壓力管道應力分析部分

1、壓力管道應力分析部分第任務與職責1. 管道柔性設計的任務 壓力管道柔性設計的任務是使整個管道系統(tǒng)具有足夠的柔性，用以防止因為管 系的溫度、自重、內(nèi)壓和外載或因管道支架受限和管道端點的附加位移而發(fā)生 下列情況；1> 因應力過大或金屬疲勞而引起管道破壞；2> 管道接頭處泄漏；3> 管道的推力或力矩過大， 而使與管道連接的設備產(chǎn)生過大的應力或變形， 影響設備正常運行；4> 管道的推力或力矩過大引起管道支架破壞；2. 壓力管道柔性設計常用標準和規(guī)范1> GB 50316-2000 工業(yè)金屬管道設計規(guī)范2> SH/T 3041-2002 石油化工管道柔性設計規(guī)范3&g

2、t; SH 3039-2003 石油化工非埋地管道抗震設計通則4> SH 3059-2001 石油化工管道設計器材選用通則5> SH 3073-95 石油化工企業(yè)管道支吊架設計規(guī)范6>JB/T 8130.1-1999恒力彈簧支吊架7>JB/T 8130.2-1999可變彈簧支吊架8>GB/T 12777-1999金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件9>HG/T 20645-1998化工裝置管道機械設計規(guī)定10> GB 150-1998 鋼制壓力容器3. 專業(yè)職責1> 應力分析 （靜力分析 動力分析）2> 對重要管線的壁厚進行計算3> 對動設備

3、管口受力進行校核計算4> 特殊管架設計4. 工作程序1> 項目規(guī)定2> 管道的基本情況3> 用固定點將復雜管系劃分為簡單管系，盡量利用自然補償4> 用目測法判斷管道是否進行柔性設計5> L 型 U 型管系可采用圖表法進行應力分析6> 立體管系可采用公式法進行應力分析7> 宜采用計算機分析方法進行柔性設計的管道8> 采用 CAESAR II 進行應力分析9> 調(diào)整設備布置和管道布置10> 設置、調(diào)整支吊架11> 設置、調(diào)整補償器12> 評定管道應力13> 評定設備接口受力14> 編制設計文件15> 施

4、工現(xiàn)場技術服務5. 項目規(guī)定1> 適用范圍2> 概述3> 設計采用的標準、規(guī)范及版本4> 溫度、壓力等計算條件的確定5> 分析中需要考慮的荷載及計算方法6> 應用的計算軟件7> 需要進行詳細應力分析的管道類別8> 管道應力的安全評定條件9> 機器設備的允許受力條件 <或遵循的標準）10>防止法蘭泄漏的條件11>膨脹節(jié)、彈簧等特殊元件的選用要求12>業(yè)主的特殊要求13> 計算中的專門問題 <如摩擦力、冷緊等的處理方法）14>不同專業(yè)間的接口關系15> 環(huán)境設計荷載16>其它要求第二章 壓力

5、管道柔性設計1. 管道的基礎條件 包括：介質(zhì) 溫度 壓力 管徑 壁厚 材質(zhì) 荷載 端點位移等。2. 管道的計算溫度確定 管道的計算溫度應根據(jù)工藝設計條件及下列要求確定：1>對于無隔熱層管道：介質(zhì)溫度低于 65 C時，取介質(zhì)溫度為計算溫度；介質(zhì)溫度等于或高于65 C時，取介質(zhì)溫度的95%為計算溫度；2> 對于有外隔熱層管道， 除另有計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)外， 應取介質(zhì)溫度為計算溫 度；3> 對于夾套管道應取內(nèi)管或套管介質(zhì)溫度的較高者作為計算溫度；4> 對于外伴熱管道應根據(jù)具體條件確定計算溫度；5> 對于襯里管道應根據(jù)計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定計算溫度；6> 對于安全泄壓管道，

6、 應取排放時可能出現(xiàn)的最高或最低溫度作為計算溫度；7> 進行管道柔性設計時，不僅應考慮正常操作條件下的溫度，還應考慮開 車、停車、除焦、再生及蒸汽吹掃等工況。3. 管道安裝溫度宜取20 C <除另有規(guī)定外)。4. 管道計算壓力應取計算溫度下對應的操作壓力。5. 管道鋼材參數(shù)按石油化工管道柔性設計規(guī)范 SH/T3041 2002 執(zhí)行 1> 鋼材平均線膨脹系數(shù)可參照附錄 A 選取。2> 鋼材彈性模量可參照附錄 B 選取。3> 計算二次應力范圍時，管材的彈性模量應取安裝溫度下鋼材的彈性模量。6. 管道壁厚計算1> 內(nèi)壓金屬直管的壁厚根據(jù) SH 3059-2001

7、 石油化工管道設計器材選用通則確定：當 S0< Do /6 時， 直管的計算壁厚為：SO = P D o/(2冷 +2PY>直管的選用壁厚為：S = So + C式中So 直管的計算壁厚，mm ；P設計壓力，MPa ;Do 直管外徑，mm ;2設計溫度下直管材料的許用應力，MPa ;一一 焊縫系數(shù)，對無縫鋼管，二1;S 包括附加裕量在內(nèi)的直管壁厚，mm ；C直管壁厚的附加裕量，mm ；丫一一溫度修正系數(shù)，按下表選取。溫度修整系數(shù)表溫度弋51053£566593>621詵索俸鋼D.415170.7臭氏體鋼0.4D.4142 10.7當So>Do/6或P/ 2 0

8、.385時，直管壁厚應根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應力及材 料特性等因素綜合考慮確定。2）對于外壓直管的壁厚應根據(jù)GB 150-1998鋼制壓力容器規(guī)定的方法確定。7. 管道上的荷載 管道上可能承受的荷載有：1）重力荷載，包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；2>3>等;4>壓力荷載，壓力荷載包括內(nèi)壓力和外壓力；位移荷載，位移荷載包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降風荷載；地震荷載；6> 瞬變流沖擊荷載，如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時的壓力沖擊；7> 兩相流脈動荷載；8> 壓力脈動荷載，如往復壓縮機往復運動所產(chǎn)生的壓力脈動；9> 機器振動荷載，如回

9、轉(zhuǎn)設備的振動。8. 管道端點的附加位移 在管道柔性設計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應考慮下列管道端點的 附加位移：1> 靜設備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移；2> 轉(zhuǎn)動設備熱脹冷縮在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；3> 加熱爐管對加熱爐進出口管道施加的附加位移；4> 儲罐等設備基礎沉降在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；5> 不和主管一起分析的支管，應將分支點處主管的位移作為支管端點的附 加位移。9. 管道布置管道的布置盡量利用自然補償能力：1> 改變管道的走向，以增加整個管道的柔性；2> 利用彈簧支吊架放松約束；3> 改變設備布置。4> 對于

10、復雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L 形、n形、z形等管段。確定管道固定點位置時，宜使兩固定點間的管段能夠自然 補償。10. 宜采用計算機分析方法進行詳細柔性設計的管道1>操作溫度大于400 C或小于50 C的管道；2> 進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道；3> 進出反應器的高溫管道；4> 進出汽輪機的蒸汽管道；5> 進出離心壓縮機、往復式壓縮機的工藝管道；6> 與離心泵連接的管道， 可根據(jù)設計要求或按圖 1-1 確定柔性設計方法；圖 1-1 與離心泵連接管道柔性設計方法的選擇7> 設備管口有特殊受力要求的其他管道；8> 利用簡

11、化分析方法分析后，表明需進一步詳細分析的管道。11. 不需要進行計算機應力分析的管道1> 與運行良好的管道柔性相同或基本相當?shù)墓艿溃?> 和已分析管道相比較， 確認有足夠柔性的管道；3> 對具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束并能滿足 式 (1> 和式 (2> 要求的非極度危害或非高度危害介質(zhì)管道。DoY/(L-U>2 < 208.3(1>Y = ( / X2+ / Y2+ / Z2>1/2(2)式中：DO管道外徑，mm ;Y管道總線位移全補償值，mm ; x、Ay> Az分別為管道沿坐標軸x、y、z方向的線位移全補償

12、值，mm ;L管系在兩固定點之間的展開長度，m;U管系在兩固定點之間的直線距離，m。式 ( l )不適用于下列管道：(1> 在劇烈循環(huán)條件下運行，有疲勞危險的管道：(2>大直徑薄壁管道(管件應力增強系數(shù)i :(3> 不在這接固定點方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道;(4>L/U>2.5的不等腿"U"形彎管，或近似直線的鋸齒狀管道。12. 管道端點無附加角位移時管道線位移全補償值計算 當管道端點無附加角位移時，管道線位移全補償值應按下列公式計算：/ X=/ XB- / XA- / XtAB/ Y=/ YB- / YA- / YtAB/ Z

13、=/ ZB- / ZA- / ZtAB/XtAB =a 1(XB -XA) (T -"0)/YtAB =a 1(YB -YA) (T -"0)/ZtAB =a 1(ZB -ZA) (T TO)式中：/X、/ 丫、/ Z 分別為管道沿坐標軸X、丫、Z方向的線位移全補償值， mm：/XA、/ YA、/ZA分別為管道的始端A沿坐標軸X、丫、Z方向的附加線 位移， mm ；/XB、/ YB、/ZB分別為管道的末端B沿坐標軸X、Y、Z方向的附加線 位移， mm ；/XtAB、/ YtAB、/ ZtAB分別為管道AB沿坐標軸X、Y、Z方向的熱伸 長值， mm ；a t F道材料在安裝溫

14、度與計算溫度間的平均線膨脹系數(shù)，mm/mm C；XA、 YA、ZA管道始端A的坐標值，mm ;XB、 YB、ZB管道末端B的坐標值，mm ;T管道計算溫度，C；TO管道安裝溫度，C。13. 例題 利用判別式解題有兩種方法： 第一種方法注意如下四點和上面 “”、 “”號的取值。1> 假定一個始端， 一個終端2> 始端固定， 終端放開3> 熱膨脹方向由始端向終端4> 熱伸長量取正直 第二種方法注意如下四點。和 SH/T 3O41-2OO2 中的公式一致 1> 假定一個始端， 一個終端2> 始端固定， 終端放開3> 熱膨脹方向由始端向終端4> 建立坐標

15、系， 端點附加位移和熱伸長量與坐標軸同向取 “”， 與坐標軸反 向取 “”。上題計算如下：/ Y=/YB /YA /YtAB = 0 4 12 = 16 mm/ Y=/YB /YA /YtAB = 4 ( 5> ( 20> = 29 mm/ Z=/ZB /ZA /ZtAB = 2 0 ( 24> = 26 mmY=( / Y2 + / Y2 + / Z2>1/2 = ( 16>2 + 292 + 2621/2 = 42.1 mmDOY/(LU>2 = 159*42.1/(14 8.4>2 = 6693.9/31.36 = 213.45 > 208

16、.3 所以需要進行詳細分析， 與上面的計算結果不同。這里需要說明的是， 不是計 算過程錯誤， 而是新舊標準管徑取的不一致， 新標準為外徑。第三章 補償器的選用 首先應利用改變管道走向獲得必要的柔性，但因為布置空間的限制或其他原因 也可采用補償器獲得柔性。1. 補償器的形式壓力管道設計中常用的補償器有三種：n型補償器、波形補償器、套管式或球形補償器2. n型補償器n型補償器結構簡單、運行可靠、投資少，在石油化工管道設計中廣泛采用。 采用n形管段補償時，宜將其設置在兩固定點中部，為防止管道橫向位移過 大，應在n型補償器兩側(cè)設置導向架。3. 波形補償器波形補償器，補償能力大、占地小， 但制造較為復雜

17、，價格高，適用于低壓大 直徑管道。1> 波形補償器條件(1>比用彎管形式補償器更為經(jīng)濟時或安裝位置不夠時。 (2>連接兩個間距小的設備的管道。其補償能力不夠時。(3>為了減少壓降，推力或振動，在工藝過程上可行而且在經(jīng)濟上合理時。 (4>為了保護有嚴格受力要求的設備嘴子。2> 波形補償器的形式及適用條件(1>直管段使用軸向位移型；(2>兩個方向位移的L形，Z形管段使用角型；(3> 三個方向位移的 Z 形管段使用萬向角型；(4>吸收平行位移的使用橫向型。3> 選用無約束金屬波紋管膨脹節(jié)時應注意的問題(1> 兩個固定支座之間的管

18、道中僅能布置一個波紋管膨脹節(jié)；(2> 固定支座必須具有足夠的強度，以承受內(nèi)壓推力的作用；(3> 對管道必須進行嚴格地保護，尤其是靠近波紋管膨脹節(jié)的部位應設置導向 架，第一個導向支架與膨脹節(jié)的距離應小于或等于 4DN ，第二個導向支架與第 一個導向支架的距離應小于或等于 14DN ，以防止管道有彎曲和徑向偏移造成 膨脹節(jié)的破壞；4> 帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的類型 帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的共同特點是管道的內(nèi)壓推力 (俗稱盲板力)沒有作 用于固定點或限位點處，而是由約束波紋管膨脹節(jié)用的金屬部件承受。(1> 單式鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及銷軸和鉸鏈板組成，用于吸收 單平面

19、角位移；(2> 單式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及萬向環(huán)、銷鈾和鉸鏈組 成，能吸收多平面角位移；(3> 復式拉桿型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及拉桿組成，能 吸收多平面橫向位移和拉桿問膨脹節(jié)本身的軸向位移；(4> 復式鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和鉸鏈板 組成，能吸收單平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；(5> 復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和鉸鏈板組 成，能吸收互相垂直的兩個平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；(6> 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，由一個工作波紋管或用中間管連接的兩個工作波 紋管及一個平衡波紋管構成，工作

20、波紋管與平衡波紋管間裝有彎頭或三通，平 衡波紋管一端有封頭并承受管道內(nèi)壓，工作波紋付和平衡波紋管外端間裝有拉 桿。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移和 /或橫向位移。拉桿能約束波紋管壓力推 力 . 常用于管道方向改變處；(7> 直管壓力平衡型膨脹節(jié)，一般位于兩端的兩個工作波紋管及有效面積等于 二倍工作波紋管有效面積、位中間的一個平衡波紋管組成，兩套拉桿分別將每 一個工作波紋管與平衡波紋管相互連拔起來。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉 桿能約束波紋管壓力推力。5> 波紋管膨脹節(jié)在施工安裝中應注意的問題(1> 膨脹節(jié)的施工和安裝應與設計要求相一致；(2> 膨脹節(jié)的安裝使用應嚴格按照產(chǎn)品安

21、裝說明書進行；(3> 禁止采用使膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)整管道的安裝偏差；(4> 固定支架和導向支架等應嚴格按照設計圖紙進行施工，需要改動時應經(jīng)原 分析設計人員認可；(5> 膨脹節(jié)上的箭頭表示介質(zhì)流向，應與實際介質(zhì)流向相一致，不能裝反；(6> 安裝鉸鏈型膨脹節(jié)時，應按照施工圖進行，鉸鏈板方向不能裝錯；(7> 在管道系統(tǒng) (包括管道、膨脹節(jié)和支架等)安裝完畢，系統(tǒng)試壓之前，應將 膨脹節(jié)的運輸保護裝置拆除或松開。按照國標 GB/T 12777 的規(guī)定，運輸保護 裝置涂有黃色油漆，應注意不能將其他部件隨意拆除；(8> 對于復式大拉桿膨脹節(jié)，不能隨意松動大拉桿上的螺母，

22、更不能將大拉桿 拆除；(9> 裝有膨脹節(jié)的管道，做水壓實驗時，應考慮設置適當?shù)呐R時支架以承受額 外加到管道和膨脹節(jié)上的荷載。實驗后應將臨時支架拆除。3. 套管式或球形補償器 套管式或球形補償器因填料容易松弛，發(fā)生泄漏，在石化企業(yè)中很少采用。在 有毒及可燃介質(zhì)管道中嚴禁采用填料函式補償器。4. 冷緊1> 冷緊冷緊可降低操作時管道對連接設備或固定點的推力和力矩， 防止法蘭連接處彎 矩過大而發(fā)生泄漏。冷緊是將管道的熱應變一部分集中在冷態(tài)， 在安裝時 (冷 態(tài)>使管道產(chǎn)生一個初位移和初應力的一種方法。當管道沿坐標軸 X、y、Z 方向的冷緊比不同時，每個方向的冷緊值應根據(jù)該方 向的冷緊

23、進行計算。當管道上有幾個冷緊口時，沿坐標軸 X、y、Z 方向的冷緊 值分別為各冷緊口在相應坐標軸方向冷緊值的代數(shù)和。管道采用冷緊時，熱態(tài)冷緊有效系數(shù)取 2/3 ，冷態(tài)取 1。2> 連接轉(zhuǎn)動設備的管道不應采用冷緊 因為施工誤差使得冷緊量難于控制，另一方面，在管道安裝完成后要將與敏感 設備管口相連的管法蘭卸開，以檢查該法蘭與設備法蘭的同軸度和平行度，如 果采用冷緊將無法進行這一檢查。3> 自冷緊 如果熱脹產(chǎn)生的初應力較大時，在運行初期，初始應力超過材料的屈服強度而 發(fā)生塑性變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象， 在管道重新回到冷態(tài)時，則產(chǎn)生反方向的應力，這種現(xiàn)象稱

24、為自冷緊。但冷緊 不改變熱脹應力范圍。4> 冷緊比冷緊比是冷緊值與全補償量的比值。 對于材料在陽變溫度下工作的管道，冷緊比宜取 0.7 。對于材料在非蠕 變溫度下工作的管道，冷緊比宜取 0.5 。第四章 支吊架選用1. 管道跨距 管道基本跨距的確定實際上就是管系承重支架(或起承重作用的支架 >的位置和數(shù)量的確定，也就是說管系中承重支架的位置和數(shù)量應滿足管道基本跨距的要 求。為了簡化計算，對于水平連續(xù)敷設的管道，以三跨連續(xù)梁作為計算模型， 并按承受均布載荷 (指管道自重、介質(zhì)重和隔熱材料重之和 >分別根據(jù)剛度條件 和強度條件計算其最大允許跨距，取 (Ll 和 L2> 兩者

25、之間的小值。(|>剛度條件：Ll = 0.039(EtI/ q>1/4 ( 裝置內(nèi) >L'=l0.048(EtI/ q>1/4 ( 裝置外 > 式中L1、L'1 裝置內(nèi) （外>由剛度條件決定的跨距， m；Et 管材在設計溫度下的彈性模量， MPa；I 管子扣除腐蝕裕量及負偏差后的斷面慣性矩， mm4 ；q每M管道的質(zhì)量，N/m。<2）強度條件：L2 = 0.1（ otWV/q>1/2（不考慮內(nèi)壓 >L2 = 0.071（ otWV/q>1/2 （考慮內(nèi)壓 >式中c t 管材在設計溫度下的許用應力，MPa ;W 管

26、子扣除腐蝕裕量及負偏差后的抗彎斷面模數(shù)，mm3。I和W分別按以下二式計算：I = n <Do4-Di4） /64W = n <Do4Di4） /32Do式中 Di管道內(nèi)徑，mm ；Do 管道外徑， mm。2. 管道支吊架的形式：管道支吊架的用途為：1> 承受管道的重量荷載 （包括自重、介質(zhì)重和隔熱材科重等 >；2> 限制管道的位移，阻止管道發(fā)生非預期方向的位移；3> 用來控制管道的振動、擺動或沖擊。因此，管道支撐的位置確定、支撐型式的確定以及管道支吊架本身的強度設計 也主要是圍繞著上述支吊架的三個功能展開的。根據(jù)管道支吊架的用途可以分 為三大類：承吃吊架可調(diào)

27、剛性支吊架可變禪畫玄吊架恒力彈簧支吊架固走變架限制性立吊架跟位支架辱向支架防振克架減振器阻尼器固定架限制了三個方向的線位移和三個方向的角位移；導向架限制了兩個方向 的線位移；支托架（或單向止推架 限制了一個方向的線位移。3. 承重支吊架以支撐管道自重及其它持續(xù)載荷為目的的支吊架統(tǒng)稱為承重支吊架，它主要用 于防止管道因自重及其它持續(xù)載荷 如介質(zhì)重、隔熱材料重、雪載荷等）而導致 的管道強度或剛度超出標準要求。根據(jù)管道相對于支撐結構的空間位置不同，承重支吊架可分為支架和吊架兩大 類。支撐件將管道支撐在它的上方時，這類支撐件叫做支架。用可以空間擺動 的支撐件（吊桿將管道吊在其下面支撐時，這類支撐件叫做

28、吊架。支架和吊架 都可以完全或部分限制管道的向下位移，但二者的支撐效果有所不同。支架因 與支撐管道之間可能存在摩擦而使得管道的水平位移受到一定的阻礙，同時產(chǎn) 生摩擦力。支架的剛度也比較大，故其穩(wěn)定性較好。吊架對管道的約束剛度相 對較?。ǔQ直方向外 ，也不存在摩擦力，如果在一根較長的管道中吊架用的 太多，會使管系不穩(wěn)定， 故在一條管道中，一般不宜均用吊架進行支撐。根據(jù) 承受管道重量的特點不同，承重支吊架又分為剛性支吊架、可調(diào)剛性支吊架、 可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架四類。1> 剛性支吊架剛性支吊架僅限制管道一個方向（通常為-Y方向的自由度。它常用于管道在支撐點無向上垂直熱位移和附加位移

29、的情況下，或用于支撐點有較小的向下位移 和附加位移但不會由此在管系中造成較大的管系力的情況下。剛性支吊架是應 用最多的一種支吊架。根據(jù)應用場合和生根條件的不同，常用的剛性支吊架系 列有平 （彎>管支托、假管支托、懸臂支架、臨管支架等。2> 可調(diào)剛性支吊架可調(diào)剛性支吊架是一般剛性支吊架的一種特殊型式，即通過旋擰可調(diào)螺絲，使 支吊架的高度在一定范圍內(nèi)得到調(diào)整，用于有少量豎直方向的熱位移或附加位 移的場合。在工作工況下，當支撐點有豎直方向的熱位移或附加位移時，會使 管道脫離支架 （俗稱支架脫空 >而起不到支撐作用，或使支架被頂死而產(chǎn)生較大 的管系力，此時應采用下面將要介紹的彈簧支吊

30、架。如果支撐點豎直方向的熱 位移或附加位移比較小而且又位于容易接近的地方時，采用可調(diào)剛性支吊架比 彈簧支吊架會更經(jīng)濟、更方便。3> 可變彈簧支吊架可變彈簧支吊架適用于支撐點有垂直位移、用剛性支吊架會脫空或造成過大熱 脹推力的場合。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會造成一定的荷 載轉(zhuǎn)移。為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應控制在 25% 以下。當然，有時根據(jù)實際需要而有意識地去分配管系在各支撐點的載荷，即 有意識地給定一個較大的安裝載荷而獲得較大的載荷轉(zhuǎn)移。常用強型的可變彈 簧支吊架有支、吊兩種，根據(jù)載荷情況和受力條件還可采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種型 式。4> 恒力彈簧

31、支吊架恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點垂直位移量較大或管系受為要求較苛刻的場 合。通過采用恒力彈簧支吊架，可以避免管道支撐點冷態(tài)和熱態(tài)的受力變化太 大而導致管系本身的應力或相連設備的受力超標。恒力彈簧的恒定度應小于或 等于 6% ，以保證支吊點發(fā)生位移時，支承力的變化很小。恒力彈簧支吊架一 般采用描架型式，且根據(jù)受力情況可并聯(lián)使用。如果認為剛性支吊架的剛度理論上為無窮大的話，那么恒力彈簧支吊架的剛度 理論上則為零，而可變彈簧支吊架的剛度介于二者之間，它等于彈簧產(chǎn)生單位 變形所需要的力。4. 限位支吊架 以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的支吊架稱為限位支吊架。管系受 熱而發(fā)生熱脹時，管系中的

32、各點將發(fā)生位移。在管系中適當設置限位支吊架， 可控制支撐點的位移或某些方向的位移，使管系的變形或各點的位移朝著有利 于保護敏感設備或有利于熱補償?shù)姆较蜻M行。根據(jù)對管系熱位移約束的方式不 同，限位支吊架又可分為固定支架、導向支架和止推支架三種。1> 固定支架固定支架可限制管道支撐點三個方向的線位移和三個方向的 角位移，因此它常用于管道上不允許有任何位移的地方。固定支架一般同時又 能起承重作用。常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托兩種。2> 導向支架 導向支架可限制管道支撐點兩個方向的線位移，因此常用于引導管道位移方 向、使管道能沿軸向位移而不能橫向位移的情況。當用于水平情況時

33、，導向支 架又同時能起承重作用。常用的導向支架型式有管托型導向支架、光管型導向 支架、管卡型導向支架等型式。3> 止推支架 止推支架常代替固定支架用于限制管道的軸向位移。根據(jù)限位方式的不同，常 用的止推支架又分為"+X/+Z"和"-X/-Z"雙向止推支架和"+X/+Z"或"-X/-Z"單向止 推支架兩種。常用的止推支架為單向止推架，它可限制管道支撐點一個方向的 線位移。5. 防振支架 專門用于控制管道振動的支吊架叫做防振支架。防振支架常用于控制或緩解往 復式機泵迸出口管道或由地震、風載荷、水擊、安全閥排出反力

34、引起的管道振 動場合。應該說，前面所講的支吊架類型中，除吊架以外，其它支架都在某種程度上起到防振作用，但它們中要么防振作用的效果不好，要么會帶來其它問 題 （如降低或限制了管系的熱補償能力 ，因此，項目上對于防振情況則給出了 專用支架。常用的防振支架主要有兩類，其一是防振管卡，其二是阻尼器。 1 防振管卡 防振管卡能有效地控制管系的高頻率強迫振動。防振管卡與固定支架不同，它 允許管道有一定的軸向位移而使管系不會因熱脹而破壞。防振管卡與一般的剛 性承重支架和導向支架不同它對管道施加了較大的剛度約束（從型式和數(shù)量上實現(xiàn)，且增加了架對管道的阻尼作用從而有效地阻滯了管系的振動。2 阻尼器 阻尼器與減振

35、支架的最大區(qū)別遮于它給予了管系較大的自由度，因而對連續(xù)強 迫型高頻機械振動的抑制效果較差，它常用于緩解瞬間激振（如主汽門突然關閉、泵突然停車、地震、水錘等 引起的有阻尼自由振動。項目上應用的阻尼器 有油壓式阻尼器、摩擦式阻尼器等。6. 目前項目上常用的彈簧支吊架主要有兩類： 即可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，而且已形成標準系列。對應的國家標準 為 GB10181 恒力彈簧支吊架和 GB10182 可變彈簧支吊架。1 可變彈簧支吊架的工作原理 可變彈簧支吊架的核心部件是一個被控制的圓柱彈簧，當被支撐管道發(fā)生豎向 位移時，會帶動圓柱彈簧的控制板使彈簧壓縮或被拉長。由虎克定律可知，此時彈簧壓縮或伸長

36、所需要的力 （也等于對管子的作用力 可 用下式表示：F=k式中F彈簧被壓縮或被拉長S量時所需要的力，N ;K彈簧剛度，N/mzmS 彈簧被壓縮或被拉伸的變形量，mm。彈簧剛度是一個只與彈簧自身參數(shù) （如彈簧直徑、彈簧材料等 有關的物理量， 一旦彈簧參數(shù)一定，它是個常數(shù) （在其允許總變形量的 30%70% 范圍內(nèi)是個常 數(shù)>。因此，此時彈簧對管道的作用力則與變形量成正比。項目上正是糊糊的這 一性質(zhì)來進行有垂直位移的管道支撐的。對于標準彈簧支吊架來說，彈簧都是經(jīng)過預壓縮然后裝入彈簧箱中的。因此，對于同樣一個變形量S,此時壓縮彈簧所需耍的力F應按下式計算：F = ( S 1+冰=S 1k+ S

37、 = k1 + k S式中S 1 單簧預壓縮的變形量，mmF1彈簧預壓縮時的壓縮力，N ;F、S k意義同前。設F為彈簧支吊架的工作載荷，并用符號 FG表示：設F1為彈簧支吊架的安裝 荷載，并用FA表示：設S為彈簧在由安裝載荷變?yōu)楣ぷ鬏d荷時的變形量，并 在彈簧被壓縮時取正號，被拉伸時取負號。 S 在管道支撐中即為管道支撐點的 豎直位移量，支撐點的豎直位移向上時取正號，向下時取負號?？勺儚椈芍У?架的選型公式為：FA = kS+FG2> 常用可變彈簧支吊架系列國家標準GB1018S共給出了 A、B、C、D、E、F、G七種標準型式，見圖所 示。A 型上螺紋懸吊型;B 型單耳懸吊型;C型一一雙

38、耳懸吊型；D型一一上調(diào)節(jié)擱置型；E 型下調(diào)節(jié)擱置型；F型一一支撐擱置型；G 型并聯(lián)懸吊型。7. 可變彈簧支吊架的選用 項目上，一般按熱態(tài)吊零的載荷分配原則確定彈簧支吊架的受力。所謂熱態(tài)吊 零，是指彈簧支吊架在熱態(tài)時承受的力應等于冷態(tài)時由管系分配給它的力。按 這樣的原則確定的彈簧支吊架受力使得整個管系中各支撐點承受的自重力在熱 態(tài)時比較均勻，但在熱態(tài)時管系中各點的總載荷會因位移荷載的作用而不再均 勻甚至會出現(xiàn)嚴重的不合理現(xiàn)象，為此，項目上有時也采用冷態(tài)吊零的載荷分 配原則。所謂冷態(tài)吊零是指彈簧支吊架在冷態(tài)時承受的載荷取冷態(tài)時由管系分 配給它的載荷。與熱態(tài)吊零相反，此時在熱態(tài)情況下管系各支撐點承受

39、的自重 載荷已不在均勻，而總載荷 （包括位移載荷 >則是自然分配。為防止可變彈簧支吊架引起管系在熱態(tài)或冷態(tài)時有較大的載荷轉(zhuǎn)移，項目上常 控制它的載荷變化率不超過 25 。根據(jù)這一限制條件，就可以確定彈簧支吊架 的剛度k。在確定彈簧支吊架的剛度時應遵守這樣一個原則：在彈簧支吊架能 滿足管系熱態(tài)和冷態(tài)的承載要求而且載荷變化率不超過規(guī)定值的情況下，應盡 可能選用剛度最小 （指最小規(guī)格和最小允許位移值 >的彈簧。按這樣的原則選取 的彈簧支吊架，其安裝尺寸最小，價格最便宜，而且實際的載荷變化率最小。 1> 串聯(lián)可變彈簧支吊架的選用 當管系中某點的垂直位移量較大時，從標準彈簧支吊架表中可

40、能已選不到合適 的彈簧支吊架，即要么找不到最大工作位移能滿足載荷要求的標準系列，要么 因剛度較大而使載荷變化率超出標準要求，此時可考慮采用串聯(lián)可變彈簧支吊 架。彈簧串聯(lián)時，應選最大載荷相同的彈簧，即彈簧的牌號相同，以保證每個 彈簧的工作載荷和安裝載荷都落在允許范圍內(nèi)，而此時每個彈簧變形量則按其 剛度的大小成反比分配。2> 并聯(lián)可變彈簧支吊架的選用 當管道支撐點的載荷超出標準可變彈簧支吊架的最大允許載荷時，或者受支撐 條件（如豎管支撐 >、生根條件等限制不宜采用單個可變彈簧支吊架進行支撐 時，可選用兩個或兩個以上的可變彈簧支吊架并聯(lián)支撐?？勺儚椈芍У跫懿⒙?lián) 使用時，各彈簧應為同一型號

41、，以避免各彈簧支承力不同而導致管子的傾斜或 偏轉(zhuǎn)。并聯(lián)時的各彈簧變形量相同，均等于管道在支撐點的位移量。并聯(lián)后的 彈簧支吊架總剛度等于各分彈簧支吊架的剛度之和，即 n 個彈簧支吊架并聯(lián)時 其總剛度為k = k1 + k2 + kn，而各分彈簧承受的載荷平均分配，并等于 總載荷的 1/n。3> 可變彈簧支吊架的安裝要求可變彈簧支吊架在安裝前務必要壓縮到要求的安裝定位刻度(與安裝載荷對應的刻度值 >，并用定位銷進行定位。設置定位銷的另一個作用是使可變彈簧支吊 架起暫時成為一個剛性支架，可以防止諸如水壓實驗等非工作工況下因管道載 荷臨時增加而引起的不利影響，對于大直徑氣體管道更應考慮這個

42、問題。管系 在工作狀態(tài)下，有時也會出現(xiàn)非預期的載荷突然增加現(xiàn)象，如減壓轉(zhuǎn)油線的"淹塔"現(xiàn)象。 "淹塔"現(xiàn)象會造成管內(nèi)液體的突然驟增，從而使其彈簧支吊架承受的 載荷也驟然增大，彈簧支吊架的變形量也將隨之增大，使管系出現(xiàn)較大的載荷 轉(zhuǎn)移，從而可能造成相鄰支架或設備接口處的超載破壞。對于可能出現(xiàn)上述現(xiàn) 象的管系，項目上常在彈簧支吊架的附近設置保險桿，以控制彈簧的最大變形 量，即當彈簧支吊架的變形量超過某一規(guī)定值時，保險桿將受力而成為剛性支 撐。可變彈簧支吊架的定位銷應在管系水壓實驗之后、裝置開車升溫之前拆 除。8. 恒力彈簧支吊架 當管系在支撐點的豎向位移較大

43、而選用可變彈簧會引起較大的載荷轉(zhuǎn)移時，應 考慮選用恒力彈簧支吊架。所謂的豎向位移較大只是一個相對概念，關鍵要看 若選用可變彈簧支吊架時是否會引起較大的載荷轉(zhuǎn)移，而且較大的載荷轉(zhuǎn)移能 否為管系自身強度和邊界條件所接受。如果管系的柔性不好，剛度較大，那么 既使在較小的位移值情況下，也會引起支撐點熱態(tài)和冷態(tài)的載荷差值較大，此 時為減少載荷變化率也宜采用恒力彈簧支吊架。嚴格說來，恒力彈簧在其工作 過程中對管道支撐點的力并不是恒定不變的，這是因為彈簧支架各運動部件之 間存在摩擦力，而且各部件的尺寸、彈簧的剛度等都可能存在制造偏差，這些 因素都會導致恒力彈簧在其工作行程范圍內(nèi)對支撐點的力有少量的變化。一般

44、 情況下，標準恒力彈簧支吊架在其全程位移過程中的最大和最小載荷偏差應控 制在某個數(shù)值范圍內(nèi)，而項目上常用恒定度這一概念來評判恒力彈簧的載荷變 化。所謂恒定度是指恒力彈簧在其全行程范圍內(nèi)的最大、最小載荷值之差與最 大、最小載荷值之和的百分比，用式子表示即為：D = (Fmax Fmin>/ (Fmax + Fmin> X 100%式中D恒力彈簧的恒定度。一般情況下， D應不大于6%Fmax 恒力彈簧在全行程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大載荷值， N；Fmin 恒力彈簧在全行程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最小載荷值，N。1> 恒力彈簧支吊架的工作原理當恒力彈簧支吊架承受一個管道載荷磯時，F(xiàn)1將產(chǎn)生一個相對于0

45、點的轉(zhuǎn)動力矩 M1 。 M1 將拉動三連桿 AOB 向下轉(zhuǎn)動，同時三連桿會帶動 B 點向右移 動，從而使彈簧受到壓縮，產(chǎn)生一個彈簧力 F2。 F2 相對于主軸 0 點也將產(chǎn)生 一個轉(zhuǎn)動力矩M2。通過適當?shù)慕Y構和力的平衡設計，可以使兩個力矩M1和M2 始終保持平衡，并通過適當?shù)慕Y構尺寸設計，在保持力矩平衡的情況下， 只不斷變換位置但大小不變，即實現(xiàn)對管道的恒力支撐。2> 恒力彈簧支吊架的選用 換句話說，吊架的承載能力與其結構設計有關。因此，支撐點的管道載荷是選 擇恒力彈簧吊架的參數(shù)之一。根據(jù)熱態(tài)吊零原則，一般取管道荷載為冷態(tài)情況 下管系的分配載荷。另外，受吊架中各運行部件的結構限制，吊點的

46、位移是有 限制的，甚至它不能按運行部件的最大運行位置來確定吊點的位移范圍，因為 運行部件到達極限位置時，會造成較大的承載偏差值。因此，對于一個結構參 數(shù)一定的恒力彈簧吊架，它允許的最大位移值也是確定的。或者說，管道上時 最大位移量也是確定恒力彈簧吊架的參數(shù)之一。有關的標準已將常用的恒力彈 簧吊架進行了系列化，并對它進行了編號，每個編號的吊架其允許的最大承載 和最大位移己列表給出，設計人員只要根據(jù)管道支撐點的載荷和位移查表即可 確定所需要的恒力彈簧吊架規(guī)格型號。9. 在管道中多設彈簧支吊架更安全嗎？ 不一定更安全，因為彈簧支吊架的剛度遠低于剛性支吊架，所以過多設置彈簧 支吊架會使管系各點位移方向

47、失去控制，管系穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生偏斜和振 動。10. 為什么要在高聳設備布置的豎直管道上設置導向架？如何設置？ 答：為了約束由風裁、地震、溫度變化等引起的橫向位移。沿直立設備布置的 立管應設置導向支架。立管導向支架間的允許間距應符合下表規(guī)定：管道公稱氣體管道血1直徑mm遞管困3i401007.05.76A1509.8"?.3poo11.310.1®.33.225012.5116P.894poo13.712310 410.114613.410.710.4如015.514311.311.045016.515211.61L6坯17.416,212J12.2eoo19.218 01

48、3.413.4刊品血_|filJ61|5.511. 為什么在沿反應器布置的高溫豎直管道上，通常要設置彈簧支吊架？答：沿反應器布置的高溫管道與反應器之間，或高溫管道與構架之間有較大的 位移差，所以通常要設彈簧支吊架來承受管道荷重。12. 管道在支架上滑動的軸向最大允許位移量不宜超過定型滑動管托長度的 40%，以免管道在熱脹時將管托滑落于支架梁的下面，而在冷縮時不能恢復原 位造成管道或支架損壞。如在補償值允許的范圍內(nèi)，管道的位移量超過管托長 度的40%時，可將管托長度適當加大。13. 支吊架的位置確定從前面的介紹中可以看出，不同的支吊架型式對生根條件有不同的要求，而從 保障管系的自身強度、穩(wěn)定性、

49、防振以及對邊界條件的要求來說，總存在著在 管系的某個地方支撐、并以特定的支架型式支撐為最理想。上述的兩個條件有 時是矛盾的，即最理想的支撐位置并不一定具備支架生根條件，可用的生根條 件并不一定滿足最理想的支架型式需要。要處理好這樣的問題是比較難的，或 者說要將它上升到理論上去論述是比較難的，有時項目經(jīng)驗比理論更適用。實 際的空間管系也是多樣化的。1> 基本原則(1> 對于不同的管系，在確定其支吊架位置時都應遵守下列基本原則：管道支 吊架的位置、數(shù)量、型式等應能滿足管系靜應力分析的要求。這個要求包括管 系自身的強度、穩(wěn)定性、最大位移以及對相連設備、生根設施的力學要求； (2>

50、管道支吊架的位置、數(shù)量、型式應能滿足管系動應力分析的要求。這個要 求包括管系對管道的機械振動、水擊、放空反沖擊、地震、風載等載荷作用下 的力學要求；(3> 管道支吊架應具備相應的生根條件。當該條與上述兩條發(fā)生沖突肘，應考 慮改變管系的走向，最終使上兩條要求得到滿足；(4> 支吊架應盡可能利用已有的建構筑梁柱、平臺、設備本體、加熱爐鋼結 構、地面等作為生根點。對于有可能集中支撐的管道，應盡可能選擇適宜的地 方和方式集中支撐；(5> 支吊架位置應不妨礙操作人員的通行、設備的檢修和管道的拆卸等；(6> 支吊架的位置尚應考慮經(jīng)濟性原則。例如，對于管道比較集中的管廊，其 跨距應視

51、多數(shù)管道的允許跨距而定，而不宜以少數(shù)較小直徑管道的允許跨距確 定；(7> 支吊架的位置應盡可能整齊有序，使支撐效果美觀大方。2> 承重支吊架位置的確定承重支吊架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：(1> 支吊架位置應能滿足管道最大允許跨度的要求?？缇嘁笠姾竺嫠觯?2> 當有集中載荷時，支架應布置在靠近集中載荷的地方，以減少偏心載荷和 彎曲應力；(3> 在敏感設備 (泵、壓縮機 >的附近，宜設置承重支架，以防止設備嘴子承受 過大的管道荷載；(4> 支吊架應設在彎管和大直徑三通式分支管附近；(5>當塔器的水平管嘴直接安裝 DN注15

52、0的閱門時，應在閥門附近設承重支 架；(6> 沿立式容器、立式設備等敷設的豎直管道，應在盡可能靠近嘴子處的豎管上設承重支架；(7> 一般較長的豎直管道，應在靠近上面的端部設承重支架；(8> 當某些管道元件需要拆卸移走或相連設備需要拆卸移走時，應考慮相連管 子的穩(wěn)定性必要時應設承重支架。3> 固定支架位置的確定 固定支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：(1> 對于復雜管系，可用固定支架將它劃分成幾個形狀較先簡單的管段，如 L形管段、U形管段、Z形管段等，以便分段遇行分析計算和柔性設計；(2> 確定管道固定支架位置時，應使其有利于兩固定點之間管

53、段的自然補償；(3>選用n形補償器時，宜將其設置在兩固定支架的中部不能位于兩固定支架的中部時，n型補償器距固定支架的距離不宜小于兩支架間距的1/3 ;(4> 固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；(5> 固定支架應設置在需要承受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道多方向位 移的地方；(6> 迸出裝置的工藝管道和非常溫的公用項目管道，宜在裝置分界處設固定支架；(7> 落地生根的調(diào)節(jié)閱組、蒸汽分配管、其它閥組和分配管等，應一端設固定 支架，但此時固定支架的位置不應阻礙管系的熱補償。4> 導向支架位置的確定(1> 豎直管道較長時，為了防止因風載荷等引起的管道大

54、幅度振動或擺動，應 在中間若干位置設置導向支架，以增加其穩(wěn)定性。(2> 管廊上管道直線距離較長而且中間無固定點和止推支架時，應在中間若干 點設置導向支架，以防止管道產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定：(3> 管道在拐彎處有較大位移并影響到鄰近管道或其它設施時，應在適當位置 設置導向支架；(4> 允許管道軸向位移而不允許橫向位移的位置應設置導向支架；(5>水平設置的n型補償器兩側(cè)應設置導向支架，導向支架距補償器的中心位 置應為 32DN42DN ；(6> 水平設置的自由型波紋管膨脹節(jié)兩端應設置若干導向支架，第一組導向支 架距膨脹節(jié)中心位置應不大于 4DN，第二組導向支架距第一組應不大于

55、 14DN ；(7> 導向支架的位置應不影響管道的自然補償。一般情況下，管道的彎頭、分 支處不應設導向支架。5> 限位支架位置的確定 限位支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：(1> 限位支架在某些場合可代替固定支架，如補償器的兩端，裝置邊界線的管 道固定點等；(2> 在熱態(tài)情況下，當管系的熱脹方向朝向敏感設備嘴子時，可在適當?shù)奈恢?設置逆熱膨脹方向的止推支架；(3> 剛度較大的管道對設備、設備基礎等產(chǎn)生較大推力時，可在適當?shù)奈恢迷O 止推支架。1> 防振支架位置的確定 防振支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應符合下列要求：(1> 有

56、機械振動的管道，應設防振管卡。防振管卡的數(shù)量及位置應滿足管系動 應力分析的要求；(2> 有地震設防要求的管道應在適當位置設置防振支架；(3> 可能發(fā)生水擊、兩相流等而且能引起管道的振動時，應在適當位置設置防 振管卡；(4> 防振支架的生根部分應有足夠的剛度；(5> 防振支架應盡量沿地面設置；(6> 防振支架宜設獨立基礎，并避免生根在廠房的梁柱上。14. 摩擦系數(shù)1> 在管道柔性設計中，應考慮支架摩擦力的影響，摩擦系數(shù)應按下表選取。b礙型 接觸面障擦系數(shù)P滑動摩撓鋼對混凝土1613聚四氟乙烯對不捷鋼11.滾動摩擦鋼對鋼D.1|2重要關系進行應力分析時應考慮摩擦

57、力對整個管系的受力分配。3對于轉(zhuǎn)動設備應盡可能采用吊架，以減少摩擦力對設備嘴子受力的干擾。4當采用吊桿或彈簧吊架承受管道荷載時，可不考慮摩擦力的影響。15. 例題彈簧支吊架編號 彈簧號)的選定當用計算機程序?qū)艿肋M行應力分析時，某些程序有自動選擇彈簧支吊架的功 能，人工計算時，可根據(jù)彈簧所能承受的最大荷載和管道最大的垂直位移量選 擇彈簧。管道的最大垂直位移量，可按本章第四節(jié)介紹的方法計算，彈簧所承 受的最大荷載由下述原則確定。管道熱位移向上時：安裝荷載=工作荷載+位移量烏單簧剛度管道熱位移向下時：安裝荷載=工作荷載一位移繭烏單簧剛度CD42135-89系列彈簧荷載選用見表15 2 42。使用此

58、表時，把管道的基本 荷載視為彈簧的工作荷載，再根據(jù)位移方向及大小，在表中查出安裝荷載。查 出安裝荷載后，再根據(jù)下式計算荷載變化率，使其小于或等于25 %:荷載變化率=|PG PA|) /PG X 100 %2%式中 PG工作荷載；PA安裝荷載。例1 :某根管道的工作荷載為7628 N，運行時位移向上，位移量為10 mm，根 據(jù)管道安裝要求，需采用 A型吊架，試選擇吊架型號：解：(l> 查表 15-2-42 ，暫定該吊架位移范圍為 VS30(2> 在表 15-2-42 的中線和上粗線之間查得工作荷載 (基本荷載 >為 7628 N 的彈 簧編號為 13。(3> 以 7623 N 對應的 VS30 刻度值向下 l0 mm 查得安裝荷載為 9123 N 。 (4>驗算彈簧荷載變化率：(|7628 9123|>/7628 X 100 %= 19.6%< 25%(5>選用吊架型號為 VS30A13。當所選用的彈簧其荷載變化率 25% 時，應減小彈簧剛度，另選位移范圍大一 級的彈簧。例2 :某管道工作荷載為17350 N，運行時位移向上，位移量為12 mm。根據(jù)管道安裝要求需采用 G