李廣鑫　王乾

摘 要：彈簧支吊架主要解決管道有垂直位移時(shí)的支撐和減小敏感設(shè)備管口的受力問題，彈簧支吊架的合理設(shè)置和正確選擇，對管系的安全平穩(wěn)運(yùn)行起著決定性的作用。文章應(yīng)用CAESAR II 管道應(yīng)力分析軟件，以液化天然氣超低溫管道為例，講解快速設(shè)計(jì)脫空管道彈簧支架方法，并對管道進(jìn)行應(yīng)力分析校核，管道應(yīng)力及支架受力滿足要求，彈簧選擇合理。

關(guān)鍵詞：CAESAR II；管道；彈簧支架；應(yīng)力分析

引言

管道設(shè)計(jì)中，當(dāng)管道熱脹或冷縮將使該支承點(diǎn)處有較大垂直位移時(shí)，使該點(diǎn)支架脫空或支架推力過大，剛性支架失去作用，該工況將造成管道一次應(yīng)力增大或鄰近支架（或設(shè)備）超載，或?qū)⑹构艿喇a(chǎn)生較大的二次應(yīng)力，對管道和支吊架產(chǎn)生破壞，這時(shí)管道支承點(diǎn)處需要采用彈簧支吊架[1-2，5]；在與敏感機(jī)械設(shè)備相連接的管道處，為減少對設(shè)備管口處的受力影響，亦采用彈簧支吊架[1-4]。

CAESARII管道應(yīng)力分析軟件是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，內(nèi)置國際上通用的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，可進(jìn)行管系在承受自重、壓力載荷、熱載荷、地震載荷和其它靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的管道應(yīng)力分析。同時(shí)，軟件內(nèi)置了Sinopec（China）、ANVIL、LISEGA等彈簧庫，允許在多個(gè)熱工況下，選擇冷態(tài)或熱態(tài)吊零，使用標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)充的載荷范圍，對彈簧進(jìn)行自動(dòng)選型設(shè)計(jì)，并從彈簧庫中選擇合適的彈簧支吊架。

文章以LNG超低溫管道為例，應(yīng)用CAESAR II軟件，以Sinopec（China）彈簧標(biāo)準(zhǔn)，給出管道用彈簧支架的快速選型設(shè)計(jì)方法。

1 彈簧支吊架選用原則

彈簧支架分為可變彈簧支架和恒力彈簧支架?？勺儚椈芍Ъ苓m用于支承點(diǎn)有垂直位移，用剛性支承會脫空或造成過大熱脹推力的場合，可變彈簧會造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，要求可變彈簧荷載變化率小于或等于25%[6]。

可變彈簧支吊架設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮彈簧的工作載荷、運(yùn)行時(shí)的位移量和位移方向、管道的空間位置、彈簧的形式、工作范圍位移、彈簧支吊架編號和安裝載荷，在彈簧能夠承受工作載荷、安裝載荷，載荷變化率在滿足要求的前提下，力求選用較小規(guī)格的彈簧。

當(dāng)管道的垂直位移大于50mm，或需要減小設(shè)備管口受力，亦或可變彈簧的載荷變化率超過25%時(shí)，應(yīng)選擇恒力彈簧[7]。恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等于6%，以保證支吊點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，支承力的變化很小。

2 CAESAR II 中彈簧支吊架設(shè)計(jì)

CAESAR II軟件采用熱態(tài)吊零法進(jìn)行彈簧支架的設(shè)計(jì)，即操作工況（W+T1+P1+H，OPE）下，按每個(gè)支吊點(diǎn)處管道自重產(chǎn)生的垂直位移為零的條件來分配載荷，用大剛度支吊架代替吊零處的彈簧支吊架，彈簧支吊架垂直位移為零。

2.1 CAESARII彈簧支吊架設(shè)計(jì)控制參數(shù)

Hanger Table（彈簧表）——用來指定使用哪個(gè)制造商的彈簧。

Extended Range（極限范圍）：允許應(yīng)用彈簧表中的彈簧極限范圍。

Cold Load（冷態(tài)載荷）：計(jì)算彈簧支架的實(shí)際安裝載荷。

Hot Load centered（熱態(tài)居中）：當(dāng)一個(gè)彈簧選定后，熱態(tài)載荷落到整個(gè)載荷范圍的中間位置。

Available Space（可用安裝空間）——管頂和高處型鋼之間、管底與底處基礎(chǔ)之間的距離，決定彈簧允許安裝空間。

Allowable Load Variation%（許用載荷變化率%）——對于可變彈簧，要求載荷變化率不超過25%，設(shè)計(jì)者可改變載荷變化率，設(shè)計(jì)彈簧。

Rigid Support Displacement Criteria（剛性支架的位移標(biāo)準(zhǔn)）：當(dāng)豎直位移小于給定值時(shí)，用剛性支架替換彈簧。

Max. Allowed Travel Limit（最大允許形成限制）：當(dāng)豎直位移大于給定值，選用恒力彈簧替代可變彈簧。

Allow Short Range Springs（允許短程彈簧）——CAESARII的彈簧設(shè)計(jì)首先試圖選擇使用短程彈簧，其次是中程彈簧，最后才是長程彈簧。在某些施工現(xiàn)場，短程彈簧被認(rèn)為是特殊件。

Operating Load（用戶指定的操作載荷）——在某些管系中，程序選擇的彈簧操作載荷不能消除設(shè)備管口載荷情況下，設(shè)計(jì)可以給定一個(gè)熱態(tài)載荷，重新調(diào)整載荷分布并使設(shè)備載荷能滿足許用值；或者當(dāng)垂直管道或水平管道的重量需由彈簧支吊架來分擔(dān)，可對某些需要釋放載荷的支架給定荷載值。

No. Hangers At Location（允許彈簧數(shù)量）——若在一個(gè)給定的彈簧位置處有多個(gè)彈簧，可以在這里指定彈簧的數(shù)量，在多彈簧情況下，CAESARII將在所有彈簧間均勻分配載荷。

Multiple Load Case Design Option（多工況彈簧支吊架設(shè)計(jì)）——適用于當(dāng)管系有多個(gè)不同的操作狀態(tài)，并且進(jìn)行彈簧支吊架設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮每個(gè)狀態(tài)的情況。

Free Restraint at Node，F(xiàn)ree Code（釋放節(jié)點(diǎn)約束，釋放方式）——通常設(shè)備管口的固定架通常被“釋放”，使其所有重量都加在最近彈簧支吊架的熱態(tài)載荷上。彈簧支吊架設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目的是使重量造成的設(shè)備管口載荷最小，可通過在離設(shè)備管口最近的彈簧位置強(qiáng)加一個(gè)不平衡的熱態(tài)載荷來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)不平衡力作用在管口，因而消除通常在自然分布條件下加在管口上的重力。在理想情況下，不平衡的彈簧力可以使設(shè)備管口上的載荷盡量接近零。

Spring rate（彈簧剛度）：此為選用的彈簧參數(shù)。

Theoretical cold （installation） load（理論冷態(tài)安裝載荷）：此為選用的彈簧參數(shù)。

2.2 彈簧設(shè)計(jì)實(shí)例分析

以LNG超低溫管道為例，所用材料為304/304L雙牌號不銹鋼，管道內(nèi)介質(zhì)為液化天然氣，設(shè)計(jì)壓力為1.79MPa，設(shè)計(jì)溫度為-165℃，操作溫度為-162℃，最高溫度為60℃，管道尺寸為24寸，管道厚度為10S，管道保冷材料為PIR，厚度為170mm，PIR密度為40KG/M3，管道應(yīng)力分析評定標(biāo)準(zhǔn)為ASME 31.3 工藝管道。管道布置如圖2，經(jīng)應(yīng)力分析后查看支架受力如圖3所示。

操作工況（W+T1+P1+H）下，Y方向上，150節(jié)點(diǎn)受力為0，說明150節(jié)點(diǎn)處剛性支架未起作用，支架脫空；而110節(jié)點(diǎn)支架受力為-40442N，大于結(jié)構(gòu)承受最大4噸力的要求。根據(jù)需要150節(jié)點(diǎn)處剛性支架應(yīng)調(diào)整彈簧支架，消除脫空影響，分擔(dān)110節(jié)點(diǎn)支架載荷。

2.3 CAESAR II彈簧支吊架設(shè)計(jì)

CAESAR II軟件中，設(shè)置free code為5-all（減少其他臨近支架受力），選用Sinopec（china）彈簧、選擇熱載居中、載荷變化率不超過25%，設(shè)置完成，選擇軟件自動(dòng)推薦的工況（W+T1+P1+H）進(jìn)行迭代計(jì)算彈簧。

計(jì)算得到推薦彈簧結(jié)果如4所示，彈簧系列為TD120，彈簧剛度為628N/cm、理論安裝載荷為18254N，彈簧載荷變化率為19%。此推薦參數(shù)，冷態(tài)載荷完全落在彈簧的工作范圍內(nèi)，載荷變化率小于給定值25%，彈簧尺寸滿足凈空要求。此處，若單個(gè)彈簧不符合要求，軟件會自動(dòng)選擇兩個(gè)彈簧并聯(lián)，若兩個(gè)并聯(lián)彈簧也不符合要求，軟件將自動(dòng)選擇恒力彈簧。

根據(jù)推薦結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)“NB/T 47039-2013 可變彈簧支吊架”，選擇彈簧剛度和理論安裝載荷分別為627.88N/cm和18334N的彈簧。

將此結(jié)果填入彈簧控制參數(shù)中，進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算，得到設(shè)置彈簧后各支架受力如圖5所示。更改彈簧支架后，各支架載荷重新分配，110節(jié)點(diǎn)支架受力從-40442N，降低到-28076N，160節(jié)點(diǎn)受力從-18165N降低到-5149N，支架受力滿足要求。經(jīng)校核管道一次應(yīng)力及二次應(yīng)力，管道一次應(yīng)力及二次應(yīng)力滿足ASME 31.3標(biāo)準(zhǔn)要求，管道位移滿足布置要求，此彈簧選擇合理。

3 結(jié)束語

對彈簧支吊架的選用原則及CAESAR II軟件中彈簧支吊架設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析講解。以LNG超低溫管線為例，應(yīng)用CAESAR II軟件進(jìn)行彈簧支吊架快速選型設(shè)計(jì)，并對管道進(jìn)行應(yīng)力分析，管道一次應(yīng)力、二次應(yīng)力滿足ASME 31.3標(biāo)準(zhǔn)要求，支架受力滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，彈簧選擇合理。

CAESAR II 管道應(yīng)力分析軟件，可快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行彈簧支吊架選型設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤幾率，極大程度地提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李盾，任春玲，等.核電站管道設(shè)計(jì)彈簧支架優(yōu)化應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，2012（1）：27-31.

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[4]張存良.AutoPSA與CAESAR II在彈簧選型中的比較[J].石油化工設(shè)備，2008，37（2）：59-63.

[5]ASME 31.3-2012.Process Piping[S].

[6]NB/T 47039-2013.可變彈簧支吊架[S].

[7]NB/T 48038-2013.恒力彈簧支吊架[S].

作者簡介：李廣鑫（1983-），男，，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士學(xué)位，現(xiàn)為海洋石油工程股份有限公司工程師，主要從事油氣田總圖與管道設(shè)計(jì)工作。