摘要：弹簧支吊架选型对管道极为重要，弹簧支吊架在电厂管道系统中的应用十分普遍，它利用弹簧弹性力对管道进行重力支撑，允许一定范围内的管道位移。本文对电厂管道的弹簧支吊架选型进行了分析。
关键词：电厂管道；弹簧支吊架；选型
在电厂管道装置的管道设计时,不仅要考虑满足工艺流程的要求,还要考虑设备、管道及其组成件的受力状况和管道应力分析,以保证装置长周期安全运转。在管道应力分析中,正确设计弹簧支吊架是一项重要的工作。弹簧支吊架选型正确,布置合理,不仅使所设计的管系美观,而且能确保管道和设备安全、装置开车成功和长周期运行。
一、弹簧支吊架的分类和功能
在电厂的汽水管道设计和安装中,为使管道应力在合理的范围内,常常会选用弹簧支吊架。表1为弹簧支吊架的不同分类及其应用场合。电厂管道支吊架一般采用第三代系列整定式弹簧,即:ZH101～ZH120,ZH201～ZH220,ZH301～ZH320,共60种规格;ZH1、ZH2、ZH3弹簧在最大工作荷载下的绝对变形量分别为75、150、225 mm。
表1 弹簧支吊架分类
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二、弹簧选型理论
对弹簧选型存在影响的因素有很多，这里主要对荷重分配、弹簧附加力、glif与CaesarII软件的选择进行简单的分析。关于荷重分配对弹簧支设计的影响：吊架并不在计算管系基本体系之内，计算管系的基本体系有管道和刚性支吊架。对于刚性支吊点只能干预其变形条件，弹簧支吊点的支吊力可以通过调节弹簧来人为制定。虽然荷重能够随意分配，但这只能达到静态力量的平衡和结构变形的目的，却无法做到将荷重进行合理的分配。吊零分配是按照变形条件来进行荷重分配，需要支吊点所在地管道重量产生的垂直位移为零。吊零分配加定荷载分配是，一些支吊点所在地管道重量产生的垂直位移为零，还有一些人为增加支吊点定量的荷载。对定荷支吊点设以恒定值，就能够计算出所有支吊架所分配的荷重。弹簧附加力的吊零原则是指，管道在冷态到热态弹簧的位移，弹簧支吊架的变化为弹簧的附加力。当管道冷态时弹簧支吊力为分配荷载，热态时为弹簧附加力，一般大部分使用热态吊零，出于对管道安全的考虑不建议使用高温高压。Glif软件出现的时间比CaesarII要早，由于大容量、高参数的现世加上各种国外工程的出现，应力计算被要求用CaesarII的情况也逐渐增多。弹簧设计计算主要有热态吊零和冷态吊零两种，冷位移对弹簧设计是否有影响一直存在争议。对于冷热位移，glif的定义为冷态位置相对设计线的变化为冷位移，热态位置相对设计线的变化为热位移；CaesarII的定义为Sus之下的相对设计线即冷位移，Exp之下的相对冷态线即为热位移，在glif软件中并没有Ope下的相对设计线这种设定。对于glif软件的弹簧选型步骤：首先，是将弹簧垫全部设为刚性，给定荷点设为恒吊进行分配荷载；其次，将位移和附加荷载均加在管道之上，将弹簧刚度设为零，以恒力吊架代替弹簧支吊架进行计算；然后，反复在管道从热到冷时对弹簧选择进行计算，算出弹簧热位移；最后，有弹簧附加力等条件的出冷位移。由上可得，在glif软件的计算中，热膨胀位移是一个恒值。glif对于变力弹簧有：分配荷载等于工作荷载；冷态荷载等于工作荷载加上弹簧热位移和弹簧钢度的积。恒力弹簧有：分配荷载等于冷态荷载等于工作荷载。所以在glif软件中冷位移对弹簧的选型的影响因素之一。CaesarII软件弹簧的选型，初始并不考虑弹簧的刚度，弹簧位移根据热膨胀位移决定，也不考虑冷位移。一般电力用户习惯用热位移是从冷待到热态的位移，并根据这种热位移来判定弹簧荷载的变化，在冷位移向上的情况下弹簧荷载可能会出现变化系数不符合要求的情况，因此很多工作人员认为CaesarII选弹簧不怎么准确。但新版的CaesarII应电力用户的要求加入了冷位移情况下考虑弹簧刚度的计算，只需在选择弹簧位移工况时定义为考虑弹簧刚度即可。CaesarII虽有改善，任然存在着一些不足支出，如弹簧标的冷位移和荷载情况完全不同，Exp的位移也与弹簧表露的热位移有一些出入，在这一方面需要、工作人员格外。热位移与Exp的位移相对应，安装荷载和Sub的荷载相对应，还有支吊架的冷位移和Exp的位移相对应，弹簧表只看弹簧号即可。
三、弹簧支吊架对管系的力学影响
1.管系的重力载荷分配。对变力弹簧支吊架进行正确的选型，首先需要确定管系的重力载荷分配原则。通常情况下，为了减小管道因重力造成的弯曲应力，采用吊零的方式进行重力载荷分配，即要求支吊架点处因重力产生的位移值为零。对于选择变力弹簧作为承重支吊架的管道，在管道的冷态和热态，支吊架反力会随着管道的位移发生变化。因此，管道不可能同时在冷态和热态同时实现吊零。如果选择热态吊零，在管道恢复到冷态时，将承受弹簧行程变化带来的附加力，反之亦然，这个附加力对管道系统是有害无益的。为了将管道的危险状态持续时间尽量减少，工程上可以根据管道在热态和冷态的持续工作时间选择管系的吊零方式。管道热态工作时间多于冷态应选择热态吊零；反之，选择冷态吊零。
2.弹簧支吊架刚度对管道的影响。为了降低管道在危险状态的应力，必须将这个附加力限制在一定的范围内。当管道对附加力非常敏感时，需要选用造价更高的恒力弹簧支吊架，给管道提供恒定的支撑力。在选用变力弹簧支吊架时，管道由平衡状态到达附加力状态时，弹簧的行程等于管道冷态和热态的位移差，在这个位移差确定的情况下，弹簧的刚度越小，施加给管道的附加力越小，因此，选择刚度较低的弹簧是限制附加力的有效方法。根据国际通用的设计经验，弹簧刚度选择的校验准则是：弹簧在管道热位移行程中发生的弹力变化值不大于在管道平衡状态支吊架反力的25%。该校验准则对弹簧刚度进行了限制，通常在满足校验准则的前提下应选择刚度较大的弹簧。
3.弹簧支吊架在地震工况下的作用。弹簧的自振频率非常低，因此是一种非常理想的隔振部件，在构筑物和振动设备的柔性基础设计领域，弹簧已经有了充分的研究和应用。而对于管道系统，几乎不可能将整个管系和所连接的设备都使用弹簧进行支撑从而隔绝地震的影响。管道系统不可避免地存在和构筑物之间的刚性连接，这就决定了弹簧支吊架对管道和构筑物的隔振效果没有实际意义，因为希望有更多的限位支架使管道牢固地固定在构筑物上，从而提高管系的自振频率，降低管道系统的地震响应加速度。弹簧支吊架作为一个柔性连接，在地震工况下，对管道起不到限位作用，对管道振型没有影响，甚至在进行管道地震载荷下的应力分析时，可以忽略弹簧支吊架的存在。因为弹簧支吊架起不到限位作用，地震时管道的限位需要特别注意，尤其是在设有连续多个弹簧支吊架的管道。通常需要配合使用阻尼器，用来吸收管道的动态载荷。实际上，即使在地震工况下，弹簧支吊架对管道的承重功能并不会完全消失，因为在地震时弹簧仍然处于压缩状态，弹簧支吊架与管道保持接触，因此，弹簧仍对管道起到推力作用。有些应力分析软件并没有考虑这个力的作用。此外，在弹簧支吊架选型时，应该保证在运行基准地震时，管道的位移在弹簧的行程范围内，以防止运行基准地震时弹簧箱的损坏。
在电厂管道设计中,管道支吊架的设置是重要的组成部分,它的设置是否得当,不仅对整个管系的安全运行起着重要的作用,还对管道的布置起着指导意义。
参考文献：
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[3]刘燕.火力发电厂管道稳定设计与施工[J].科技创新导报，2019（15）：40.
论文作者:史德宽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：弹簧论文; 吊架论文; 管道论文; 位移论文; 荷载论文; 刚度论文; 分配论文; 《基层建设》2019年第30期论文;