管道設(shè)計(jì)中關(guān)于雙向位移彈簧選型問題的探討

劉 薇，滿文聰

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

管道設(shè)計(jì)中關(guān)于雙向位移彈簧選型問題的探討

劉 薇，滿文聰

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071)

本文主要針對(duì)石油化工裝置管道設(shè)計(jì)中,雙向位移彈簧支吊架選型的難點(diǎn)問題，結(jié)合管道應(yīng)力分析軟件CAESARII，對(duì)選型的過程、原因、注意事項(xiàng)進(jìn)行分析和總結(jié)，并舉例說明，對(duì)管道設(shè)計(jì)中彈簧的選型具有一定的指導(dǎo)意義。

管道設(shè)計(jì); 雙向位移；彈簧選型；CAESARII

支吊架的設(shè)計(jì)是石油化工行業(yè)管道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，如果其設(shè)計(jì)不當(dāng)，不能承受管道重量等引起的載荷，將可能導(dǎo)致管道的一次應(yīng)力超標(biāo)。通過支吊架的設(shè)計(jì)可以對(duì)管系的變形加以控制，從而減小管道的二次應(yīng)力和管道對(duì)設(shè)備的推力，保證管道與設(shè)備的正常運(yùn)行。當(dāng)垂直熱位移較大時(shí)，若采用剛性支吊架，可能造成支吊架脫空，起不到支吊架應(yīng)有的作用，在這種情況下，必須采用彈簧支吊架，既能承受載荷，又允許存在垂直位移，可以避免支吊架脫空或者熱漲載荷過大的問題[1]。本文將從雙向彈簧選型的角度切入，深入討論雙向彈簧選型應(yīng)該注意的問題。

1 雙向位移的彈簧容易被忽略的原因

在彈簧設(shè)計(jì)過程中遇到工況復(fù)雜的管系，尤其是彈簧在不同的工況下，支撐點(diǎn)處有雙向位移的情況。出現(xiàn)這種情況的原因是，彈簧所在的管道有多個(gè)操作工況，某個(gè)工況是處于非正常操作工況，如加氫裝置塔區(qū)的硫化線、催化裝置中的催化劑線等都有可能出現(xiàn)。

1.1 沒有對(duì)管系進(jìn)行正確模擬

原因一是進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)沒有對(duì)管系正確模擬，遺漏了某個(gè)工況，最終選出的彈簧只適用于某個(gè)工況，而不適用于其他工況。比如某管線正常無量比如某管線正常無量，但設(shè)計(jì)溫度比較高，應(yīng)力分析時(shí)按照設(shè)計(jì)溫度選彈簧，如果該彈簧所在位置有其他管線或設(shè)備熱脹對(duì)其引起的較大牽制位移，且位移方向與該管線在熱態(tài)下的位移方向相反，那么幾乎可以肯定，選出的彈簧是不適用的。

1.2 沒有對(duì)彈簧表進(jìn)行后期編輯

原因二是CAESARII軟件在生成彈簧表彈簧時(shí)確不能將兩個(gè)方向的彈簧位移都顯示出來。由于在分析過程中通常設(shè)定了程序按照“最大位移”原則，如圖1。沒有使彈簧產(chǎn)生最大位移的工況，彈簧的位移就會(huì)在彈簧表中被忽略掉，無論該工況的彈簧位移方向是否與最大位移方向一致。如果沒有在應(yīng)力分析報(bào)告的彈簧表中進(jìn)行手動(dòng)修改，如圖2，那么彈簧各工況的位移只能從分析報(bào)告中的各個(gè)位移報(bào)告中讀取，而對(duì)于多工況管系的應(yīng)力分析報(bào)告，要查找每個(gè)工況下的彈簧位移也是非常不方便的。如果不仔細(xì)查看位移報(bào)告，最終會(huì)導(dǎo)致彈簧選型錯(cuò)誤。

圖1 設(shè)定程序按照“最大位移”原則

圖2 沒有對(duì)彈簧表進(jìn)行后期編輯

1.3 缺乏雙向位移彈簧設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

對(duì)于一些缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師，在已知雙向位移情況下，彈簧選型仍然存在困難，主要是由于各個(gè)彈簧樣本中給出的選型方法及彈簧代號(hào)無法表達(dá)雙向位移的彈簧。

2 雙向位移的彈簧選型應(yīng)注意的問題

2.1 要重視對(duì)工藝流程的理解和彈簧表后期的完善

要工藝流程進(jìn)行詳細(xì)的了解，對(duì)管系中可能存在的特殊工況要格外重視，避免因?yàn)楣r缺失導(dǎo)致的彈簧選型錯(cuò)誤。在計(jì)算具有多個(gè)工況的管系時(shí)，對(duì)管系中的彈簧要格外重視，有必要在報(bào)告彈簧表中手動(dòng)改成雙向位移的彈簧。讀取應(yīng)力分析報(bào)告的時(shí)候，對(duì)于各個(gè)支架點(diǎn)的管道位移以及載荷大小都要仔細(xì)考慮，彈簧選型時(shí)盡量看各工況的力和位移報(bào)告，而不是直接根據(jù)彈簧表選彈簧[2]。如表1。

表1 完善彈簧表

2.2 對(duì)于雙向位移彈簧的選型的建議

在確定彈簧的類型時(shí)，如果上下兩個(gè)方向的位移之和超出了可變彈簧的適用范圍，應(yīng)改為恒力彈簧并重新核算該管系。在彈簧的選型時(shí)，要根據(jù)彈簧樣本中每個(gè)位移系列的范圍合理選擇彈簧，對(duì)彈簧型號(hào)的標(biāo)注要將上下兩個(gè)方向的位移和工作載荷都編入其中，現(xiàn)舉例說明(忽略彈簧的廠家以及彈簧形式的代號(hào)及附件重量)。

某彈簧在兩種工況下的工作位移分別為向上10 mm和向下20 mm,其中向下20 mm的工況是其最常保持的工作狀態(tài)，該工作狀態(tài)下的載荷為15600N，根據(jù)上述條件可知該彈簧至少要滿足30 mm的位移范圍，從樣本中的“彈簧位移系列表”中查得與該載荷位于載荷編號(hào)為04和05的那兩列中，如果用載荷編號(hào)04的彈簧，位移系列可選2-4系列，如果用載荷編號(hào)為05的彈簧，位移系列可選3-4系列，考慮到最常用的工作載荷15600N位于04載荷系列的底部附近，考慮到計(jì)算、制造、施工等方面的誤差，盡量避免使用，因此建議使用載荷編號(hào)為05的彈簧，為保證位工作移向上10 mm的另一操作工況盡量遠(yuǎn)離彈簧位移范圍的端部，選擇最大行程范圍的4系列的彈簧，查表得到，05載荷編號(hào)4系列的彈簧15600荷載對(duì)應(yīng)的位移刻度為46，向上20 mm可推得彈簧的安裝荷載為14433N，再向上10 mm可推得彈簧的另一工作荷載為13852N，因此該彈簧型號(hào)為：xxxx405,10↑/13852-14433-20↓/15600。恒力彈簧的選型與之類似，不在贅述。

3 總結(jié)

為保證管系在任何工況下的安全，雙向位移彈簧是非常有必要的，如果不在彈簧型號(hào)上注明上下兩個(gè)方向上的位移，僅確保兩個(gè)方向上的位移都在該型號(hào)的彈簧行程范圍內(nèi)，理論上也是可行的，但由于彈簧的制造和采購(gòu)等環(huán)節(jié)均不是設(shè)計(jì)方能控制的，有的彈簧廠家為了節(jié)約成本，會(huì)縮短彈簧的行程，使彈簧的行程范圍剛好大于該彈簧的最大工作位移，這樣的彈簧就無法滿足另一工況下的位移要求。

對(duì)于雙向位移的彈簧使用更要謹(jǐn)慎，有的工況持續(xù)時(shí)間很短，有的管系短時(shí)的彈簧空載并不會(huì)對(duì)管系產(chǎn)生較大影響，這種情況也沒有必要選擇雙向位移彈簧，彈簧的選型在滿足彈簧位移范圍并考慮誤差影響即可。

[1] 張德姜，趙 勇. 石油化工管道設(shè)計(jì)與安裝[M].2版.北京:中國(guó)石化出版社,2007.

[2] 唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

(本文文獻(xiàn)格式：劉 薇，滿文聰.管道設(shè)計(jì)中關(guān)于雙向位移彈簧選型問題的探討[J].山東化工,2017,46(5):107-108.)

The Discussing for the Selection Problem of Two-way Displacement Spring in the Piping Design

LiuWei,ManWencong

(Piping Design Department,China Petroleum Engineering Construction Corporation East China Design Branch,QingDao 266071,China)

This paper discuss a difficult problem in the design of bidirectional displacement spring selection in the petrochemical plant,and combination of pipe stress analysis software CAESARII, the selection of the process, reason and attention should be paid to the problems to analy and summary., and at the same time put up an example.All above for two-way displacement spring type selection has a certain guiding significance in piping design.

piping design;two-way displacement;the spring selection;CAESARII

2017-01-22

劉 薇(1984—)，女，山東青島人，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭突捰驮O(shè)計(jì)。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)05-0107-02