管廊式管架設(shè)計(jì)心得及對(duì)其受力的分析和探討

孫 超 呂秀平

(1.北京眾聯(lián)盛化工工程有限公司，山西太原 030006;2.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，山西太原 030001)

隨著我國(guó)石油化工建設(shè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)裝置規(guī)模擴(kuò)大，管架設(shè)計(jì)工作越來(lái)越多。在化工和石油化工企業(yè)內(nèi)，管架是支承全廠工藝生產(chǎn)裝置和供熱系統(tǒng)管道的主要結(jié)構(gòu)，它聯(lián)系著全廠每個(gè)生產(chǎn)裝置。一個(gè)大型石油化工廠管架多達(dá)500個(gè)以上，因此合理、經(jīng)濟(jì)、美觀的管架設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。

1 管架的定義

管架是支撐架空設(shè)置的管道系統(tǒng)中除管道外的全部結(jié)構(gòu)的總稱。

2 管架的分類(lèi)

1)按管道在管架上的支承條件可分為:固定管架和活動(dòng)管架兩種?；顒?dòng)管架又分為剛性、柔性和鉸接三種。2)按支撐管線高度不同分為:低管架、中管架和高管架。3)按外形分為:T形，П形，A形，單層，雙層和多層，單榀框架式或組合立體框架式。4)按縱向聯(lián)系結(jié)構(gòu)分為:縱梁式，桁架式，吊索式等。工藝外管架中，因其管線上支線多，小管徑的管道數(shù)量多，且考慮到將來(lái)有可能擴(kuò)建的需要，故常采用管廊式管架。

3 管廊式管架設(shè)計(jì)特點(diǎn)和受力分析

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)管廊式管架是在相鄰的獨(dú)立式管架間設(shè)置縱向聯(lián)系構(gòu)件，如縱梁或桁架，構(gòu)成空間體系的結(jié)構(gòu)，它分為縱梁式或桁架式管架。2)伸縮縫間距與布置:全鋼結(jié)構(gòu)或縱梁采用鋼結(jié)構(gòu)，柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)不大于120 m，全鋼筋混凝土?xí)r不大于70 m;應(yīng)盡可能設(shè)置在補(bǔ)償器附近。3)管廊宜在每個(gè)溫度區(qū)段兩端設(shè)置縱向柱間支撐。4)桁架式管架的桁架上弦宜設(shè)置交叉形水平支撐，下弦宜在管架柱距左右兩側(cè)橫梁區(qū)域內(nèi)設(shè)置交叉形水平支撐。5)管廊式鋼管架，其節(jié)點(diǎn)連接一般采用焊接形式，可先用安裝螺栓臨時(shí)固定，再行施焊，梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成剛接節(jié)點(diǎn)。6)跨馬路的凈距要求:主馬路不小于5 m，一般馬路不小于4.5 m。7)構(gòu)件的允許撓度:鋼橫梁L/250(L為計(jì)算跨度)，鋼縱梁L/400，鋼桁架L/500。8)縱梁采用H型鋼或蜂窩型鋼梁;縱梁或桁架與支柱的連接為鉸接。9)桁架的支座斜桿為升桿，即為壓桿，以減小支柱的計(jì)算長(zhǎng)度。10)管架設(shè)計(jì)要考慮投產(chǎn)后的生產(chǎn)技術(shù)改造，增設(shè)各種管道，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)余量1.1～1.3。11)處于嚴(yán)重腐蝕介質(zhì)生產(chǎn)裝置內(nèi)的鋼管架、鋼桁架的鋼材和焊縫應(yīng)乘以腐蝕折減系數(shù) 0.85。

3.2 受力分析

每個(gè)溫度區(qū)段為一個(gè)計(jì)算單元，每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)所承受的荷載有:1)垂直荷載:永久荷載(管道、附件、保溫層、防火層、介質(zhì)、儀表、電纜、平臺(tái)、走道板自重);活荷載(2 kN/m2);充水試驗(yàn)重;積灰荷載;2)風(fēng)荷載:Wk=μsμzω0dld(含管道和管架風(fēng)荷載);3)冰雪荷載:(寒冷地區(qū)管壁溫度在0℃以下)Sk=μrs0d;4)管道水平推力:由于管架設(shè)計(jì)中水平推力的確定尤其重要而且也比較復(fù)雜，所以下面具體探討一下管道水平推力的確定。

4 管廊式管架水平推力的分析和探討

縱梁式管架的管線的水平推力通過(guò)橫梁傳給縱梁，縱梁的不平衡力由柱間支撐承受，管架柱一般不承受水平推力。

4.1 中間管架水平推力的確定

中間管架由于柱剛度不同可分為:

Fm＞Ff為柔性中間管架;

Fm≤Ff為剛性中間管架。

Fm=KjGlμ'(作用在剛性中間管架上由于管道膨脹產(chǎn)生的摩擦力);

qm=Fm/L(均布在剛性中間管架橫梁上的水平力);

Ff=n(鋼筋混凝土);

Ff=n(鋼結(jié)構(gòu))(柔性中間管架由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性力);

qf=Ff/L(均布在柔性中間管架橫梁上的水平力)。

4.2 固定管架橫梁上水平推力值

1)管道補(bǔ)償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fb;

2)關(guān)閉閥門(mén)時(shí)由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fn;

我公司在設(shè)計(jì)管架時(shí)由外管專業(yè)考慮了牽制系數(shù) kj，∑Fb(管道補(bǔ)償器的彈性力)，∑Fn(關(guān)閉閥門(mén)時(shí)由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力)等因素，提出了對(duì)每個(gè)管架的作用力。

我們土建專業(yè)根據(jù)這些條件對(duì)管架受力進(jìn)行分析，確定計(jì)算簡(jiǎn)圖，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面簡(jiǎn)述固定管架上管道水平推力確定的原理。

4.3 固定管架上管道水平推力的確定

圖1為一個(gè)溫度區(qū)段內(nèi)的管道布置圖，該段管架不考慮關(guān)閉閥門(mén)時(shí)由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力FN。

取管架A～L為研究對(duì)象，假設(shè)中間管架為剛性管架，管道受熱膨脹后變形至虛線位置，這時(shí)產(chǎn)生兩種力，一種是管道補(bǔ)償器的彈性力即Fb1，F(xiàn)b2;另一種是管道變形時(shí)在中間管架上產(chǎn)生的摩擦力的反力即Fmi。這段管道內(nèi)無(wú)閥門(mén)、彎管及盲板等，因此，固定管架E上的管道水平推力F就等于Fb與Fm的合力。由圖1可以看出，固定管架E兩側(cè)的Fb與Fm方向相反。因此:

圖1 一個(gè)溫度區(qū)段內(nèi)的管道布置圖

在《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》附錄中考慮不平衡系數(shù)、結(jié)構(gòu)可靠度等因素給出的公式是:

這說(shuō)明固定管架上的管道水平推力并不是將外管專業(yè)提出的該計(jì)算單元內(nèi)的水平力的簡(jiǎn)單疊加，而是經(jīng)過(guò)分析后將固定管架兩側(cè)的中間管架上的水平力相互抵消后的力。

下面通過(guò)一個(gè)具體工程實(shí)例介紹一下:圖2為管架中的一段，管架D3～D9是兩個(gè)補(bǔ)償器之間的一段管架，作為一個(gè)溫度區(qū)段，D6為固定管架，將工藝提出的水平荷載加上去后計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖2 管架中段圖

綜合考慮到其他荷載后，管架D6計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

其中優(yōu)化結(jié)果包括對(duì)管道水平推力計(jì)算的改進(jìn)、柱計(jì)算長(zhǎng)度允許長(zhǎng)細(xì)比的改進(jìn)、地區(qū)屬于7度區(qū)且符合可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算等因素。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 管架D6計(jì)算結(jié)果圖

從以上分析可以看出管架水平推力的精確計(jì)算確實(shí)是在整個(gè)管架系統(tǒng)的計(jì)算中起很重要的作用，同時(shí)在工程造價(jià)方面和整個(gè)廠區(qū)的美觀方面也有不容忽視的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

管架設(shè)計(jì)要力求技術(shù)先進(jìn)，安全適用，經(jīng)濟(jì)合理，美觀大方，節(jié)約能源。一套好的管架布置方案應(yīng)該是工藝、土建和總圖專業(yè)共同商定，在滿足管道工藝安裝要求，躲避擬擴(kuò)建預(yù)留場(chǎng)地，盡可能減少與公路、鐵路、河道等的交叉等要求的同時(shí)，盡量達(dá)到各個(gè)管道聯(lián)合起來(lái)對(duì)管架牽制作用最大的效果。

［1］HG-T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

［2］SH/T 3055-2007，石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］曲昭嘉，王 瑾，曲圣偉.簡(jiǎn)明管道支架計(jì)算及構(gòu)造手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］李 鈺，李懋星.石油化工生產(chǎn)裝置工藝外管架的設(shè)計(jì)［J］.化工設(shè)備與管道，2005(1):8-10.