管道支架設(shè)計(jì)淺議

鄧 寧

（北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075）

管道支架設(shè)計(jì)對于管道設(shè)計(jì)來說是一項(xiàng)極其重要的工作，尤其對那些高溫高壓，有毒可燃，強(qiáng)腐蝕性的管道。正確的支架設(shè)置可以滿足管道強(qiáng)度和剛度的需求，同時(shí)能有效的降低管道隊(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的較大的附加荷載，防止因管道的振動，位移等原因造成的泄露，爆炸等事故的發(fā)生，有效的保護(hù)管道和設(shè)備管口，保障化工裝置的正常運(yùn)行。

1 管道支吊架選用

管道支架包括了所有管系支承裝置，其結(jié)構(gòu)、形狀眾多，但就其機(jī)能和用途可以為支架（包括管托、滾動支架、管卡、平衡錘支、架彈簧支架等）；吊架（包括鋼性吊架、彈簧吊架）；限制性支架和支承裝置等等。

1）管道支架的選用應(yīng)根據(jù)管道支承點(diǎn)位置以及荷載大小方向、位移情況、工作溫度、絕熱、管道材質(zhì)、生根位置、限位或防振要求等綜合考慮,選用適合的支架。支吊架的結(jié)構(gòu)件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并盡量簡單。設(shè)計(jì)時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)支架零部件。管道支架需直接與合金鋼、不銹鋼管道焊接時(shí),其連接構(gòu)件的材質(zhì)需與管道材質(zhì)相匹配。

2）支吊架的間距，應(yīng)小于或者等于管道的允許跨距，水平敷設(shè)在支架上的有隔熱層的管道，應(yīng)設(shè)置管托，其滑動面應(yīng)露在隔熱層之外,同時(shí)要選用滿足管道熱位移所需的加長管托。垂直敷設(shè)的有隔熱層的管道，在支架處應(yīng)設(shè)置能保護(hù)隔熱層的筋板或支耳等結(jié)構(gòu)。

3）輸送介質(zhì)溫度等于或者高于400℃的碳鋼管道和合金鋼，不銹鋼管道以及需要進(jìn)行焊后熱處理的管道應(yīng)優(yōu)先選用卡箍式管托、管吊或選用帶同類材料墊板的支吊架。架設(shè)在高空不易焊接的管道，經(jīng)常拆卸的管道和襯里管道，宜選用卡箍式管托管吊。保冷管道，應(yīng)選用保冷管托，管吊。

4）管道無垂直位移或垂直位移很小且允許約束的部位可選用剛性支架。當(dāng)管道在支承點(diǎn)處不得有任何位移時(shí)應(yīng)選用固定支架，補(bǔ)償器應(yīng)設(shè)在兩固定支架之間，∏型補(bǔ)償器距固定支架的距離，不宜小于兩支架間距的1/3。當(dāng)管道在支承點(diǎn)處有軸向位移且需限制橫向位移時(shí)，應(yīng)選用導(dǎo)向支架，沿立式設(shè)備敷設(shè)的管道宜設(shè)導(dǎo)向支架，并不宜設(shè)在彎頭和支管連接處。

5）管道在支承點(diǎn)處有位移且荷載變化率大于6%時(shí)選用可變彈簧支架,當(dāng)荷載變化率不大于6%時(shí)選用恒力彈簧支架。至于管道在支點(diǎn)處有多少垂直位移才選用彈簧吊架，根據(jù)魯默斯公司規(guī)定，支點(diǎn)垂直位移超過2.54mm者要用彈簧支（吊）架，小于此值可不用。例如榆煉制氫裝置轉(zhuǎn)化氣預(yù)熱鍋爐至中變反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化氣管線管徑DN300，溫度400℃，經(jīng)過應(yīng)力專業(yè)分析，反應(yīng)器入口管口附近的管線垂直位移量達(dá)到44mm因此需要考慮選用彈簧支架來承受管道荷載,避免管道支撐處脫空或管道變形受到約束,使管道支架處的荷載轉(zhuǎn)移造成管道一次應(yīng)力增大可能超過材料的許用應(yīng)力,和使相鄰管道支架 （或設(shè)備管口）受力超出其荷載允許值,或使管道產(chǎn)生的較大二次應(yīng)力可能超過許用位移應(yīng)力范圍。

2 管道支吊架位置的確定

管道支架設(shè)置除了滿足管道最大允許跨度的要求，外還應(yīng)考慮以下事項(xiàng)：

1）管道支吊架應(yīng)靠近管系的兩端，當(dāng)管系與設(shè)備相接時(shí)，應(yīng)盡量靠近設(shè)備管嘴，以減少其受力（和彎矩）。

2）管道集中荷載處、彎管附近，大直徑三通式分支管處附近和有法蘭等可拆連接處需要考慮設(shè)置支架。鄰近管道可以考慮合用一個(gè)管架。安全閥出口放空管道上通常需要設(shè)置剛性支架,以承受安全閥起跳放空時(shí),介質(zhì)排放對管道產(chǎn)生的反作用力。

3）盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁、柱設(shè)支架的生根結(jié)構(gòu)，且其荷載應(yīng)不能使梁柱彎曲變形，注意的是大型往復(fù)式泵、壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道和其他有振動的大直徑管道,需要考慮單獨(dú)設(shè)置生根在地面上的管道支架外。

4）管系有垂直管段時(shí)，宜在垂直管段上部或下部設(shè)承重支架，垂直管段很長，中間應(yīng)設(shè)導(dǎo)向支架。例如:塔頂氣相管道在距上部封頭焊接最小150mm處設(shè)置承受管道重量的固定支架，其他支架可設(shè)為上下滑動的導(dǎo)向支架。

5）需要維護(hù)的管道支架,例如彈簧支架、減振支架和阻尼支架等,應(yīng)考慮在支架周圍留有足夠的維護(hù)空間。同時(shí)管道支架不應(yīng)妨礙管道與設(shè)備之間的連接、設(shè)備和管道的運(yùn)行、操作及檢修。例如在靠近泵的管道上設(shè)置的支架,應(yīng)滿足泵移走時(shí)管道不需要設(shè)臨時(shí)支架。同樣加氫反應(yīng)器出口管道上與反應(yīng)器頂蓋上可拆卸段相接的管道需要考慮設(shè)承重支架,以便反應(yīng)器頂蓋拆卸時(shí)支撐出口管道。

3 管道支吊架的生根

管道支架的生根部位應(yīng)滿足管系的荷載要求，因此需要有一定的強(qiáng)度和剛度。例如支撐在地面上的支架,當(dāng)管道支架荷載較大,特別彎矩較大或有振動荷載時(shí),超出了標(biāo)準(zhǔn)管架的使用范圍時(shí)，管道需向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出條件，由結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)滿足荷載要求的支架。同樣蒸汽輪機(jī)進(jìn)出口管道上的固定支架和限位支架的生根部位強(qiáng)度不夠,就會造成支架達(dá)不到預(yù)期的固定和限位作用。當(dāng)管道支架直接生根焊或通過高強(qiáng)度螺栓連接而生根于設(shè)備外壁時(shí),其生根部位將產(chǎn)生局部應(yīng)力,特別是管道支架所承受的荷載較大時(shí),可能造成設(shè)備外壁生根部位局部應(yīng)力過大,對設(shè)備的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。管道支架生根焊在鋼制設(shè)備上時(shí),所用墊板應(yīng)按設(shè)備外形成型,墊板材料與設(shè)備材料相匹配；在有襯里設(shè)備或管道上的生根件,應(yīng)在襯里前完成其焊制工作；在需要熱處理的設(shè)備上的生根件,應(yīng)在設(shè)備熱處理前完成其焊制工作。

4 振動管道的支架

裝置的管道和設(shè)備發(fā)生振動的原因主要有：1）流體的不規(guī)則流動或流體通過彎管部分由于動能的變化，或由于周期性的外力作用；2）泵、壓縮機(jī)、透平等回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械不平衡而引起的機(jī)械的振動；3）室外管道和設(shè)備受到周期性的風(fēng)壓；4）安全閥和減壓閥的急速開放引起的沖擊和振動；5)壓縮氣體和兩相流體的湍振。例如往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道支架基礎(chǔ)，必須與壓縮機(jī)基礎(chǔ)及建構(gòu)筑物分開,不在機(jī)殼、底座、樓板或平臺上生根,應(yīng)設(shè)計(jì)成獨(dú)立支架且支架高度應(yīng)盡可能低些。振動管道上的管道相鄰支架間的距離不應(yīng)相等，其差值一般取100～200mm；管道支架應(yīng)設(shè)在所有管道拐彎、分支、標(biāo)高有變化及集中荷載附近，其支架采用特殊的抑震管架；第一個(gè)支架應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)布置,并采用限位支架來控制管道位移的方向和承受管道對壓縮機(jī)的作用力和力矩。對于需要率熱應(yīng)力的管道，其管架位置需要經(jīng)過計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析后統(tǒng)一考慮。

5 彈簧支架

彈簧支架選用的型式需要考慮支架本身需要的安裝空間尺寸、管道和設(shè)備布置的要求?？勺儚椈芍У跫艿暮奢d變化率不應(yīng)大于25%，當(dāng)管道荷載超過一個(gè)可變彈簧支吊架的最大允許荷載時(shí)，可選用兩個(gè)或兩個(gè)以上相同型號的可變彈簧并聯(lián)安裝，每個(gè)彈簧承受的荷載，應(yīng)按并聯(lián)彈簧數(shù)平均分配。

6 結(jié)語

管道支架設(shè)計(jì)和管道熱應(yīng)力解析是不可分割的，做支承設(shè)計(jì)時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)合理，要滿足強(qiáng)度，任何一個(gè)管道支架的失效都可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)破壞,直接影響管道自身系統(tǒng)。在化工行業(yè)的設(shè)計(jì)工作中不能忽視。

［1］SH/T 3073－2004石油化工管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［2］蔡爾輔.石油化工管道設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004－4－1.