CAESARII软件在弹簧支架设计中的应用

李广鑫　王乾

摘 要：弹簧支吊架主要解决管道有垂直位移时的支撑和减小敏感设备管口的受力问题，弹簧支吊架的合理设置和正确选择，对管系的安全平稳运行起着决定性的作用。文章应用CAESAR II 管道应力分析软件，以液化天然气超低温管道为例，讲解快速设计脱空管道弹簧支架方法，并对管道进行应力分析校核，管道应力及支架受力满足要求，弹簧选择合理。

关键词：CAESAR II；管道；弹簧支架；应力分析

引言

管道设计中，当管道热胀或冷缩将使该支承点处有较大垂直位移时，使该点支架脱空或支架推力过大，刚性支架失去作用，该工况将造成管道一次应力增大或邻近支架（或设备）超载，或将使管道产生较大的二次应力，对管道和支吊架产生破坏，这时管道支承点处需要采用弹簧支吊架[1-2，5]；在与敏感机械设备相连接的管道处，为减少对设备管口处的受力影响，亦采用弹簧支吊架[1-4]。

CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件，内置国际上通用的管道设计规范，可进行管系在承受自重、压力载荷、热载荷、地震载荷和其它静态和动态载荷作用下的管道应力分析。同时，软件内置了Sinopec（China）、ANVIL、LISEGA等弹簧库，允许在多个热工况下，选择冷态或热态吊零，使用标准或扩充的载荷范围，对弹簧进行自动选型设计，并从弹簧库中选择合适的弹簧支吊架。

文章以LNG超低温管道为例，应用CAESAR II软件，以Sinopec（China）弹簧标准，给出管道用弹簧支架的快速选型设计方法。

1 弹簧支吊架选用原则

弹簧支架分为可变弹簧支架和恒力弹簧支架。可变弹簧支架适用于支承点有垂直位移，用刚性支承会脱空或造成过大热胀推力的场合，可变弹簧会造成一定的荷载转移，为防止过大的荷载转移，要求可变弹簧荷载变化率小于或等于25%[6]。

可变弹簧支吊架设计时主要考虑弹簧的工作载荷、运行时的位移量和位移方向、管道的空间位置、弹簧的形式、工作范围位移、弹簧支吊架编号和安装载荷，在弹簧能够承受工作载荷、安装载荷，载荷变化率在满足要求的前提下，力求选用较小规格的弹簧。

当管道的垂直位移大于50mm，或需要减小设备管口受力，亦或可变弹簧的载荷变化率超过25%时，应选择恒力弹簧[7]。恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。

2 CAESAR II 中弹簧支吊架设计

CAESAR II软件采用热态吊零法进行弹簧支架的设计，即操作工况（W+T1+P1+H，OPE）下，按每个支吊点处管道自重产生的垂直位移为零的条件来分配载荷，用大刚度支吊架代替吊零处的弹簧支吊架，弹簧支吊架垂直位移为零。

2.1 CAESARII弹簧支吊架设计控制参数

Hanger Table（弹簧表）——用来指定使用哪个制造商的弹簧。

Extended Range（极限范围）：允许应用弹簧表中的弹簧极限范围。

Cold Load（冷态载荷）：计算弹簧支架的实际安装载荷。

Hot Load centered（热态居中）：当一个弹簧选定后，热态载荷落到整个载荷范围的中间位置。

Available Space（可用安装空间）——管顶和高处型钢之间、管底与底处基础之间的距离，决定弹簧允许安装空间。

Allowable Load Variation%（许用载荷变化率%）——对于可变弹簧，要求载荷变化率不超过25%，设计者可改变载荷变化率，设计弹簧。

Rigid Support Displacement Criteria（刚性支架的位移标准）：当竖直位移小于给定值时，用刚性支架替换弹簧。

Max. Allowed Travel Limit（最大允许形成限制）：当竖直位移大于给定值，选用恒力弹簧替代可变弹簧。

Allow Short Range Springs（允许短程弹簧）——CAESARII的弹簧设计首先试图选择使用短程弹簧，其次是中程弹簧，最后才是长程弹簧。在某些施工现场，短程弹簧被认为是特殊件。

Operating Load（用户指定的操作载荷）——在某些管系中，程序选择的弹簧操作载荷不能消除设备管口载荷情况下，设计可以给定一个热态载荷，重新调整载荷分布并使设备载荷能满足许用值；或者当垂直管道或水平管道的重量需由弹簧支吊架来分担，可对某些需要释放载荷的支架给定荷载值。

No. Hangers At Location（允许弹簧数量）——若在一个给定的弹簧位置处有多个弹簧，可以在这里指定彈簧的数量，在多弹簧情况下，CAESARII将在所有弹簧间均匀分配载荷。

Multiple Load Case Design Option（多工况弹簧支吊架设计）——适用于当管系有多个不同的操作状态，并且进行弹簧支吊架设计时必须考虑每个状态的情况。

Free Restraint at Node，Free Code（释放节点约束，释放方式）——通常设备管口的固定架通常被“释放”，使其所有重量都加在最近弹簧支吊架的热态载荷上。弹簧支吊架设计的一个主要目的是使重量造成的设备管口载荷最小，可通过在离设备管口最近的弹簧位置强加一个不平衡的热态载荷来实现。这个不平衡力作用在管口，因而消除通常在自然分布条件下加在管口上的重力。在理想情况下，不平衡的弹簧力可以使设备管口上的载荷尽量接近零。

Spring rate（弹簧刚度）：此为选用的弹簧参数。

Theoretical cold （installation） load（理论冷态安装载荷）：此为选用的弹簧参数。

2.2 弹簧设计实例分析

以LNG超低温管道为例，所用材料为304/304L双牌号不锈钢，管道内介质为液化天然气，设计压力为1.79MPa，设计温度为-165℃，操作温度为-162℃，最高温度为60℃，管道尺寸为24寸，管道厚度为10S，管道保冷材料为PIR，厚度为170mm，PIR密度为40KG/M3，管道应力分析评定标准为ASME 31.3 工艺管道。管道布置如图2，经应力分析后查看支架受力如图3所示。

操作工况（W+T1+P1+H）下，Y方向上，150节点受力为0，说明150节点处刚性支架未起作用，支架脱空；而110节点支架受力为-40442N，大于结构承受最大4吨力的要求。根据需要150节点处刚性支架应调整弹簧支架，消除脱空影响，分担110节点支架载荷。

2.3 CAESAR II弹簧支吊架设计

CAESAR II软件中，设置free code为5-all（减少其他临近支架受力），选用Sinopec（china）弹簧、选择热载居中、载荷变化率不超过25%，设置完成，选择软件自动推荐的工况（W+T1+P1+H）进行迭代计算弹簧。

计算得到推荐弹簧结果如4所示，弹簧系列为TD120，弹簧刚度为628N/cm、理论安装载荷为18254N，弹簧载荷变化率为19%。此推荐参数，冷态载荷完全落在弹簧的工作范围内，载荷变化率小于给定值25%，弹簧尺寸满足净空要求。此处，若单个弹簧不符合要求，软件会自动选择两个弹簧并联，若两个并联弹簧也不符合要求，软件将自动选择恒力弹簧。

根据推荐结果和标准“NB/T 47039-2013 可变弹簧支吊架”，选择弹簧刚度和理论安装载荷分别为627.88N/cm和18334N的弹簧。

将此结果填入弹簧控制参数中，进行管道应力计算，得到设置弹簧后各支架受力如图5所示。更改弹簧支架后，各支架载荷重新分配，110节点支架受力从-40442N，降低到-28076N，160节点受力从-18165N降低到-5149N，支架受力满足要求。经校核管道一次应力及二次应力，管道一次应力及二次应力满足ASME 31.3标准要求，管道位移满足布置要求，此弹簧选择合理。

3 结束语

对弹簧支吊架的选用原则及CAESAR II软件中弹簧支吊架设计参数进行了分析讲解。以LNG超低温管线为例，應用CAESAR II软件进行弹簧支吊架快速选型设计，并对管道进行应力分析，管道一次应力、二次应力满足ASME 31.3标准要求，支架受力满足结构承载力要求，弹簧选择合理。

CAESAR II 管道应力分析软件，可快速、准确的进行弹簧支吊架选型设计，减少设计时间，降低设计错误几率，极大程度地提高工作效率。

参考文献

[1]李盾，任春玲，等.核电站管道设计弹簧支架优化应用[J].华北电力技术，2012（1）：27-31.

[2]尹成龙，牛多青.管道设计中弹簧支吊架的应用[J].内蒙古石油化工，2005，4：117-120.

[3]张民贞.弹簧支吊架在管道设计中的应用及弹簧失效分析[J].化工设计，2007，17（5）：29-33.

[4]张存良.AutoPSA与CAESAR II在弹簧选型中的比较[J].石油化工设备，2008，37（2）：59-63.

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

[6]NB/T 47039-2013.可变弹簧支吊架[S].

[7]NB/T 48038-2013.恒力弹簧支吊架[S].

作者简介：李广鑫（1983-），男，，毕业于哈尔滨工业大学，硕士学位，现为海洋石油工程股份有限公司工程师，主要从事油气田总图与管道设计工作。