弹簧支架摩擦对管道应力的影响研究

朱周军，陈潮清，叶世强，潘荣建，王旭晟

（镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315000）

在石油化工装置中，弹簧支架的投资所占比例不大，但在管道设计中有着相当重要的作用。弹簧支架分为可变弹簧支架和恒力弹簧支架两类。前者在操作状态的弹簧载荷与安装状态的弹簧载荷会有所变化；而后者弹簧的载荷是保持不变的，恒力弹簧一般用于垂直位移较大和受力要求苛刻的场合，且转动机器管口附近的管道上，不易采用恒力弹簧支架。弹簧支架的合理设置和正确选用，可以减少敏感设备管口的受力问题，并且使管系具有适当的柔性，从而使管系的应力满足要求，对管系的安全平稳运行起着相当主要的作用[1-3]。

CAESARII 软件作为国际流行的管道应力分析软件，得到了众多工程公司和应力工程师的认可。在某些情况下，使用该软件建模时，应力工程师应具备一定的工程经验，充分考虑现场实际情况，否则在数据方面会出现一些不必要的偏差，导致应力分析结果不准确，甚至是获得相反的结果[4-5]。

本文通过对实际案例的分析来研究可变弹簧支架与管托间的摩擦力对管道应力的影响。

1 案例介绍

本案例为汽轮机的进出口管线的应力分析[6-9]，其应力模型如图1 所示，其中节点279 为弹簧支架所在位置。前期通过应力分析，在不考虑弹簧摩擦的情况下，笔者已经将汽轮机进出管口的受力和力矩调整到符合NEMA SM23 的要求[10]。在此基础上，笔者又对节点279 处的弹簧重新建模，并加入了摩擦系数，其他位置的支架设置保持不变，最后得到了新的结果。通过对比前后的结果来研究弹簧支架的摩擦力对汽轮机进出口管嘴的NEMA SM23 校核结果的影响。

图1 汽轮机的进出口管线应力模型Fig.1 Stress model of pipelines of steam turbine

2 弹簧支架模拟与分析

2.1 弹簧支架的简单模拟

简单弹簧支架如图2 所示，节点5 为弹簧支撑点，CAESARII 中的具体设置如图3 所示，该方法也是常规的弹簧支架建模方法。

图2 简单弹簧支架Fig.2 Single spring support

图3 简单弹簧支架的设置Fig.3 Setting of single spring support

计算结果如表1 所示，可以看出节点279 处只有弹簧的+Y方向支撑力，没有摩擦力。而从汽轮机管口的校核报告（如图4 所示）可以看出，综合校核结果为“PASSED”。

图4 NEMA SM23 校核报告（无摩擦）Fig.4 NEMA SM23 report （without friction）

表1 弹簧处的受力（无摩擦）Table 1 Loads on spring support （without friction）

2.2 带摩擦的弹簧支架模拟

图5 中节点5 ～ 10 为0 重量的刚性件，用于模拟管托；节点10 与节点15 在X、Z、RX、RY、RZ共5个方向进行关联；节点10 设置弹簧并关联节点15；节点15 ～ 20 为0 重量的刚性件，用于模拟弹簧高度；节点20 设置带摩擦的+Y支撑，用于模拟管托与弹簧支架之间的摩擦。在实际建模中节点5 和10、节点15 和20 可以合并处理。

图5 带摩擦的弹簧支架Fig.5 Spring support with friction

CAESARII 中的具体设置如图6 所示，其中279对应图5 中的节点10（等同节点5），节点281 对应图5 中的节点20（等同节点15）。另外，节点281 的摩擦系数mu 设置为0.1，表示管托与弹簧支架之间设置了PTFE 摩擦副。

图6 带摩擦的弹簧支架的设置Fig.6 Setting of spring support with friction

计算结果如表2 所示，可以看出节点279 不仅有弹簧的支撑力（与节点281 的Y值相近），还有X、Z两个方向的力（分别与节点281 的X、Z值相近），这两个方向的力即为模拟的弹簧摩擦力。而从汽轮机管口的校核报告（如图7 所示）可以看出，综合校核结果为“FAILED”。

图7 NEMA SM23 校核报告（有摩擦）Fig.7 NEMA SM23 report （with friction）

表2 弹簧处的受力（有摩擦）Table 2 Loads on Spring Support （with friction）

2.3 结果分析

通过对比以上两种建模方式所得的结果，可以发现该汽轮机管口的综合校核结果直接从“PASSED”转变为“FAILED”，因此可以认为弹簧支架的摩擦力确实对汽轮机进出口管嘴的NEMA SM23 校核结果产生了影响。考虑到实际运行情况，带摩擦的弹簧支架（即第2.2 节的模拟方法）更加准确。最终笔者在保持弹簧支架摩擦的前提下，通过对其他支架进行调整使得综合校核结果重新变回“PASSED”，完成了对汽轮机进出管线的应力计算。

3 结论

进行应力分析时，在必须使用弹簧支架的情况下，如果管口受力对弹簧的摩擦力不敏感，弹簧支架可以采用简单模型进行模拟，以降低模型的复杂度。反之，则应考虑弹簧的摩擦力，以便获得更接近实际的力学模型，使结果更加准确。在模拟摩擦力后，受力结果可能不符合要求，此时可以采用以下几种方法：

（1）在条件允许的情况下将弹簧支架改成弹簧吊架，此时摩擦系数可以按0 考虑，模拟时使用简单模型；

（2）在管托与弹簧支架之间增加PTFE 摩擦副，将摩擦系数由0.3 降为0.1，本案例采用了该方法；

（3）通过调节其他支架设置或者修改管路走向来获得满意的结果。