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

美国COADE公司的CAESARⅡ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［1］。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［2］。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［3］。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CAESARⅡ进行弹簧支吊架的计算

弹簧支吊架的各种建模方式，在CAESARⅡ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。

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［4］，至于选择这一项内13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，CAESARⅡ输入文件中的Temp1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－Operating Temperature 1。而对应于B泵的弹簧支架2，其Multiple Load Case Design Option这一项应选用2－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。

图1 泵出口管道轴向

表1 位移数据(选择操作工况)

表2 位移数据(默认操作工况)

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CAESARⅡ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［5］。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CAESARⅡ软件，其输出的工况组合见表3。

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表3 各工况组合情况

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［6］。

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c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

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Δ1，上部为Δ2。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。

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;σ为热胀产生的应力，MPa;I为管子的截面的惯性矩，m4;Z为管子的断面系数，m3;L为水平管段的长度，m;D为管子的外径，m;Δ为水平管段末端的位移，m。

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。

图5 支撑点的选择

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点有做支架的方便条件，但b点却有很小的向上位移，位移＜2mm时在b点可做刚性支架，即在冷态时在支架下加垫厚度与位移值相同的钢板，或采用可调刚性支架，也就是在冷态时预先把管道支撑到热态的位置，从而避免使用弹簧架。

4 结语

(1)用CAESARⅡ进行应力分析输入数据进行建模时，涉及到一些细节，初学者一定要认真反复推敲CAESARⅡ使用说明，避免不必要的错误。

(2)管道设计中，弹簧支吊架的使用可以很好地避免管道的脱空、过载和设备受力超标的问题，但是，弹簧支吊架并不是设置得越多越好，太多会造成整个管道系统不稳定，特别是一些动设备的管道支架，如果弹簧安装位置不合理会引起振动，使得管道在运行中损坏管道组成件，严重时可导致转动设备受损，或在运行中被迫停车等。因此，正确合理设计弹簧支吊架是管道设计中一项非常重要的工作。

1 SH/T 3037－2004，石油化工管道支吊架设计规范 ［S］.国家发展和改革委员会，2004:1－3.

2 唐永进.压力管道应力分析［M］.北京:中国石化出版社，2003:9－92;106－117;154－164.

3 HG/T 20644－1998，变力弹簧支吊架［S］.

4 王大辉.CAESARⅡ培训讲义 －弹簧设计 ［Z］.北京.2009.

5 章 荣.弹簧支吊架在化工管道设计中的应用［J］.化学工业与工程技术，2009，32(3).

6 郑茂鼎.管道支架的设计与计算［M］.北京:化工部工程建设标准编辑中心，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).