管道应力分析中弹簧支吊架的应用探讨

２４　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＩＵＮＧ　ＤＥＳＩＧＮ　管道应力分析中弹簧支吊架的应用探讨　黄辉辉　朱景梁朝旭　中国化学工业桂林工程有限公司南宁分公司南宁５３００２３　摘要　介绍弹簧支吊架串、并联的使用；分析多工况应力计算时ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ中弹簧支吊架的参数输入需要　注意的问题，结合实际阐述弹簧支吊架理论安装荷载与实际安装荷载的关系；最后简要介绍几种典型的节省弹　簧支吊架的工程应用实例。　关键词　弹簧支吊架应力分析　

美国ＣＯＡＤＥ公司的ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ管道应力分析　软件作为国际较为流行的管道应力分析软件，已　被越来越多的工程公司和应力工程师所采用，但　是，在使用该软件建模时需要具有一定的工程经　验，否则在数据方面会出现一些不必要的偏差，　导致应力分析结果不准确。　承重管道支吊架主要用于支吊管道的重量，　分为刚性支吊架、弹簧支吊架　。刚性支吊架适　用于没有垂直位移或垂直位移很小的场合。当管　道与支吊架生根部位的相对垂直热位移较大且方　向向上时，如采用刚性支吊架，可能造成支吊架　脱空，起不到支吊架的应有作用；当管道与支吊　架生根部位的相对垂直热位移较大且方向向下时，　如采用刚性支吊架，不但会使支吊架过载，支吊　架难以承受，还会导致管道应力和设备受力超　标　Ｊ。在这两种情况下，必须采用弹簧支吊架。　因弹簧支吊架既能承受荷载，又允许在支吊点处　管道存在垂直热位移，所以可避免支吊架脱空和　过载的问题。虽然使用弹簧支吊架可避免脱空和　过载，但与刚性支吊架相比，弹簧支吊架也有不　足之处：①价格较贵，弹簧支吊架的价格是刚性　支吊架的几倍；②可靠性较差，弹簧在长期工作　状态下有失效的问题；③稳定性较差，弹簧支吊　架的刚度远低于刚性支吊架；④占用空间大，弹　簧支吊架本身体积较大，管道支吊点附近要为安　装弹簧支吊架预留一定的空间，在管道密集处或　空间较紧张区域难度较大；⑤设计、安装较复杂，　对于悬吊式的弹簧架，要选用管夹、吊耳和吊杆　等连结件与其配合使用。　为满足管道设计的柔性要求，采用弹簧支吊　架仍是较好的选择，但同时也对设计提出了更高　的要求。　１弹簧支吊架的串、并联　（１）当弹簧吊点位移较大，采用单个弹簧不　能满足要求时，可采用弹簧串联。弹簧串联只适　用于弹簧吊架，不适用于支架。采用弹簧吊架串　联时，应选用最大荷载相同的弹簧。其特点是每　个弹簧的荷载不变，选用最大荷载相同的弹簧可　以充分利用每个弹簧的承载能力，而单个弹簧的　位移值是总位移值除以弹簧串联数　Ｊ。应该注意　的是，可变弹簧串联所需的安装控件较大，且稳　定性较差，设计中弹簧最大串联数不宜超过３个，　恒力弹簧吊架一般不串联使用。　（２）可变弹簧和恒力弹簧在设计要求下均可　并联使用，当管道支撑点的荷载超出标准弹簧支　吊架的最大允许荷载时，或受支撑条件（如竖管　支撑）、生根条件等限制不宜采用单个弹簧支吊架　进行支撑时，可选用２个或２个以上的弹簧支吊架　并联支撑。并联使用时，各弹簧应采用同一型号，　以避免各弹簧支承力不均而导致管段倾斜或偏转。　需要注意的是，并联时各弹簧变形量相同，均等　于管道在支撑点的位移量，而单个弹簧的荷载是　总荷载除以并联数。　

２用ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ进行弹簧支吊架的计算　弹簧支吊架的各种建模方式，在ＣＡＥＳＡＲ　１１软　件应用指南第４章中的４．４～４．１６节有详细的阐　述，在此就不再重复。笔者着重提出两点进行　分析。　

黄辉辉：助理工程师。２００７年毕业于广西工学院化学工程与工艺专业，现从事管道应力分析和配管工作。联系电话：　（０７７１）　５８３２９９１。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｈｕｉｈｕｉ＠ｃｇｅｃ．ｔｏｍ．ｃｎ。　黄辉辉等管道应力分析中弹簧支吊架的应用探讨　２．１　多工况的应力计算中弹簧架参数的输入　对于多工况的应力计算，如泵的一开一备　（见图１），反应器、裂解炉的正常操作和再生工况　等多工况的应力分析计算，在弹簧支吊架的参数　输入时一定不要忘记“Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｌｏａｄ　Ｃａｓｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｐｔｉｏｎ”这一项　Ｊ，至于选择这一项内ｌ３种工况　中的哪一种工况作为弹簧支吊架的参数则取决于　分析者自己的需求。图１所示泵ＡＢ一开一备的工　作情况，ＣＡＥＳＡＲ　Ｉ１输人文件中的Ｔｅｍｐｌ表示Ａ泵　正常工作、Ｂ泵关闭的工况。Ｔｅｍｐ２表示Ａ泵关　闭、Ｂ泵正常工作时的工况，相对应于Ａ泵的弹　簧支架１，其Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｌｏａｄ　Ｃａｓｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｐｔｉｏｎ这一　项应选用１一Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　１。而对应于Ｂ　泵的弹簧支架２，其Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｌｏａｄ　Ｃａｓｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｐ—　ｆｉｏｎ这一项应选用２一Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　２，而　不能再用默认的Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　１。如果仍用　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　１计算，那么会发现输出报　告中弹簧支架２的热位移量很小，得出的结果是不　真实的。如果再用上述结果进行弹簧支架的设计，　那么该设计就会与实际的操作情况有很大的偏差。　以下是某松香项目２８０℃导热油管的位移数据的对　比，多个负荷情况设计选项（选择操作工况）见　表１和多个负荷情况设计选项（默认操作工况）　见表２。　泵Ａ　图１　泵出口管道轴向　表１位移数据（选择操作工况）　节点ＤＸ（ｍｍ）ＤＹ（ｍｍ）ＤＺ（ｎｌｍ）ＲＸ（ｄｅｇ）ＲＹ（ｄｅｇ）ＲＺ（ｄｅｇ）　５９　—０．５２２　４．６６４　５．７７４　０．６７０８　０．０１６５　０．２２７１　ｌ０９　２．８０１　８．５４９　５．９０２　１．１１２７—０．１０４２　０．０９０９　表２位移数据（默认操作工况）　节点ＤＸ（ｍｍ）ＤＹ（ｒａｍ）ＤＺ（ｍｍ）ＲＸ（ｄｅｇ）ＲＹ（ｄｅｇ）ＲＺ（ｄｅｇ）　５９　—０．５３７　４．６７１　５．７７４　０．６７１０　０．０１６３　０．２２８９　１０９　１．６５２　５．３１６　３．４２８　０．６５４０—０．００８０　０．０６４６　通过表１和表２位移数据的对比，１０９节点表　２的各个方向的线位移和角位移都明显小于表１。　这表明默认操作工况计算得出的位移数据明显偏　小，缺乏真实性，选择操作工况计算更接近实际。　２．２弹簧支吊架的理论与实际安装荷载的偏差　在弹簧支吊架的设计中，一般均要求弹簧支　架供应商在产品出厂前，先将弹簧压缩到预设的　安装载荷，即ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ软件弹簧输出报告中的理　论安装荷载，然后用定位装置将弹簧锁住，待管　线及支架安装完毕、水压试验结束、开车投料之　前将定位装置拆除。但是由于有些弹簧支吊架的　安装位置过高，而在开车投料之前已经没有任何　辅助设施帮助操作者到达弹簧支架的位置，将定　位装置顺利地拆除。因此，对于操作者来说，往　往在水压试验结束以后就将定位装置拆除。笔者　认为，如果水压试验结束和投料试车之间的时间　间隔过长，有时会发生弹簧支架的理论与实际安　装荷载有偏差的情况　Ｊ。因此，在对弹簧支架的　设计时，应有选择地考虑弹簧支架的理论与实际　安装荷载有偏差的情况。　（１）对于气相管线，由于气体密度较小，一　般在应力计算中可不予考虑，此时弹簧的理论安　装荷载就等于弹簧的实际安装荷载。　（２）对于小直径的液体管线，与管道的重量　相比较，管内流体的重量小于管道本身的重量，　弹簧的理论安装荷载略大于弹簧的实际安装荷载，　也可以忽略不计。　（３）对于大直径的液体管线，如ＤＮ＞２０ｉｎ　时，管内流体的重量要大于管道本身的重量。此　时，弹簧的理论安装荷载要大于弹簧的实际安装　荷载，定位装置取消后弹簧支架会对管系产生一　个向上的作用力，如果水压试验结束和投料试车　的时间间隔较长，则由此作用力产生的应力也会　在管系内持续存在。因此，笔者认为对于充满流　体的大直径管线做应力计算时，如果有弹簧支架　存在，应增加考虑上述的安装工况。对于ＣＡＥＳＡＲ　Ⅱ软件，其输出的工况组合见表３。　

表３各工况组合情况　２６　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＤＥＳＩＧＮ　与默认的输出结果相比较，表３中增加的　ＷＮＣ＋Ｈ工况就是考虑弹簧的理论安装荷载和实　际安装荷载相差较大时的工况。　３节省弹簧支吊架的工程应用实例　由于弹簧支吊架比普通支吊架价格高，且占　用空间较大，设计安装也比较复杂，而且弹簧支　吊架在长期工作状态下存在失效的问题，在设计　中力求减少使用弹簧支吊架。下面通过几种典型　的例子来说明如何减少弹簧支吊架的使用　。　３．１　卧式容器及换热器管道的支架　卧式容器的管道支吊架位置见图２。　图２卧式容器的管道支架位置　由图２可见，如果管道有热膨胀，ａ点和ｂ点　有向下的位移，把支架设在ａ、ｂ点之间，通常采　用弹簧支架，采用刚性支架会造成支架过载。现　在把滑动支架ＲＳ放在ｅ点，该点与管口的标高大　致平齐，这样ａ及ｂ点向下的位移基本一致，ＲＳ　支架可采用刚性滑动架，在这点管道是没有垂直　位移的，只有水平位移。Ｃ点的位置也允许上下稍　有变动。根据管径、温度情况，可采用不等腿的Ｕ　型管。但如果ｂｃ段太长，ＲＳ架就可能有向上的位　移，使支架脱空，Ｒｓ刚性架就失去意义。所以ｂｃ　段不能比ｏａ段长得太多。ＲＳ支架可以从设备或地　面生根。　３．２立式换热器管道支架　立式换热器管道支架位置见图３。　图３立式换热器管道支架位置　由图３可知，支架位置的选择与卧式设备的管　道原理一样，应放在设备支耳的高度附近，尽量　利用设备的支架生根，焊出管支架构件。ＲＳ架同　样可采用刚性的滑动架，不必使用弹簧支座。　

３．３　Ｚ形及Ｌ形管道支架　ｚ形管道支架布置图见图４。　

图４　Ｚ形管道支架布置　由图４可以看出，垂直管段的热膨胀分配到下　部为△１，上部为△２。下部水平管段的热位移如虚　线所示，如果长度Ｌ满足应力校核的要求，Ｒｓ架　就可以采用刚性的滑动架。Ｌ的最小值可按照导向　悬臂理论来决定。　Ｆ－　１２ＥＩＡ　（１　）—　（）　

Ｍ－了ＦＬ＝　（２）　

：　Ｍ：３

—Ｅ　ＤＡ　（３）广　（　）　

（４）　式中，Ｆ为端点的力，Ｎ；Ｍ为力矩，Ｎ・ｍ；Ｅ为　管材（热态）的弹性模量，ＭＰａ；盯为热胀产生的　应力，ＭＰａ；Ｉ为管子的截面的惯性矩，ｍ　；Ｚ为　管子的断面系数，ｍ　；Ｌ为水平管段的长度，ｍ；　Ｄ为管子的外径，ｒｎ；△为水平管段末端的位　移，ｍ。　

即三≥　（５）　用式（５）判断使用刚性架的位置十分方便，　实用性强，被设计者广泛使用。　３．４选择管道上无垂直位移或位移较小的点设置　水平管段热膨胀后，可以找到无垂直位移的ａ　点，如果此点有设置支架的条件，就适合用刚性　架。无垂直位移支架点的选择见图５。　由图５可知，有时虽然ａ点无垂直向位移，但　没有做支架的条件，而靠近ａ点的ｂ点有做支架的