彈簧管架在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用-

1、廣東化工 2009年第9期· 198 · 第36卷總第197期彈簧管架在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用王洛春(中國(guó)紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院,北京 100037摘 要概述了彈簧管架在管道設(shè)計(jì)中的重要性;介紹了常用的恒力彈簧管架和可變彈簧管架的應(yīng)用;分析了可變彈簧管架的應(yīng)用場(chǎng)合和選用方法。簡(jiǎn)述了CAESAR II 程序彈簧的選型計(jì)算過(guò)程。關(guān)鍵詞彈簧管架;管道設(shè)計(jì);應(yīng)力分析中圖分類號(hào)TH 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)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管架是管道系統(tǒng)的重要組成部分,管架的設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。合理的管架設(shè)計(jì),可以控制系統(tǒng)的變形,減小管道的二次應(yīng)力和管道對(duì)設(shè)備的作用力,保證管道和設(shè)備的安全運(yùn)行。彈簧管架是管架中應(yīng)用的一類。管道內(nèi)的介質(zhì)升溫或者降溫時(shí),隨著管壁金屬溫度的變化,管道在水平或垂直方向上產(chǎn)生位移,從而管道支撐點(diǎn)可能脫架,整個(gè)管系的作用力重新分配,有可能設(shè)備管口受力過(guò)大,影響裝置的安全生產(chǎn)。彈簧管架既能承受荷載,又允許存在垂直位移,可以避免管架脫空和熱脹荷載過(guò)大的問(wèn)題。1 彈簧管

4、架的分類根據(jù)彈簧作用力和位移的關(guān)系,彈簧管架可分為可變彈簧管架和恒力彈簧管架。可變彈簧管架的基本原理是虎克定律,即在彈簧的彈性范圍內(nèi),作用在彈簧上的作用力與彈簧的位移成正比。為了防止可變彈簧架過(guò)大的載荷轉(zhuǎn)移對(duì)彈簧造成損害,工程上對(duì)載荷變化率進(jìn)行一定的控制。恒力彈簧架的特點(diǎn)就是支撐點(diǎn)的位移與彈簧的作用力之間沒(méi)有影響,即彈簧的剛度為零。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),由于存在摩擦力、彈簧制造的偏差等原因,恒力彈簧在其工作過(guò)程中對(duì)管道支撐點(diǎn)的力并不是恒定的。2 恒力彈簧管架的選用支撐點(diǎn)的管道載荷和官道上的最大位移量是選擇和確定恒力彈簧架的重要參數(shù)。對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的恒力彈簧,它允許的最大位移量是確定的。標(biāo)準(zhǔn)恒力彈簧支

5、吊架JB/T 8130.1-1999已將常用的恒力彈簧吊架進(jìn)行了系列化,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)管道支撐點(diǎn)的載荷和位移查表即可確定所需要的恒力彈簧規(guī)格、型號(hào)。在工程上常用恒定度和載荷偏差度來(lái)評(píng)判恒力彈簧。恒定度是指恒力彈簧在其全行程范圍內(nèi)的最大、最小載荷之差與最大、最小載荷之和的百分比。工程上控制恒定度在6%以內(nèi)。載荷偏差度是指恒力彈簧的標(biāo)準(zhǔn)載荷、拔銷時(shí)實(shí)測(cè)載荷之差與標(biāo)準(zhǔn)載荷的百分比。工程上控制載荷偏差度在5%以內(nèi)1。選用恒力彈簧時(shí),在大直徑管道支點(diǎn)載荷的計(jì)算中,不能將管架自身的載荷等忽略,因?yàn)楹懔椈傻淖饔昧εc位移無(wú)關(guān),彈簧無(wú)法靠位移的變化吸收額外的載荷。壓力管道應(yīng)力分析就恒力彈簧支吊架選用中注意的其

6、它問(wèn)題全面的總結(jié),在此不再贅述。3 可變彈簧管架的選用管道支撐點(diǎn)如有垂直方向的位移,一般要設(shè)置彈性管架。彈性管架包括可變彈簧支架和可變彈簧吊架。有時(shí)根據(jù)管道支撐點(diǎn)的載荷可以將n個(gè)彈簧并聯(lián)使用(n一般為2的倍數(shù),當(dāng)采用彈簧并聯(lián)時(shí),應(yīng)選用同一型號(hào)的彈簧以保證管道的穩(wěn)定性。管道支撐點(diǎn)的位移量變化太大時(shí),以致彈簧的荷載變化率超出了規(guī)范的要求(25 %,宜將彈簧串聯(lián)使用,可變彈簧的串聯(lián)只適用于彈簧吊架,此時(shí)應(yīng)選用最大荷載相同的彈簧。彈簧的載荷變化率不得超過(guò)25 %。荷載變化率的計(jì)算如下2:×100 % =對(duì)于荷載變化率的限制,標(biāo)準(zhǔn)中并未明確解釋。唐永進(jìn)3認(rèn)為限制的原因是手算時(shí)代,如果存在較大的

7、荷載轉(zhuǎn)移,可能導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確,因此做了限制,并認(rèn)為實(shí)際載荷變化率的限制條件可以適當(dāng)放寬。GB 10182-88中,將彈簧按位移范圍分為四個(gè)系列,分別是30、60、90、120 mm。按安裝形式分成A、B、C、D、E、F、G七種類型。其中A、B、C為懸吊型吊架。管架生根在結(jié)構(gòu)預(yù)埋板或者結(jié)構(gòu)梁上。這三類管架除官道上的垂直位移外,還能吸收水平位移,但吊桿與垂直方向的夾角不宜大于4°,如軸向水平位移過(guò)大,一般考慮偏心安裝。D、E型為擱置型吊架,適合于管道上方空間較小或者對(duì)彈簧的穩(wěn)定性有要求的場(chǎng)合,但水平位移的吸收能力下降。F型為擱置型支架,適合于底部支撐的管道,當(dāng)水平位移大于6 mm時(shí),一般

8、設(shè)滾輪支架或者加墊聚四氟乙烯墊板。G型為并聯(lián)懸吊型,適合于管道上方空間不足或者管道垂直荷載超過(guò)單個(gè)彈簧的范圍。3.1可變彈簧管架的應(yīng)用實(shí)例管道設(shè)計(jì)中,一般設(shè)置可變彈簧管架的情況如下:(1轉(zhuǎn)移荷載;此類彈簧設(shè)在敏感設(shè)備如泵等的附近,主要作用就是將閥門等管道組成件的重量轉(zhuǎn)移到彈簧上去,減小對(duì)設(shè)備的作用力。一般情況下這類彈簧的荷載變化率不大,見(jiàn)圖1;(2沿塔或立式容器的管道,一般設(shè)置承重支架,如果承重支架荷(下轉(zhuǎn)第201頁(yè)收稿日期 2009-03-12作者簡(jiǎn)介 王洛春(1978-,男,山東人,碩士,工程師,主要從事化工設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析工作。2009年第9期廣東化工第36卷總第197期 · 2

9、01 ·(上接第198頁(yè)載過(guò)大,設(shè)置可能困難,即可改成彈簧支吊架,如尾氣汽提裝置部分汽提塔管線設(shè)置彈簧;見(jiàn)圖2;(3管線在運(yùn)行時(shí),由于設(shè)備或者管道原因造成的支撐點(diǎn)處垂直位移較大,也需設(shè)置彈簧管架,見(jiàn)圖3。4 CAESAR II程序的彈簧計(jì)算管道自重荷載在各支吊架間分配達(dá)到平衡。常用的管道荷重分配方法有三種:吊零分配法、靜力平衡法、簡(jiǎn)支梁法。吊零分配是每個(gè)管道支吊點(diǎn)處管道之中產(chǎn)生的垂直位移為零的條件分配荷重。吊零分配法分為兩類,熱態(tài)吊零和冷態(tài)吊零。Caesar II 采用的是吊零分配法中的熱態(tài)吊零。整個(gè)彈簧設(shè)計(jì)的步驟如下所述:(1根據(jù)輸入的管架位置,假設(shè)每個(gè)點(diǎn)都有剛性的Y向約束,進(jìn)行重

10、力分析。在這一分析中分布在每個(gè)約束上的重力載荷將被作為彈簧選型時(shí)的熱態(tài)載荷。(2從管架位置去除約束,進(jìn)行熱膨脹分析。這種分析稱為“自由-熱態(tài)”分析。每個(gè)支架位置的熱態(tài)位移將被作為彈簧選型時(shí)的熱位移。(3利用從約束-重力情況計(jì)算得出的熱態(tài)載荷和自由-熱態(tài)情況得到的位移,對(duì)每個(gè)點(diǎn)從彈簧選型表中選擇彈簧。利用彈簧剛度來(lái)確定安裝所需冷態(tài)載荷。(4通過(guò)在每隔彈簧管架點(diǎn)增加一個(gè)剛度等于彈簧剛度的約束并且通過(guò)增加彈簧冷態(tài)載荷作為在持續(xù)載荷工況起作用的力來(lái)調(diào)整模型以反映彈簧的存在,然后重新分析所有載荷工況以獲得彈簧真實(shí)存在時(shí)的情況。CAESAR II還能進(jìn)行用戶指定操作載荷的計(jì)算。例如泵出口管系中,用戶指定一

11、個(gè)熱態(tài)載荷,程序?qū)⒅匦逻M(jìn)行上述四步的計(jì)算,只是熱態(tài)載荷被替代成指定載荷。CAESAR II還提供了在改造項(xiàng)目中的舊彈簧的重新設(shè)計(jì)、多工況的彈簧設(shè)計(jì)等功能。5 結(jié)束語(yǔ)從上面的分析可知,彈簧管架在關(guān)系中具有重要的作用。合理設(shè)置和正確選擇合適類型的彈簧管架,可滿足管架支撐要求以及設(shè)備受力要求。CAESAR II程序提供良好的彈簧選型計(jì)算,尤其是舊彈簧重新設(shè)計(jì)和多工況設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1JB/T 8130.1-1999,恒力彈簧支吊架S.2JB/T 8130.2-1999,可變彈簧支吊架S.3唐永進(jìn)壓力管道應(yīng)力分析M.北京:中國(guó)石化出版社,2003.(本文文獻(xiàn)格式:王洛春.彈簧管架在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.廣東化工,2009,36(9:198圖1 泵出口管道Fig.1 Discharge line圖2 汽提塔尾氣管道 Fig.2 Off-gas pipe of stripping tower 圖3 乙二醇蒸汽管道Fig.3 EG steam p