cuò)誤。

(2)管道設(shè)計(jì)中，彈簧支吊架的使用可以很好地避免管道的脫空、過載和設(shè)備受力超標(biāo)的問題，但是，彈簧支吊架并不是設(shè)置得越多越好，太多會造成整個(gè)管道系統(tǒng)不穩(wěn)定，特別是一些動(dòng)設(shè)備的管道支架，如果彈簧安裝位置不合理會引起振動(dòng)，使得管道在運(yùn)行中損壞管道組成件，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備受損，或在運(yùn)行中被迫停車等。因此，正確合理設(shè)計(jì)彈簧支吊架是管道設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的工作。

1 SH/T 3037－2004，石油化工管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.國家發(fā)展和改革委員會，2004:1－3.

2 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京:中國石化出版社，2003:9－92;106－117;154－164.

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4 王大輝.CAESARⅡ培訓(xùn)講義 －彈簧設(shè)計(jì) ［Z］.北京.2009.

5 章 榮.彈簧支吊架在化工管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2009，32(3).

6 鄭茂鼎.管道支架的設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1994:174－179.

7 ASME Code for Pressure Piping，B31.3.Process Piping，(P132～P146).

8 Sam Kannappan.Introduction To Pipe Stress Analysis.John Wiley＆Sons，1986:(P66～P76).