1贾爱芬、2赵克亮
1核工业工程研究设计有限公司
2中国核工业二三建设有限公司
摘 要：在核电站的管道设计中，支吊架的设计是其中一个重要环节，弹簧支吊架作为一种特殊类型的承重支吊架,它既可以承受热位移，又可以承受荷载。当管道上热胀较大,不适合使用刚性支架时,为了降低管道上的二次应力以及减小管道施加给设备上的管口载荷,可以考虑使用弹簧支吊架。本文归纳分析了核电站管道弹簧支吊架失效的原因，并提出了预防措施。希望本文能对后续核电站弹簧支吊架失效预防起到指导性作用。
关键词：弹簧支吊架 失效 预防
1.引言
管道支吊架是核电站管道系统设计中的一个重要组成部份，其不仅要承受管道的自身载荷，还要承受来自于各方面作用于管道上的力和力矩，限制管道位移，减少管道振动；正确设计管道支吊架，能满足管道系统的静力和动力要求，确保管道和与之相连的设备安全运行，而弹簧支吊架又是管道支吊架中重要成员之一。但弹簧支吊架的失效可能会导致管道及周围设备遭到破坏，因此必须在弹簧材料选用、弹簧制造、支吊架设计、安装及运行阶段的各个环节加以控制，避免支吊架失效带来的危害。
2.弹簧支吊架失效分析
弹簧支吊架失效的原因有多种，可能受某种或某几种原因的共同作用，导致弹簧支吊架的失效。其失效的主要原因有以下几方面。
2.1弹簧失效
弹簧的失效形式主要有断裂失效和弹力失效（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、腐蚀疲劳及氢脆。
（1）疲劳断裂
弹簧的疲劳断裂往往是从某一微小的表面缺陷开始，在交变荷载作用下逐渐出现一个微细裂纹，然后通过扩展直至断裂。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，弹簧的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。
（2）腐蚀疲劳
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，腐蚀往往是加速弹簧失效的主要原因之一。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。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，加载频率越高，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。
（3）氢脆
氢脆失效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。
（4）弹力失效
与断裂相比，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。
影响弹簧松弛性能的因素主要有：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；与弹簧材料的化学成分及组织状态有关。
2.2选型不合理
弹簧支吊架的主要构成部分就是弹簧，弹簧的性能直接影响管道受力状态。弹簧支吊架的荷载与弹簧变形之间应具有良好的线性关系，也就是要求弹簧在工作区间内其刚度尽可能恒定不变。因此，选用的弹簧支吊架的工作变形量应在试验荷载（弹簧允许承受的最大荷载）下变形量的30%～70%范围内选取。如果弹簧支吊架选型时，工作载荷值在弹簧数据表的位置过于偏上或偏下，将有可能造成弹簧变形量超出行程范围。
2.3安装不符合要求
弹簧支吊架出厂时，制造厂按用户提供的安装载荷，用上、下两块定位块将弹簧支吊架的指示板固定在与安装载荷相应的位置上，使弹簧支吊架暂处于刚性状态。由于弹簧支吊架的安装、调整不到位，很可能造成定位销很难拔出，导致安装状态与设计要求不符。
2.4检查维护不到位
弹簧支吊架未完成管道的全面检查便投入使用，很可能出现定位销未全部拔去。或者弹簧支吊架从安装载荷到工作载荷的位移运行中卡阻，检查维护中未能及时发现，致使弹簧支吊架在运行过程中起不到作用。
3.预防措施
在实际工程中，设计弹簧支吊架时采用了较大的安全系数，所以从设计角度发生失效的情况并不多见，一般失效主要是制造、安装引起的，因此，对弹簧支吊架的制造、安装过程应重点控制，从以下方面做好预防。
3.1弹簧材料方面
材料特性在很大程度上决定了弹簧的力学特性和使用性能。一般通过在弹簧钢中添加铬、钛、钒等元素，阻止氢脆产生。为了减少弹簧支吊架腐蚀疲劳的问题，核电站的弹簧钢一般选用合金钢，以提高抗腐蚀、抗辐照能力。
3.2弹簧制造方面
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。弹簧的几何形状截面的连续性、材料的表面状态及组织结构的均匀性等是决定疲劳性能的主要因素。因此，需加强对制造厂的质量控制，选择有生产经验的合格供应商，在弹簧支吊架的制造过程中采取必要的监造措施。
3.3支吊架安装方面
弹簧支吊架的安装应加强安装质量控制，严格按照安装程序进行。安装过程中，需要调整花兰螺丝，直至弹簧支吊架的弹簧压板下平面对准刻度板上的冷态载荷标记，此时壳体上的定位销基本处于水平位置此时定位销容易拔出。若定位销头部上翘，表示实际载荷超过整定载荷，需要松花兰螺丝直至定位销水平；若定位销头部向下，表示实际载荷小于整定载荷，此时紧花兰螺丝直至定位销水平。
安装结束后，应检查支吊架根部焊接质量、吊点位置及弹簧支吊架安装状态是否符合设计图纸要求，尤其关注管道完成水压试验、支吊架解除锁定后的状态是否符合设计要求。
3.4运行维护方面
管道投运后，严格按照相关监督规程对管系及弹簧支吊架进行全面检查和调整，确保支吊架在冷热态条件下均处于正常、有效状态，如发现冷热态与设计有较大的偏差，应调整或更改热态标记的位置，及时对弹簧支吊架的使用性能进行评估，必要时更换弹簧支吊架。
4.结论
本文阐述了弹簧支吊架失效原因和预防措施，对后续核电站管道弹簧支吊架的设计、安装以及采购具有一定的参考价值和指导作用。但弹簧支吊架比普通支吊架使用成本高，在长期工作状态下还有失效问题，不如刚性支架耐用可靠，过多的设置弹簧支吊架还会使管系各点位移方向失去控制，管系稳定性差，容易产生偏斜和振动，因此设计中应对管道合理分析，尽量减少弹簧支吊架的设置，避免滥用弹簧支吊架的情况，同时由于管系的实际情况不同及安装场地的限制，需要因地制宜、合理选用弹簧支吊架型式，以便于安装及检修。