管道设计中关于双向位移弹簧选型问题的探讨

刘 薇，满文聪

(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071)

管道设计中关于双向位移弹簧选型问题的探讨

刘 薇，满文聪

(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071)

本文主要针对石油化工装置管道设计中,双向位移弹簧支吊架选型的难点问题，结合管道应力分析软件CAESARII，对选型的过程、原因、注意事项进行分析和总结，并举例说明，对管道设计中弹簧的选型具有一定的指导意义。

管道设计; 双向位移；弹簧选型；CAESARII

支吊架的设计是石油化工行业管道设计中的重要环节，如果其设计不当，不能承受管道重量等引起的载荷，将可能导致管道的一次应力超标。通过支吊架的设计可以对管系的变形加以控制，从而减小管道的二次应力和管道对设备的推力，保证管道与设备的正常运行。当垂直热位移较大时，若采用刚性支吊架，可能造成支吊架脱空，起不到支吊架应有的作用，在这种情况下，必须采用弹簧支吊架，既能承受载荷，又允许存在垂直位移，可以避免支吊架脱空或者热涨载荷过大的问题[1]。本文将从双向弹簧选型的角度切入，深入讨论双向弹簧选型应该注意的问题。

1 双向位移的弹簧容易被忽略的原因

在弹簧设计过程中遇到工况复杂的管系，尤其是弹簧在不同的工况下，支撑点处有双向位移的情况。出现这种情况的原因是，弹簧所在的管道有多个操作工况，某个工况是处于非正常操作工况，如加氢装置塔区的硫化线、催化装置中的催化剂线等都有可能出现。

1.1 没有对管系进行正确模拟

原因一是进行应力分析时没有对管系正确模拟，遗漏了某个工况，最终选出的弹簧只适用于某个工况，而不适用于其他工况。比如某管线正常无量比如某管线正常无量，但设计温度比较高，应力分析时按照设计温度选弹簧，如果该弹簧所在位置有其他管线或设备热胀对其引起的较大牵制位移，且位移方向与该管线在热态下的位移方向相反，那么几乎可以肯定，选出的弹簧是不适用的。

1.2 没有对弹簧表进行后期编辑

原因二是CAESARII软件在生成弹簧表弹簧时确不能将两个方向的弹簧位移都显示出来。由于在分析过程中通常设定了程序按照“最大位移”原则，如图1。没有使弹簧产生最大位移的工况，弹簧的位移就会在弹簧表中被忽略掉，无论该工况的弹簧位移方向是否与最大位移方向一致。如果没有在应力分析报告的弹簧表中进行手动修改，如图2，那么弹簧各工况的位移只能从分析报告中的各个位移报告中读取，而对于多工况管系的应力分析报告，要查找每个工况下的弹簧位移也是非常不方便的。如果不仔细查看位移报告，最终会导致弹簧选型错误。

图1 设定程序按照“最大位移”原则

图2 没有对弹簧表进行后期编辑

1.3 缺乏双向位移弹簧设计经验

对于一些缺乏设计经验的工程师，在已知双向位移情况下，弹簧选型仍然存在困难，主要是由于各个弹簧样本中给出的选型方法及弹簧代号无法表达双向位移的弹簧。

2 双向位移的弹簧选型应注意的问题

2.1 要重视对工艺流程的理解和弹簧表后期的完善

要工艺流程进行详细的了解，对管系中可能存在的特殊工况要格外重视，避免因为工况缺失导致的弹簧选型错误。在计算具有多个工况的管系时，对管系中的弹簧要格外重视，有必要在报告弹簧表中手动改成双向位移的弹簧。读取应力分析报告的时候，对于各个支架点的管道位移以及载荷大小都要仔细考虑，弹簧选型时尽量看各工况的力和位移报告，而不是直接根据弹簧表选弹簧[2]。如表1。

表1 完善弹簧表

2.2 对于双向位移弹簧的选型的建议

在确定弹簧的类型时，如果上下两个方向的位移之和超出了可变弹簧的适用范围，应改为恒力弹簧并重新核算该管系。在弹簧的选型时，要根据弹簧样本中每个位移系列的范围合理选择弹簧，对弹簧型号的标注要将上下两个方向的位移和工作载荷都编入其中，现举例说明(忽略弹簧的厂家以及弹簧形式的代号及附件重量)。

某弹簧在两种工况下的工作位移分别为向上10 mm和向下20 mm,其中向下20 mm的工况是其最常保持的工作状态，该工作状态下的载荷为15600N，根据上述条件可知该弹簧至少要满足30 mm的位移范围，从样本中的“弹簧位移系列表”中查得与该载荷位于载荷编号为04和05的那两列中，如果用载荷编号04的弹簧，位移系列可选2-4系列，如果用载荷编号为05的弹簧，位移系列可选3-4系列，考虑到最常用的工作载荷15600N位于04载荷系列的底部附近，考虑到计算、制造、施工等方面的误差，尽量避免使用，因此建议使用载荷编号为05的弹簧，为保证位工作移向上10 mm的另一操作工况尽量远离弹簧位移范围的端部，选择最大行程范围的4系列的弹簧，查表得到，05载荷编号4系列的弹簧15600荷载对应的位移刻度为46，向上20 mm可推得弹簧的安装荷载为14433N，再向上10 mm可推得弹簧的另一工作荷载为13852N，因此该弹簧型号为：xxxx405,10↑/13852-14433-20↓/15600。恒力弹簧的选型与之类似，不在赘述。

3 总结

为保证管系在任何工况下的安全，双向位移弹簧是非常有必要的，如果不在弹簧型号上注明上下两个方向上的位移，仅确保两个方向上的位移都在该型号的弹簧行程范围内，理论上也是可行的，但由于弹簧的制造和采购等环节均不是设计方能控制的，有的弹簧厂家为了节约成本，会缩短弹簧的行程，使弹簧的行程范围刚好大于该弹簧的最大工作位移，这样的弹簧就无法满足另一工况下的位移要求。

对于双向位移的弹簧使用更要谨慎，有的工况持续时间很短，有的管系短时的弹簧空载并不会对管系产生较大影响，这种情况也没有必要选择双向位移弹簧，弹簧的选型在满足弹簧位移范围并考虑误差影响即可。

[1] 张德姜，赵 勇. 石油化工管道设计与安装[M].2版.北京:中国石化出版社,2007.

[2] 唐永进. 压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009.

(本文文献格式：刘 薇，满文聪.管道设计中关于双向位移弹簧选型问题的探讨[J].山东化工,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

刘 薇(1984—)，女，山东青岛人，工程师，硕士研究生，主要研究方向为石油化工炼油设计。

TQ055.8

B

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