关键词 支吊架;弹簧支吊架;
   1 概述
   管道支吊架是管道系统设计中的一个重要组成部分,它在管道系统中起着承受荷载、限制位移和控制振动等作用。而弹簧支吊架又是支吊架大家庭中的主要成员,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。
   同时,为满足管系的应力要求,也需要合理设置和正确选择弹簧支吊架。对管系来说,一次应力如果过大,管系可能会被破坏。一次应力是由管道的内压和外载产生的,其大小与作用与管系上的荷载及管道或配件的截面有关。当装置的规模确定后,管径的大小也就确定了,配管时是不能任意改变的,而管道应力和支吊架承受荷载的大小却可以通过设置支吊架加以调整。因此,支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。
   二次应力是由于管系变形受阻而引起的,正确选用弹簧支吊架,能够起到使管系具有适当的柔性,以减少因热胀对有关构件(如炉体钢架、构架、管架)的作用力,同时,还可以根据需要,选择止推和导向支架限制管系某个方向的位移,以减少设备嘴子的受力。
   2 弹簧支吊架在管道设计中的应用
   弹簧支吊架是诸多支吊架中的一种。由于管道在运行过程中(冷态或热态),会受到弹簧支吊架与其重量不平衡的附加力,而且管道垂直位移愈大,其荷载变化率也愈大。按《可变弹簧支吊架》GB10182-88规定,弹簧荷载变化率不应大于25%。为了把荷载变化率控制在这个范围内,弹簧支吊架只适用于管道垂直位移不太大的场合。因此尽量布置在位移点的最小位置,以减少弹簧的变形量,甚至达到可不用弹簧支吊架而采用普通支吊架的目的。
   弹簧支吊架的主要构成部分就是弹簧,弹簧本身特性的好坏直接影响管道受力状态的好坏。这就要求弹簧的荷载与变形之间关系应具有良好的线性关系,弹簧在工作区间内其刚度尽可能恒定不变。因此,我们选用的支吊架弹簧的工作变形量应在试验荷载(为测定弹簧特性,弹簧允许承受的最大荷载)下变形量的30~70%范围内选取。
   2.1 弹簧支吊架选用实例
   管道设计中,当管道支承点处有较大垂直位移时,该点产生脱空或过大推力,使支架失去其承载功能,该荷载转移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,对管道和支吊架都不利。这时管道支承点处就需要采用弹簧支吊架。另外,在与敏感机械设备相连接的管道处,也常常采用弹簧支吊架。在我们进行管道设计时,经常会遇到管道需设弹簧支吊架的情况。例一:为了减少泵出口管道对泵的荷重,在泵出口上方设弹簧支吊架,重量尽量由弹簧来承担,见图一。例二:塔或立式容器等设备管嘴处,一般应设置承重支吊架,但如果管道重量过重,一个承重支吊架承重有困难时,就必须再设一个弹簧支吊架.如图二所示,催化裂化装置油气管道。
   在反应器壁上往往要同时设承重支吊架、弹簧支吊架。不过,有些催化裂化装置油气管道通过计算也有只采用普通承重支吊架(安装在位移点为零的位置)的情况。例三:在常减压装置中,常减压转油线在运行时,支吊点处常常会出现垂直方向的热位移,也需要采用弹簧支吊架

总之,弹簧支吊架主要解决管道有垂直位移时的支撑问题和减小敏感设备的受力问题,对管系能否正常运行起着重要作用。不过,需要强调的是,由于弹簧支吊架的刚度远低于刚性支吊架,如果设置太多,则会造成管系不稳,产生偏斜和振动。
   2.2 弹簧支吊架的选用原则
   管道系统是一个超静定结构,其自重荷载在各支吊架间分配。常用的管道荷重分配方法有三种:①吊零分配法;②静力平衡法;③简支梁法。当用CAESAR 计算管系时,就是用吊零分配法,另外两种方法是手算时常用的,但比较复杂。下面就阐述一下吊零分配法:
   吊零分配就是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荷重。它是一种按变形条件分配的原则。有时侯,我们希望垂直管道或水平管道的重量尽量由弹簧支吊架来承担,就采用对某些支吊点给定荷载,而对一般(多数)的支吊架按支吊点处垂直位移为零的变形条件分配荷重。在计算程序中,计算机以虚拟的大刚度支吊架代替吊零处的弹簧支吊架,即此点垂直位移为零,进行吊零分配荷载。
   当我们把整个管系的有关数据输入CAESAR 计算程序后,即可得知管系支吊点处的工作载荷、热位移方向及大小。查CD42B5-89系列弹簧载荷选用表,即可查出安装载荷.再代入下式,计算荷载变化率,使其小于或等于25%:
   荷载变化率= 工作载荷-安装载荷 工作载荷×100%≤25%
   在CAESAR 计算中,支吊架弹簧的选用原则是:在弹簧特性能承受冷态荷载和热态荷载,而且荷载变化率不超过规定值的前提下,力求选用较小规格的弹簧.当所选用的弹簧其荷载变化率>25%时,应减小弹簧刚度,另选位移范围大一级的弹簧。
   3 弹簧失效分析
   在管道设计中,有时,由于弹簧自身的原因而达不到其使用目的,会使管系应力或设备受力过大,危及管系安全,我们就不得不引起高度重视,为此,我们就要考虑弹簧自身的失效问题。
   3.1 弹簧的特点和功能[1]
   弹簧的基本作用就是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点,在产生及恢复变形时,可以把机械功转变为形变能,或把形变能转变为机械功,即弹簧内部储存能量的大小是变形(位移)的函数。在适当外力作用下,通常它都可以产生一定程度的弹性变形甚至扭曲,这就是弹簧的共同特点。在实际生产中,一般多选用弹性极限高的金属材料来制造弹簧。弹簧的种类很多,通常我们管道弹簧支吊架选用的是金属合金圆柱螺旋弹簧及碟形弹簧。
   3.2 弹簧失效[1]
   弹簧的失效形式主要有断裂失效及弹力失效(如松弛或变形等)两大类,其中以断裂失效最为常见,其危害性也最大。断裂失效中又可分为疲劳断裂失效、腐蚀疲劳以及氢脆失效等。
   弹簧的疲劳断裂往往是从某一微小的表面缺陷开始,在交变载荷作用下逐渐出现一个微细裂纹,然后通过扩展直至断裂。弹簧在最大应力值远小于材料的屈服强度,但在承受交变应力的作用下,细小裂纹经过一定的应力循环次数后便导致疲劳失效。在弹簧断裂失效中,疲劳断裂所占的比例最大。实践表明,绝大多数弹簧的疲劳失效是由于高应力造成的,而高应力是弹簧承受高载荷和大变形的必然结果。
   因此,在管道设计时,要力求避免弹簧承受比较大的力或变形过大。如果承载过大,要考虑采用弹簧并联的方法;变形过大,即垂直方向的位移量大时,采用弹簧串联的方法。如应力仍较大时,则要重新考虑布置管系。采用碟形弹簧时,由于它刚度大,承载能力大,能适应于较大荷载的支吊架场合。弹簧的金属疲劳是一种局部性质的破坏,这种破坏往往沿着材料强度中最薄弱的部位开始,然后扩展到整个截面的破坏。因此,弹簧的几何形状截面的不连续性、材料的表面状态及组织结构的均匀性等是决定疲劳性能好坏的主要因素。而弹簧的受力条件与环境等对疲劳性能有重要影响。
   腐蚀往往是加速弹簧失效的主要原因之一。弹簧的腐蚀疲劳失效是弹簧在循环载荷和腐蚀介质共同作用下发生的破坏。金属在腐蚀条件下的疲劳几乎不存在确切的疲劳极限,也就是说,即使在很低的拉应力作用下也会引起裂纹的扩展。一般来说,在没有腐蚀的环境中,工作频率对疲劳性能的影响较小.但在腐蚀的环境中,频率对疲劳强度的影响却非常显著。载荷相同的条件下,加载频率越低,腐蚀的有害作用越明显,所以其腐蚀疲劳断裂寿命也就越短。但一般来讲,弹簧钢选用合金钢,其抗腐蚀能力都较强,除非是特定腐蚀环境下,通常情况下,合金钢制造的弹簧应无腐蚀问题。
   氢脆是氢在材料中的作用引起的脆性断裂,这是一种延迟断裂。电化学作用产生的游离态氢,被钢的表面吸附并扩散到内部,在晶界或晶体缺陷处(如位错及空位等)聚集形成氢分子(H2),发生体积膨胀,造成张应力,使材料发生脆性开裂.实践证明,象体心立方的金属材料铁比较容易发生氢脆现象。当钢中含氢量高于10PPm时,没有外加应力亦可出现开裂。
   弹簧的失效形式除断裂失效外,还有弹力失效(如松弛或变形等)。与断裂失效相比,弹力松弛及变形更为普遍.松弛及变形失效的危害性似乎不如弹簧断裂那样明显和严重,但是,这种现象对于所有工作的弹簧几乎都是存在的.如果将一个螺旋弹簧放在两个平行板之间施加一定的压力,在较高温度下(甚至在室温下),发现弹簧的承载能力随时间的延长而逐渐下降,这种现象就为松弛.这时,应力与应变并不是一一对应的关系.影响弹簧松弛性能的因素主要有:一是弹簧的工作温度及加载速度,工作温度越高,加载速度越大,则松弛越严重;二是与弹簧材料的化学成分及组织状态有关。
   3.3 弹簧支吊架的施工和安装
   弹簧支吊架必须严格按照设计要求定位和装配.在施工安装过程中,定位装置应保持不动,直到整个管系安装完毕且试压完成后,管系升温之前将定位装置取出,使弹簧正常工作。否则,会出现弹簧卡死、绕中心轴歪斜等现象,造成弹簧支吊架失效。管系运行前,必须仔细检查定位装置是否取出,使弹簧正常发挥作用。此外,在管系处于冷态(非操作工况)时,如果弹簧支吊点处荷载过大,也会使弹簧装置变形,甚至毁坏,因而往往要增加保护装置,如弹簧箱,加厚壳体钢板等措施。
   在实际工程中,因为设计弹簧支吊架元件时,采用较大的安全系数,所以发生失效的情况并不多见。
   4 碟形弹簧与圆柱螺旋弹簧比较[1]
   管道弹簧支吊架主要采用圆柱螺旋弹簧及碟形弹簧。在外力作用下,弹簧材料中所产生的应力往往是弯曲应力或扭转应力。
   4.1 圆柱螺旋弹簧受力分析
   由于螺旋弹簧的螺旋角一般小于9°,故弹簧圈的任意截面可以近似地看作在通过弹簧轴线的平面上。因此,弹簧在轴向载荷P的作用下,弹簧圈的任意截面的受力可简化为一扭矩T=1/2PD2(D2为弹簧中径,mm)和一切向力Pr=P,螺旋弹簧受的应力是扭转应力,
 由应力分布曲线可知(见上),螺旋弹簧内径的切应力最大(τmax),而外径受力最小(τmin),因此,绝大多数的螺旋弹簧的失效是从弹簧圈内侧首先开始的。上式计算所得的切应力就是弹簧圈内侧最大切应力τmax。
   4.2 碟簧的工作特点及受力分析
   碟簧是用钢板冲压而成的一种圆锥形截面(碟形)垫圈式弹簧,如图所示。图中S为钢板厚度,h为内截锥高度,D为碟形弹簧外径。当它承受轴向载荷P时,碟片锥角(θ)将减小并产生轴向变形。成组碟形弹簧的变形和承载能力较大。
   碟形弹簧的受力情况比较复杂。为便于分析,假定受载后碟片轴向截面不发生变形,只是绕中心点O回转,碟片的载荷和支承反力都均匀分布在圆周上。