摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的火力发电工程的发展也日新月异。支吊架是管道系统的重要组成部分，用于承受管道荷载、限制管道位移、控制管 道振动。弹簧支吊架设计是管道设计中的重要环节。弹簧在火力发电厂的汽水管道应力计算中应用较多，对于管道一次与二次应力的控制、设备端口推力与力矩的调整有极大作用。但如出现设计选型错误，安装与设计不一致的情况，对管道系统及管道连接设备的安全运行是极为不利的。随着国内应力计算软件glif及IntergraphCaesarII的出现，电力设计院普遍采用应力分析软件来计算管道应力和选取弹簧。计算机的发展，使设计人员的管道应力分析能力和理论水平不断弱化，设计人员都会用管道应力软件分析计算，但很少人会去了解其理论和过程原理。
关键词：弹簧；火力发电厂；管道设计；应用探讨
引言
弹簧支吊架设计是管道支吊架设计中的重要环节，对glif与CaesarII在弹簧选型理论的相同点及差异性进行阐述，分析冷位移对弹簧选型的影响，并提出弹簧设计中应注意的若干问题。
1弹簧设计理论
1.1荷重分配
任何一个计算管系，其基本结构包括管道及刚性支吊架（硬性支吊架、导向支架或固定支架，这些支吊架的变形条件是限定的），对于弹簧支吊架，则不包括在基本体系内，而是作为集中外力荷载来考虑。对于弹簧支吊点，弹簧的支吊力可以通过调节弹簧而人为给定，对于刚性支吊点，只能给变形条件。从上分析，荷重分配可以是任意的，但这只是满足荷重的静力平衡及结构的变形条件，而没有达到合理分配自重的目的。第1种吊零分配是应力计算常用的分配方式，其条件是按每个支吊点处管道自重产生的垂直位移为零来分配荷重，是按变形条件来分配原则。第2种分配是吊零分配加给定荷载分配，即对一般的支吊架按支吊处的垂直位移为零的变形条件，而一些支吊点人为给定荷载（调端口力，某些点失重）。对于吊零处则于虚拟的大刚度支吊架代替，对于给定荷载的支吊点则以虚拟的恒吊（其荷载等于给定值）来代替，即可计算出所有的支架吊的荷重分配。
1.2弹簧附加力及热态吊零原则
由于管道在使用过程中，属于冷热2种状态。弹簧支吊架的荷载，可在冷态等于荷重分配，也可在热态等于荷重分配。弹簧在冷态与热态之间的位移Δ，引起弹簧支吊架力的变化ΔK（K为弹簧刚度），为弹簧附加力。若冷态时，弹簧支吊力等于分配荷载，则在热态时有弹簧附加力，这样对高温高压工作的管道是不利的，所以在大都情况下是热态吊零。
1.3位移对弹簧设计的影响
Glif软件使用比较早，国内各电力设计院对软件均比较熟悉，随着大容量、高参数机组出现及国外工程的增多，业主要求应力计算采用CaesarII越来越多。弹簧的选择计算有冷态吊零和热态吊零2种方式，采用冷态吊零没有冷位移，采用热态吊零则有冷位移出现，冷位移对弹簧设计是否有影响争议较多。对此设计人员有2种观点：①有影响；②没有影响。Glif选弹簧步骤，第1步进行荷载分配，为分配荷载，弹簧点全设为刚性，但对于给定荷载点用恒吊代替。第2步位移荷载（温度变化引起的位移，管道端点的附加位移等）和外加荷载（自重与支吊力）同时加到管道上，为了保证工作荷载等于吊零分配荷载，所有的弹性支吊架用恒力吊架所代替，弹簧刚度为零。此时各吊架的力等于分配荷载，与管道自重相平衡，可以同时取消，即没有了外加荷载位移，所以第2步计算等到位移是假定没有弹簧支撑计算得到的。第3步管道状态由热到冷的过程，进行反复的弹簧的选择计算，将弹簧刚度设为已选刚度，这是一个迭代过程，因选的弹簧不同，弹簧刚度就不同，弹簧附加力就不一样，弹簧附加力引起的位移就不一样，此步骤迭代算出热位移。第4步，据弹簧附加力等算出冷位移。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆glif的应力计算理论可知，据第2步算的热膨胀位移，与选什么弹簧型号无关，选可变弹簧还是恒力弹簧，其热膨胀位移是恒值，等于冷位移（Dcz）＋热位移（Dwz）。此时的位移，支吊力与管道自重相平衡，都取消，只有位移荷载取作用，管道热胀时，管道自身是有自限性特征的，不可能无限制热胀下去，否则会超出管道弹性范围之外，发生塑性变形，以致断裂。也就是说，管道热胀在一定的条件下，有其最大的热胀伸缩能力，只要刚性支吊架未变，温度一定时，管道膨胀是一个恒值。
2弹簧设计注意事项
2.1弹簧的拔销
管道支吊架（第1部分）技术规范7.5.5里提到，”变力弹簧支吊架调整应通过旋转吊架螺旋扣、螺纹荷载柱或调节螺母使支吊架的承载力与其整定荷载相平衡，直至锁定装置能自由地取出为止”，弹簧是按冷态荷载整定的，所以弹簧拔销理论上是可以轻松拔下。从中可知施工单位管道安装完成后，管道就要调整到冷态位置（sub），特别对于4大管道，有些弹簧支吊架的冷位移很大，有的达到30mm、40mm，为了达到设计与施工后一致，设计人员宜在卷册总说明里说明这些冷位移比较大的吊点，在安装完成后管道要调到冷态位置，从而保证热态工作荷载等于设计值。还有支吊架设计时，拉杆长度一般是按安装标高算的，而弹簧是冷态整定的，对于冷位移比较大的弹簧吊点，拉杆长度宜考虑冷位移的安装余量。
2.2支吊架管部重量对弹簧的影响
随着大容量、高参数工艺设备的不断发展，各类管道尺寸也在相应增大，管道支吊架零部件重量也不断增加，有的管夹横担重达2t多。Glif应力计算一般不对管部进行模拟，但弹簧厂家大多认为弹簧选型时应考虑弹簧以下的支吊架重量，据工作荷载加弹簧以下的支吊架重量等到荷载、热位移进行弹簧选择，这样做很有可能弹簧号改变，弹簧刚度就变了，从而弹簧附加荷载不一样，冷态位置不一样，整个管系不是原来模拟的了。CaesarII一般可用1个集中力或1个长度比较小的含有重量的刚性元件来模拟管部，集中力来模拟有个问题是动态计算时，F（集中力）不能被系统认为是重量，加速度就不会考虑这些额外的管道重量。所以现在常用1个长度比较小的含有重量的刚性元件来模拟。现在最新版6.1弹簧参数里已有支吊架管部重量参数了。
2.3管系不能全部为弹簧支吊架
机组越来越大，参数也随之升高，有时在管道应力计算时，因每个吊点的垂直位移都比较大，从而全部吊点都变弹簧，虽一次、二次应力，设备端口力与力矩都满足，但这一般是不允许的，弹簧冷热荷载不一样，必有荷载转移，管系上没有刚吊，力只能转移到设备端口。所以宜在一个热位移最小的支吊点设为刚吊，若应力过不去，应调整管系。
2.4汽轮机厂中压联合汽门、主汽门弹簧支架的模拟
现在大机组汽轮机厂给的中压联合汽门、主汽门均为为特殊弹簧支架。以某百万机组厂家给的中压联合汽门弹簧支架参数为例：弹簧刚度：2625N/mm，冷态安装载荷：294kN，热态工作载荷：389kN，厂家要求设计院通过工作载荷赋值方法试凑出安装载荷。因弹簧为特殊弹簧，其刚度不是标准弹簧刚度。据glif帮助文档可知，可对弹簧支吊架给定弹簧号，不能给定弹簧刚度，所以只能查弹簧刚度相近的弹簧。经测试，给定了弹簧号，不能同时给定工作荷载。所以glif只能要么给定弹簧的工作荷载，要么给定弹簧号。这样很难满足厂家要求的参数。但CaesarII弹簧设计设置参数比较多，可给定任意弹簧刚度值，且可同时给定工作荷载，这样CaesarII模拟厂家特殊弹簧方便多了。
结语
对glif，CaesarII选弹簧方式相同点及差异性分析，对冷位移是否影响弹簧设计争议较多的部分提出观点，并对管道弹簧支吊架设计提出若干应注意的问题，希望能给热机设计人员带来一些借鉴。
参考文献:
[1]林其略，周美芳.管道支架技术.上海科学技术出版社，1994
论文作者:贾靓1,姜锦涛2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：弹簧论文; 吊架论文; 荷载论文; 位移论文; 管道论文; 刚度论文; 应力论文; 《电力设备》2018年第31期论文;