張京周，劉家楨

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

隨著國內(nèi)大型LNG接收站的建設(shè)與開工運(yùn)營數(shù)量穩(wěn)步上升，大型LNG接收站中的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)日臻成熟。LNG卸料管道，管徑大，設(shè)計(jì)溫度低，其設(shè)計(jì)的安全性要求較高。卸料管線自碼頭敷設(shè)至LNG儲(chǔ)罐，一般LNG儲(chǔ)罐的高度大于40 m，為防止管道支吊架托空，合理分配荷載，需在管道上設(shè)置彈簧支吊架。本文以某大型LNG接收站為例，分別選用可變彈簧和恒力彈簧支吊架，利用CAESAR II軟件進(jìn)行管線應(yīng)力模擬，比較分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)項(xiàng)目的開展提供借鑒。

1 彈簧支吊架簡介

在裝置運(yùn)行過程中，管道通常會(huì)因溫度等因素發(fā)生膨脹或收縮。如果管道的支吊架設(shè)計(jì)只布置剛性管架，管道的形變極易引起支吊架托空或頂死，從而導(dǎo)致相鄰支吊架或設(shè)備管口受力增加甚至破壞。為解決這一問題，合理的在管道上設(shè)置彈簧支吊架是目前最為行之有效的方法之一[1]。

1.1 彈簧規(guī)范

彈簧支吊架是承重支吊架的一個(gè)重要構(gòu)成部分。在工程上，根據(jù)支吊架受力情況，常用的彈簧支吊架可大致分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。彈簧支吊架常用標(biāo)準(zhǔn)主要是《恒力彈簧支吊架》(NB/T47038-2013)和《可變彈簧支吊架》(NB/T47039-2013)，另外還有一部由上?；ぴO(shè)計(jì)院編制的《變力彈簧支吊架》(HG/T20644-1998)，其與《可變彈簧支吊架》除了彈簧型號(hào)編制方法不同以外，對彈簧特性的描述基本一致。

1.2 可變彈簧支吊架

可變彈簧支吊架的允許使用位移范圍為0～120 mm，允許工作荷載為154～217384 N，使用溫度范圍為-20～200℃[2]。在選用可變彈簧支吊架時(shí)，需要綜合考慮支撐點(diǎn)的荷載，位移以及管道周圍的有效安裝空間，從而來確定彈簧的形式、適用編號(hào)及安裝荷載。有時(shí)為滿足支撐點(diǎn)較大的位移或荷載，可適當(dāng)?shù)膶⒍鄠€(gè)彈簧串聯(lián)或并聯(lián)。在選用過程中，需注意一個(gè)重要的判據(jù)，即荷載變化率。目前國內(nèi)外各廠商大多將該值限制在25%左右。這一方面是由于荷載變化率越大，意味著越多的荷載被轉(zhuǎn)移，應(yīng)力分布不夠均勻；另一方面也是歷史痕跡的遺留[3]。

1.3 恒力彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架有著更大的位移和荷載使用范圍，分別是50～400 mm和123～364120 N[4]。當(dāng)管道支撐點(diǎn)的位移或荷載較大時(shí)，可考慮使用恒力彈簧。而且從理論上來說，恒力彈簧的剛度為零，即彈簧的荷載不會(huì)隨彈簧位移的變化而變化。因此不會(huì)引起荷載的轉(zhuǎn)移。實(shí)際情況來講，恒力彈簧荷載變化值只有1%，但也有些產(chǎn)品在實(shí)際調(diào)整時(shí)，荷載范圍可達(dá)±10%。恒力彈簧支吊架在上下位移的整個(gè)過程范圍內(nèi)的規(guī)定載荷離差(包括摩擦力)不大于6%。

2 卸料管道支吊架設(shè)置

LNG卸料管線是接收站管道外徑最大的管線，在卸料時(shí)，管道會(huì)保持較低的溫度，不工作時(shí)，也需進(jìn)行保冷循環(huán)。卸料管線沿罐壁敷設(shè)垂直距離較長，管道在常溫到達(dá)操作溫度時(shí)，管道會(huì)收縮，管道位移量較大。為避免管線上剛性支架的托空，管道荷載集中，設(shè)置彈簧支架是最有效的一種手段。

2.1 管道特性

LNG密度為432～474 kg/m3，LNG卸料管公稱直徑為DN950，管道壁厚等級(jí)為XS，設(shè)計(jì)壓力為1.86 MPa，操作壓力為0.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為-165℃，操作溫度為-160℃。

2.2 管道彈簧支吊架設(shè)計(jì)方案

卸料管管道上彈簧支架的支架設(shè)置，目前大致有兩種設(shè)計(jì)方案，方案一：設(shè)置單一恒力彈簧支吊架，將彈簧設(shè)置在靠近管道上罐之前最后一個(gè)彎頭附近的支架上。此種設(shè)置方法的目的是將管道的主要重量集中于管道的下方，由地面上設(shè)置的構(gòu)筑物來承受管道的荷載。

圖1 方案一 CAESAR II中管道應(yīng)力模型

圖2 方案二 CAESAR II中管道應(yīng)力模型

方案一(圖1)只設(shè)置了一個(gè)彈簧，在節(jié)點(diǎn)30處。管線沿罐壁敷設(shè)時(shí)，設(shè)置多個(gè)承重導(dǎo)向支架。

方案二(圖2)設(shè)置多個(gè)可變彈簧支吊架，分別設(shè)置上罐平臺(tái)上(離管道上罐之前最后一個(gè)彎頭較遠(yuǎn))、罐壁上(管道沿罐壁敷設(shè)時(shí)第一個(gè)支架設(shè)雙簧)以及罐頂平臺(tái)上(罐頂?shù)谝粋€(gè)支架)。該方法能夠?qū)⒐艿篮奢d較為均勻的分布在各彈簧支吊架上，避免管道托空或應(yīng)力集中。

方案二設(shè)置三組可變彈簧，分別位于節(jié)點(diǎn)20、節(jié)點(diǎn)50(雙簧)和節(jié)點(diǎn)100處。管線沿罐壁敷設(shè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)60處設(shè)置導(dǎo)向支架，節(jié)點(diǎn)70和80處設(shè)置承重導(dǎo)向支架。

2.3 支吊架荷載分布

在方案一(設(shè)置單一恒力彈簧)和方案二(設(shè)置多個(gè)可變彈簧)的支吊架設(shè)置下，卸料管支吊架在操作工況下的受力情況如表1所示。

表1 支吊架荷載分布表

從表1中可以看出，方案一中上罐平臺(tái)承受了較大的荷載，主要集中在節(jié)點(diǎn)30處。罐壁設(shè)置的支架均為承重導(dǎo)向架。因方案一設(shè)置更多的剛性支架，管道收縮比較明顯，操作工況下，管線的部分荷載轉(zhuǎn)移到了底部的彈簧(節(jié)點(diǎn)30)和上罐平臺(tái)上的第一個(gè)支架(節(jié)點(diǎn)100)之上。方案二中上罐平臺(tái)荷載較小，更多的荷載體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)50處，即沿罐壁敷設(shè)管線底部的第一組可變彈簧吊架處，操作工況下，因方案二設(shè)置較多的彈簧支架，荷載分配較為均勻，沒有較大的集中荷載出現(xiàn)。

表中N1和N2表示罐頂?shù)膬蓚€(gè)卸料管口。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，無論是水平方向或是垂直方向，方案一的兩個(gè)管口受力均要大于方案二中的管口受力。

3 結(jié)語

恒力彈簧支吊架占用空間較大，卸料管線由于其荷載原因，在選擇單彈簧支吊架時(shí)，只能選擇恒力彈簧支吊架(方案一)，在選擇多個(gè)彈簧支吊架時(shí)，可選擇三組可變彈簧(方案二)，完成荷載的合理分配。從管道應(yīng)力分析結(jié)果看：

(1)方案一剛性支架較多，集中荷載分布在上罐平臺(tái)和罐頂平臺(tái)上，給罐頂平臺(tái)的設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。方案二中荷載分布更為均勻，且有效降低了大罐管口荷載。

(2)彈簧支吊架有其自限性，如價(jià)格較貴，可靠性和穩(wěn)定性相對較差等[5]。方案一中適當(dāng)?shù)臏p少彈簧支吊架的使用，可提高裝置的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

(3)彈簧支架安裝較剛性支架繁雜，方案一(單彈簧)的安裝較方案二(多組彈簧)更為快捷。

綜上，兩種方案各有其優(yōu)勢與劣勢。在管道設(shè)計(jì)工作中，因方案一的可靠性和安裝便利性，成為優(yōu)選方案。如考慮設(shè)備管口荷載和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，方案二更具優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。