可变弹簧支吊架设计注意事项

程 强

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

1 弹簧支吊架选型原则

弹簧选型时为防止管道在热态和冷态下有较大的荷载转移，通常选择弹簧时有这一规则：弹簧支吊架要在满足管道冷态荷载和热态荷载，弹簧荷载的变化率不超过25%的前提下尽可能选用刚度最小的弹簧[1]。保持弹簧在工作范围内刚度恒定，尽量保证在弹簧允许荷载变形量的20%～80%的最佳范围内，对重要管线或者设备管口受力允许的荷载变化率需要按照要求进行设置，一般小于6%。

2 弹簧支吊架设计主要注意事项

2.1 弹簧吊零方法以及给定弹簧荷载的选择

管系重量一般采用吊零的方法来进行荷载分配，即按照每个支吊点处管道自重产生的竖直位移为0的条件进行荷重的分配，这样可以保证管道重量分配比较均匀。工程中对弹簧的选型一般有冷态吊零和热态吊零两种方式，热态吊零是弹簧支吊架在热态时承受冷态时管系分配的重量，冷态时弹簧荷载与管道自重是不匹配的，存在冷态位移和力矩；冷态吊零是弹簧支吊架在冷态时承受管系分配的重量，冷态时管道重量分配均匀，有利于管道的安装，热态时由于位移的作用导致荷载分配不均。一般工程上管道是长期处于操作状态，我们一般采用热态吊零。冷态吊零和热态吊零主要区别见表1。

考虑选弹簧经济性时，位移向上时按冷态吊零选弹簧是合理的，位移向下时，按热态吊零选弹簧是合理的[3]。

当支架跨距很大且不一致或者存在集中荷载时，容易造成个别支吊架脱空；或者在设备管口附近的弹簧支吊架，为避免设备管口受力过大，需要弹簧支吊架承受更多的重量；或者管道某一个刚性支架载荷过大，需要弹簧支吊架分担一部分荷载等，此时吊零分配荷载不再适用，需要给定弹簧荷载来分担其他支架或者设备管口受力，更有利于管系[4]。

表1 冷态吊零与热态吊零区别

2.2 多工况选弹簧设计

弹簧设计过程中常会遇到复杂工况，例如再生塔的一开一备工况，蒸汽吹扫工况，高温低温循环工况等。例如某装置管道一开一备工况，还存在一个低温工况，具体如下表2所示。

表2 管道工况

根据选型热态吊零，热态居中原则，各工况选出弹簧型号以及位移如表3所示。

表3 各工况下弹簧位移荷载表

如表所示根据各个工况下选出的弹簧行程和荷载都相差较大，只有按OPE1工况(最大位移)下选出的弹簧荷载变化率15.4%以及弹簧行程满足各个工况的要求，根据其他工况选出的弹簧，在OPE1工况是脱空的，会造成较大的荷载转移，热态下一次应力超标。因此在应力分析过程中缺少了对某一工况的模拟，选出的弹簧可能只适用于某个工况，而不适用于其他工况。一般情况下我们采用"最大位移"原则来选弹簧，如果我们采用正常操作工况下选弹簧，其他工况的位移、荷载在弹簧表中忽略掉，只能在分析报告中确认在其他工况下是否满足弹簧行程和荷载变化率，极易造成弹簧选型错误。因此需要分析者根据实际情况选择合适的工况或者最大位移工况作为选择弹簧的依据。

2.3 管托等附加重量的影响

支吊架的荷载主要有管道重量、管件阀门重量、绝热层重量、支吊架零部件的重量、介质重量等。如果忽略某些荷载，容易造成弹簧支吊架选型荷载偏小。当管托等附件重量较小时，对弹簧型号不会产生影响，但影响到弹簧的安装荷载和工作荷载；当管托等附件重量较大时，就会对弹簧的型号产生影响，如果在动设备等敏感管口，则荷载就会转移到设备管口上，造成管口受力超标。在实际模拟过程中我们应该尽量接近真实的荷载情况，防止忽略管托等附重，给管系和设备安全运行造成的隐患。

2.4 弹簧摩擦力及偏装

对于弹簧支架，管托和支架直接接触，当管道发生水平位移后，摩擦力(摩擦力=正压力×摩擦系数)会传递给支架，即管架的水平推力，对于大口径液体管道，水平推力过大时会对支架的设计带来一定的困难。工程上可以采用吊架、滚动支架、低摩擦支架等来减少摩擦力的影响。对于弹簧支架来说，如果水平位移较小，由于弹簧荷重柱与外筒之间存在空隙，荷重柱可以随管道移动，不用考虑摩擦力的作用；当水平位移特别大时就需要考虑摩擦力的作用，并尽量避免或者减少摩擦力作用在受力敏感的设备管口上，另外当水平或者轴向位移比较大时，管托可能从弹簧支架上滑落，工程上一般采用偏装、加长管托等方法解决。

对于弹簧吊架，是不用考虑摩擦力，需要控制偏装角度4度以内，角度比较大时，可以增加吊杆长度或者吊杆偏装。

2.5 大管径水压试验工况

可变弹簧安装前，会要求弹簧支吊架厂家将弹簧压缩至安装荷载，用定位销锁定。待管道及支架安装后，水压试验完成，开车之前才将定位销拔出。定位销未拔出之前，弹簧可以看成刚性支架，一般来说可以承受安装荷载的2倍。

(1)水压试验工况，对于小口径的气相管和液相管，弹簧承受荷载和弹簧安装荷载相差不大，定位销可以承受。对于大口径的气相管，管内的水重量远大于管道本身重量，需要对定位销进行加固，防止荷载过大对弹簧造成破坏。

(2)弹簧拔出定位销到投料前的时间，对于大口径的液体管线管内的水重量远大于管道本身重量，此时弹簧支吊架会对管系产生一个持续作用力，会造成较大的冷态位移，可能对设备管口等造成较大的冷态力矩，需要考虑此种条件下的安装工况。

(3)对于大直径气体管道，有时会出现非正常荷载突然增加的工况，如转油线的淹塔，管内液体急剧增加，弹簧支架变形量过大，会造成相邻支架或设备管口超载，对于这种情况，弹簧支吊架需要设置保险杆，防止弹簧发生过大变形[1]。

3 结论

弹簧支吊架设计的过程中应该充分考虑弹簧适用管系工况，选择合适吊零方式，通过给定弹簧荷载来进行优化设计，考虑管托等附件重量以及弹簧支吊架摩擦、大口径管道水压工况下对弹簧支架的影响，以免造成弹簧设计错误，以及对安装过程中对产生较大位移采取相应措施，才能保证弹簧正常的运行，从而保证装置的安全运行。