弹簧管架在管道设计中的应用-

1、广东化工 2009年第9期· 198 · 第36卷总第197期弹簧管架在管道设计中的应用王洛春(中国纺织工业设计院,北京 100037摘 要概述了弹簧管架在管道设计中的重要性;介绍了常用的恒力弹簧管架和可变弹簧管架的应用;分析了可变弹簧管架的应用场合和选用方法。简述了CAESAR II 程序弹簧的选型计算过程。关键词弹簧管架;管道设计;应力分析中图分类号TH 文献标识码A 文章编号1007-1865(200909-0198-01Application of Hanger Support in Piping DesignWang Luochun(China Textile I

2、ndustry Engineering Institute, Beijing 100037, ChinaAbstract: Importance of hanger support in piping design was described. Application of spring hanger and constant force hanger were introduced. The method of choosing spring type was analyzed. At last, the basic flow of choosing spring in CAESAR II

3、was introduced.Keywords: hanger support;piping design;stress analysis管架是管道系统的重要组成部分,管架的设计是管道设计中的重要环节。合理的管架设计,可以控制系统的变形,减小管道的二次应力和管道对设备的作用力,保证管道和设备的安全运行。弹簧管架是管架中应用的一类。管道内的介质升温或者降温时,随着管壁金属温度的变化,管道在水平或垂直方向上产生位移,从而管道支撑点可能脱架,整个管系的作用力重新分配,有可能设备管口受力过大,影响装置的安全生产。弹簧管架既能承受荷载,又允许存在垂直位移,可以避免管架脱空和热胀荷载过大的问题。1 弹簧管

4、架的分类根据弹簧作用力和位移的关系,弹簧管架可分为可变弹簧管架和恒力弹簧管架。可变弹簧管架的基本原理是虎克定律,即在弹簧的弹性范围内,作用在弹簧上的作用力与弹簧的位移成正比。为了防止可变弹簧架过大的载荷转移对弹簧造成损害,工程上对载荷变化率进行一定的控制。恒力弹簧架的特点就是支撑点的位移与弹簧的作用力之间没有影响,即弹簧的刚度为零。严格来说,由于存在摩擦力、弹簧制造的偏差等原因,恒力弹簧在其工作过程中对管道支撑点的力并不是恒定的。2 恒力弹簧管架的选用支撑点的管道载荷和官道上的最大位移量是选择和确定恒力弹簧架的重要参数。对于一个结构参数一定的恒力弹簧,它允许的最大位移量是确定的。标准恒力弹簧支

5、吊架JB/T 8130.1-1999已将常用的恒力弹簧吊架进行了系列化,设计人员可根据管道支撑点的载荷和位移查表即可确定所需要的恒力弹簧规格、型号。在工程上常用恒定度和载荷偏差度来评判恒力弹簧。恒定度是指恒力弹簧在其全行程范围内的最大、最小载荷之差与最大、最小载荷之和的百分比。工程上控制恒定度在6%以内。载荷偏差度是指恒力弹簧的标准载荷、拔销时实测载荷之差与标准载荷的百分比。工程上控制载荷偏差度在5%以内1。选用恒力弹簧时,在大直径管道支点载荷的计算中,不能将管架自身的载荷等忽略,因为恒力弹簧的作用力与位移无关,弹簧无法靠位移的变化吸收额外的载荷。压力管道应力分析就恒力弹簧支吊架选用中注意的其

6、它问题全面的总结,在此不再赘述。3 可变弹簧管架的选用管道支撑点如有垂直方向的位移,一般要设置弹性管架。弹性管架包括可变弹簧支架和可变弹簧吊架。有时根据管道支撑点的载荷可以将n个弹簧并联使用(n一般为2的倍数,当采用弹簧并联时,应选用同一型号的弹簧以保证管道的稳定性。管道支撑点的位移量变化太大时,以致弹簧的荷载变化率超出了规范的要求(25 %,宜将弹簧串联使用,可变弹簧的串联只适用于弹簧吊架,此时应选用最大荷载相同的弹簧。弹簧的载荷变化率不得超过25 %。荷载变化率的计算如下2:×100 % =对于荷载变化率的限制,标准中并未明确解释。唐永进3认为限制的原因是手算时代,如果存在较大的

7、荷载转移,可能导致计算不准确,因此做了限制,并认为实际载荷变化率的限制条件可以适当放宽。GB 10182-88中,将弹簧按位移范围分为四个系列,分别是30、60、90、120 mm。按安装形式分成A、B、C、D、E、F、G七种类型。其中A、B、C为悬吊型吊架。管架生根在结构预埋板或者结构梁上。这三类管架除官道上的垂直位移外,还能吸收水平位移,但吊杆与垂直方向的夹角不宜大于4°,如轴向水平位移过大,一般考虑偏心安装。D、E型为搁置型吊架,适合于管道上方空间较小或者对弹簧的稳定性有要求的场合,但水平位移的吸收能力下降。F型为搁置型支架,适合于底部支撑的管道,当水平位移大于6 mm时,一般

8、设滚轮支架或者加垫聚四氟乙烯垫板。G型为并联悬吊型,适合于管道上方空间不足或者管道垂直荷载超过单个弹簧的范围。3.1可变弹簧管架的应用实例管道设计中,一般设置可变弹簧管架的情况如下:(1转移荷载;此类弹簧设在敏感设备如泵等的附近,主要作用就是将阀门等管道组成件的重量转移到弹簧上去,减小对设备的作用力。一般情况下这类弹簧的荷载变化率不大,见图1;(2沿塔或立式容器的管道,一般设置承重支架,如果承重支架荷(下转第201页收稿日期 2009-03-12作者简介 王洛春(1978-,男,山东人,硕士,工程师,主要从事化工设计、应力分析工作。2009年第9期广东化工第36卷总第197期 · 2

9、01 ·(上接第198页载过大,设置可能困难,即可改成弹簧支吊架,如尾气汽提装置部分汽提塔管线设置弹簧;见图2;(3管线在运行时,由于设备或者管道原因造成的支撑点处垂直位移较大,也需设置弹簧管架,见图3。4 CAESAR II程序的弹簧计算管道自重荷载在各支吊架间分配达到平衡。常用的管道荷重分配方法有三种:吊零分配法、静力平衡法、简支梁法。吊零分配是每个管道支吊点处管道之中产生的垂直位移为零的条件分配荷重。吊零分配法分为两类,热态吊零和冷态吊零。Caesar II 采用的是吊零分配法中的热态吊零。整个弹簧设计的步骤如下所述:(1根据输入的管架位置,假设每个点都有刚性的Y向约束,进行重

10、力分析。在这一分析中分布在每个约束上的重力载荷将被作为弹簧选型时的热态载荷。(2从管架位置去除约束,进行热膨胀分析。这种分析称为“自由-热态”分析。每个支架位置的热态位移将被作为弹簧选型时的热位移。(3利用从约束-重力情况计算得出的热态载荷和自由-热态情况得到的位移,对每个点从弹簧选型表中选择弹簧。利用弹簧刚度来确定安装所需冷态载荷。(4通过在每隔弹簧管架点增加一个刚度等于弹簧刚度的约束并且通过增加弹簧冷态载荷作为在持续载荷工况起作用的力来调整模型以反映弹簧的存在,然后重新分析所有载荷工况以获得弹簧真实存在时的情况。CAESAR II还能进行用户指定操作载荷的计算。例如泵出口管系中,用户指定一

11、个热态载荷,程序将重新进行上述四步的计算,只是热态载荷被替代成指定载荷。CAESAR II还提供了在改造项目中的旧弹簧的重新设计、多工况的弹簧设计等功能。5 结束语从上面的分析可知,弹簧管架在关系中具有重要的作用。合理设置和正确选择合适类型的弹簧管架,可满足管架支撑要求以及设备受力要求。CAESAR II程序提供良好的弹簧选型计算,尤其是旧弹簧重新设计和多工况设计。参考文献1JB/T 8130.1-1999,恒力弹簧支吊架S.2JB/T 8130.2-1999,可变弹簧支吊架S.3唐永进压力管道应力分析M.北京:中国石化出版社,2003.(本文文献格式:王洛春.弹簧管架在管道设计中的应用J.广东化工,2009,36(9:198图1 泵出口管道Fig.1 Discharge line图2 汽提塔尾气管道 Fig.2 Off-gas pipe of stripping tower 图3 乙二醇蒸汽管道Fig.3 EG steam p