劉 輝

中國石化集團(tuán)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(shè)計時，不僅要考慮滿足工藝流程的要求，還要考慮設(shè)備、管道及其組成件的受力狀況和管道應(yīng)力分析，以保證裝置長周期安全運轉(zhuǎn)。在管道應(yīng)力分析中，正確設(shè)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(shè)計的管系美觀，而且能確保管道和設(shè)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(dāng)管道運行時位移方向向上，則應(yīng)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(dāng)管道運行時位移方向向下，則應(yīng)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(yīng)使工作載荷和安裝載荷處在表的上下粗線之間。當(dāng)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(yīng)超過25%。載荷變化率可按式(1)計算：

≤25%

(1)

當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(jī)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)考慮支吊架需要的安裝空間尺寸和管道設(shè)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(yīng)計算出被支吊管道或設(shè)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(yīng)留有適當(dāng)余量。推薦余量取位移量的20%，但不小于20mm。計算位移量應(yīng)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(yīng)考慮管道上附屬件的重量。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的與支吊載荷最接近的標(biāo)準(zhǔn)載荷值確定相應(yīng)的支吊架編號。

(6)當(dāng)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(dāng)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(shè)計圖紙中應(yīng)注明恒力彈簧支吊架型號和位移方向。在設(shè)計選用恒力彈簧支吊架時，應(yīng)在型號后面標(biāo)注彈簧規(guī)格。

3 設(shè)計時應(yīng)注意的事項

(1)管系中應(yīng)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(yīng)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(yīng)能適應(yīng)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(dāng)可能出現(xiàn)向上位移和向下位移工況時，應(yīng)在型號上標(biāo)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(yīng)考慮選帶四氟墊頂面的彈簧箱支架，當(dāng)介質(zhì)溫度大于450℃時可設(shè)帶滾動機(jī)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(yīng)考慮在適當(dāng)方向加限位支架。

(6)應(yīng)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(yīng)保持滑動。

(7)當(dāng)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(yīng)考慮設(shè)承載裝置(保險杠)。

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

(9)當(dāng)管系中多點采用彈簧支吊架時，應(yīng)將保溫容重、介質(zhì)密度、中間設(shè)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(yīng)能適應(yīng)開停車及設(shè)備內(nèi)液面變化的工況。

(10)彈簧吊架的吊桿長度應(yīng)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(yīng)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(yīng)注意的事項

(1)制造廠應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)與設(shè)計一致；管道停止運行后，檢查指示板應(yīng)復(fù)位到安裝的位置。

參 考 文 獻(xiàn)

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(shè)計手冊，第一篇，設(shè)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].