水平推力作用下管廊固定管架設計技術應用研究

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403023

摘 要 介紹了固定管架水平推力的形成機理和常規(guī)計算方法。以某實際項目管廊固定管架為案例，探討計算過程中的影響因素。通過分析現(xiàn)有管線的結(jié)構(gòu)和特點，并考慮未來開車順序、實際生產(chǎn)狀況，綜合考慮預留管線布局等因素，提出了固定管架水平推力的計算新思路。針對已有管廊固定管架水平推力不滿足要求的情況，提出了合理布置管架補償器、使用旋轉(zhuǎn)補償器、實現(xiàn)管道冷緊等相應措施，為相關部門進一步提高管廊固定管架結(jié)構(gòu)設計提供理論支持。

關鍵詞 管廊 固定管架 軸向推力 側(cè)向推力 水平推力 管架設計

中圖分類號 TQ055.8+1?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0488?06

作者簡介：楊高源（1991-），工程師，從事界外管道設計工作，woshi0325@126.com。

引用本文：楊高源.水平推力作用下管廊固定管架設計技術應用研究[J].化工機械，2024，51（3）：488-493.

化工項目中的外管被稱為“化工廠區(qū)大動脈”，肩負著廠區(qū)內(nèi)外相關裝置之間架空敷設的各類管線（如工藝物料管線、公用工程管線等）的來往運輸，同時承擔著儀表槽盒內(nèi)的電纜和電氣橋架上的電纜在全廠區(qū)范圍內(nèi)的分配與輸送[1]。外管廊設計也影響著整個廠區(qū)的形象與交通，優(yōu)秀的外管廊設計應同時具備安全性、功能性與美觀性，且不影響全廠檢修和交通運輸?shù)奶攸c。

國家發(fā)改委下發(fā)了《關于規(guī)范煤化工產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的通知》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2011〕635號，以下簡稱《通知》），對年產(chǎn)50萬噸及以下煤經(jīng)甲醇制烯烴項目，年產(chǎn)100萬噸及以下煤制甲醇項目，年產(chǎn)100萬噸及以下煤制二甲醚項目，年產(chǎn)100萬噸及以下煤制油項目，年產(chǎn)20億立方米及以下煤制天然氣項目，年產(chǎn)20萬噸及以下煤制乙二醇等項目的建設進行了嚴格禁止?！锻ㄖ仿涞睾螅苄袠I(yè)競爭壓力、土地資源緊缺、環(huán)保要求嚴苛等因素的影響，化工廠及化工園區(qū)的建設均呈現(xiàn)出規(guī)?；?、大型化、密集化的特點。外管廊作為聯(lián)通廠區(qū)內(nèi)外的化工廠大動脈，其上承載的管線數(shù)量、管徑、長度均大幅增長。

在長距離運輸過程中，管道受介質(zhì)高溫或環(huán)境溫度變化的影響，會導致管道流道因熱脹冷縮而移動[2]。為了防止管道發(fā)生移動，在設計初期就會在每隔一定距離考慮安裝固定管架以保障管束的安全運行。而固定管架上的水平推力數(shù)值的設置對鋼結(jié)構(gòu)具有重要影響[3]。在設計初期，若能比較準確地確定出管廊固定管架上的水平推力，并綜合園區(qū)或廠區(qū)發(fā)展思路及規(guī)模，對所提出的數(shù)值進行修正和補充，不僅可以減少后期結(jié)構(gòu)專業(yè)的工作量，同時對管廊的功能性及美觀性將產(chǎn)生重要作用。因此，有必要對管廊固定管架的設計和受力情況進行深入分析，探討研究管廊固定管架水平推力的計算思路和修正方式，以便企業(yè)更好地開展生產(chǎn)運營活動，為后續(xù)項目的正常運行提供保障。

1 固定管架概述

1.1 定義

管道是指除管道以外的所有支撐架空管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總稱。根據(jù)管道的支承條件，支架可分為固定管架和活動管架。其中，固定管架是指將管道支座與管架的連接進行固定以保證其相互不產(chǎn)生相對位移，通過承受區(qū)段間產(chǎn)生的全部縱向水平推力而制造的管架[4]。一般情況下，通過在管道上安裝固定管架和補償器來確保管道的穩(wěn)定性和管線的整體安全運行。

1.2 載荷組成

由于管道支座與管架之間存在固定連接，因此固定管架除了承受管道的垂直載荷外，還承受著管道的水平推力及風載荷作用下的橫向水平力等，故固定管架載荷主要包括3種：

a. 垂直載荷，包括管道、管道附件、保溫結(jié)構(gòu)、管內(nèi)輸送介質(zhì)的載荷以及在某些情況下管道水壓試驗的水重載荷等。

b. 軸向推力，包括各補償器的反彈力之和，管道移動時的摩擦反力或管架變位彈力等，如圖1所示。

c. 側(cè)向推力，包括拐彎管道、支管或支吊架傳來的推力，以及管道橫向位移產(chǎn)生的摩擦力等。

2 應用實例

2.1 項目概況

某化工園區(qū)管廊名為X，共4層，管廊寬12 m，管廊斷面如圖2所示。該管廊現(xiàn)有管線的特點為數(shù)量多（約60根）、管徑大（最大為DN 1 900）、蒸汽溫度高（S98管線溫度高達540 ℃）。

以X管廊固定管架X3?6處為研究對象，該管架距以西方向（左邊）固定柱100 m，距以東方向（右邊）固定柱90 m，如圖3所示。對作用于X3?6段管線的推力進行計算，其中左右兩邊均設置為四方限位（即管線上方自由活動）。

常溫管線（操作溫度20～40 ℃，蒸汽伴熱管線除外）采用自然補償，其管線于X3?10處（距X3?6柱向東30 m）固定端采用固定支座，X3?6處為活動支座，另外兩處固定管架如圖4所示。

上述管線均使用CAESAR Ⅱ軟件進行力的分析與計算。

2.2 計算方法

2.2.1 固定管架軸向推力計算方法

固定管架軸向推力主要由管道補償器彈力和活動管架的反作用力組成，設計時可根據(jù)配管專業(yè)提供的水平推力以及兩側(cè)活動管架的不平衡水平推力[5]進行計算。

活動管架軸向推力F的基本計算式如下：

F=k·G·μ??????? （1）

其中，k為牽制系數(shù);G為主要熱管所在層正常操作時管道的豎向載荷標準值;μ為滑動摩擦系數(shù)，根據(jù)接觸面材料而定。

如果主要熱力線的固定點均在同一榀管架上，基于應力計算報告，這些熱力管線應該在同一梁固定點上進行力的累積（在累積過程中必須考慮力的方向）。如果主要熱力線的幾個固定點不集中，而是位于相鄰的結(jié)構(gòu)中，則去除固定熱力管線后再計算其應力。

2.2.2 固定管架側(cè)向推力計算方法

管架的側(cè)向推力主要來自管路或支管傳來的彈性推力、管路橫向位移產(chǎn)生的摩擦力和作用在管路上的風力。固定管架側(cè)向推力的基本計算式如下：

側(cè)向推力=∑該榀管架的側(cè)向推力的絕對值? （2）

2.3 計算結(jié)果

管道摩擦力的影響因素有很多，其中一個重要參就是管道支座與管架摩擦系數(shù)μ。普通鋼板之間的滑動摩擦系數(shù)約為0.30，新型的滑動支座考慮的是在鋼板之間的滑動面上增加低摩擦材料，例如聚四氟乙烯材料（操作溫度小于200 ℃）或石墨板（操作溫度大于200 ℃）與不銹鋼板組成的滑動摩擦副。其上滑動支座的摩擦系數(shù)在0.10以內(nèi)，相對普通鋼板，管道摩擦力較低，對固定點支架的推力較小。設計初期，給火炬管線、蒸汽管線支座增加摩擦，通過應力計算報告得到推力計算結(jié)果見表1。

第4層（頂層）為火炬管線專屬層，根據(jù)園區(qū)外管專業(yè)統(tǒng)一規(guī)定，火炬管線不建議使用波紋補償器，因此，本項目中管廊上的火炬管線為方形補償器。

第3層敷設蒸汽、凝液及公用工程管線。初期考慮時，蒸汽管線補償型式均考慮方形補償器。補償器設置時，優(yōu)先考慮高溫蒸汽，其次是高溫凝液。

第2層管線放置工藝管線、公用工程管線。對于蒸汽伴熱管線，正常運行工況下管線操作溫度較低，但因伴熱蒸汽開車時間早于被伴的管線，因此被伴管線管徑越小，管線越易變形，故伴熱管線需以伴熱蒸汽的操作溫度考慮。

第1層均布工藝管線、污水管線。76%硫酸管線為塑料管線，該管線線脹系數(shù)遠大于鋼管，導致受熱管線極易變成“蛇形”，甚至脹裂，為此需在每兩個固定管架之間考慮采用方形補償器。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 運算法則

矢量加和。力是矢量，其數(shù)值具有方向性。針對每個固定管架，通過探討管道補償器彈性力、活動支架摩擦反力和內(nèi)壓不平衡推力，并將相同方向的力進行疊加，相反方向的力抵消，最終求和得到實際力的數(shù)值。

絕對值加和。在不考慮方向的情況下將管線推力的絕對值累加，最終得到一個數(shù)值。該運算法則下求得的最終數(shù)值和實際情況具有一定偏差，可能偏大，但由于該方法較為保守，因此結(jié)果仍然全面、安全[6]。

2.4.2 計算結(jié)果分析

矢量加和計算結(jié)果為軸向推力99 764 N（方向向西），側(cè)向推力28 420 N（方向向北）。

絕對值加和計算結(jié)果為軸向推力206 780 N，側(cè)向推力53 312 N。

單向力絕對值加和計算結(jié)果為軸向推力153 272 N（方向向西）、53 508 N（方向向東），側(cè)向推力40 866 N（方向向北）、12 446 N（方向向南）。

由計算結(jié)果可以看出，管廊上對固定點推力貢獻較大的主要為蒸汽和汽化火炬管線，其疊加后數(shù)值幾乎占推力值的80%～90%。相比于其他管線，這幾根管線具有溫度高、管徑大的特點。其推力值還需將水擊、兩相流等因素納入考慮范疇內(nèi)，推力值相比操作工況的數(shù)值會大許多。因此，將這些管線對固定管架的推力充分考慮后，可以作為水平推力條件提給結(jié)構(gòu)專業(yè)進行設計。

3 固定管架水平推力修正

通過對開車工況、管線排布方式、補償器型式、管托型式以及預留管線載荷數(shù)值等因素進行綜合考慮，修正管架推力。

3.1 開車順序

因各類管線投用時間不一致，故固定管架處的推力值不能簡單進行加和。

以本案例為例，S98蒸汽最先投用，其軸向推力值為46 060 N，方向向西。隨后考慮S40及S10蒸汽同時運行，則軸向推力值為66 640 N，方向向西;側(cè)向推力值為37 240 N，方向向北。S4蒸汽主管及伴熱管線開車時間優(yōu)先于被伴管線，其推力值疊加，軸向推力值為8 820 N，方向向東。

使用3種運算法則得到的計算結(jié)果見表2。

3.2 火炬管線推力

造成部分管道及管架破壞事故的主要導火索是管道內(nèi)氣、液（主要是凝結(jié)液）兩相流動沖擊方向的多向性和數(shù)值的多變性[7]。同時，SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》7.2.4條中確定了含凝結(jié)液的可燃性氣體排放管道對固定管架的水平推力的取值[8]。

在核算有凝結(jié)液的可燃性氣體排放管道中固定管架的水平推力時，若固定管架上存在含有凝結(jié)液的可燃性氣體排放管道，則水平推力的作用點應分別考慮，且推力值不應進行疊加，具體結(jié)果見表3。

X管廊上的3根火炬管線操作溫度見表4?？梢钥闯觯鼶N 1 900汽化火炬最大操作溫度可達204 ℃外，其余兩條火炬線均為常溫狀態(tài)。

對汽化二期火炬考慮極端工況，但不考慮三者同時出現(xiàn)極端工況，則其對固定管架的軸向推力值為147 000 N。

3.3 蒸汽管線水擊工況

水擊現(xiàn)象在蒸汽管線暖管時尤為嚴重[9]。管道、管道附件及管架會在水擊現(xiàn)象發(fā)生時因管道和設備的強烈振動造成嚴重損壞。消除或減輕水擊危害的基本方法有：

a. 蒸汽管道送汽前要充分熱管，開啟管網(wǎng)系統(tǒng)的啟動排水;

b. 開車時緩慢開啟進氣閥;

c. 停車時緩慢關閉閥門。

按照上述方法，完全可以避免蒸汽管線的水擊現(xiàn)象，因此在設計固定點水平推力值時可不予考慮。水擊力的方向同介質(zhì)流動方向，但水擊力的值受多種因素影響，為在一定程度上考慮水擊的影響，留有一定的安全閾值，選擇絕對值加和運算法則，得到結(jié)果為軸向推力121 520 N、側(cè)向推力37 240 N。

3.4 預留載荷

GB 50489—2009《化工企業(yè)總圖運輸設計規(guī)范》規(guī)定，新建廠區(qū)的管線帶內(nèi)，應預留中遠期管線的用地，余量宜為10%～20%[10]。SH/T 3055—2007《石油化工管架設計規(guī)范》規(guī)定，預留管道載荷和預留空間都不宜過大，通常外管架預留約20%，裝置內(nèi)管架預留約10%[11]。但是實際上，園區(qū)管廊的預留量應充分考慮園區(qū)的未來規(guī)劃，并結(jié)合具體項目的實際情況確定，以本項目為例，業(yè)主要求在當前建設的基礎上擴充同等規(guī)模的管廊，即預留載荷量100%。

3.5 結(jié)果修正

在理論計算值的基礎上，綜合考慮管廊上管線的開車順序、管線的水擊情況、火炬管線的特殊要求等，提出該固定管架的推力值為：軸向推力268 520 N（即水擊工況推力值121 520 N+火炬管線推力值147 000 N）;側(cè)向推力39 200 N。

4 減小管廊固定管架水平推力的措施

在一些老廠改造項目中，因其前期項目體量小，管線數(shù)量、管徑均小于現(xiàn)有改造項目時，或因已有項目因蒸汽鍋爐位置發(fā)生改變，造成高溫、大管徑蒸汽在管廊上路由發(fā)生重大變化時，導致原管廊固定管架所提水平推力難以滿足新管線的敷設。因此在設計手段上，可以采取以下措施來減少新敷設管線對原固定管架的水平推力：

a. 補償器的布置。為增強管架的科學合理性和安全性，應在設置補償器時盡量將其沿固定管架對稱布置，以保證管道系統(tǒng)在正常穩(wěn)定運作時，管道固定管架兩側(cè)部分推力能相互抵消。

b. 旋轉(zhuǎn)補償器的選用。該措施利用管道的自然轉(zhuǎn)角、高差等實現(xiàn)補償，具有補償量大、布置靈活、耐高壓、無內(nèi)壓推力等優(yōu)點，主要適用于蒸汽管道和熱水管道。與其他補償器相比，旋轉(zhuǎn)補償器極大地減小了對固定點的推力。

c. 管道冷緊。冷緊使高溫管道在冷態(tài)下產(chǎn)生預應力，從而減少彎曲和扭轉(zhuǎn)應力，減少固定點載荷。通過冷緊，高溫管線（設計溫度在430 ℃及以上）在冷態(tài)下承受一定的拉力，以抵消管道熱膨脹的位移，降低管道運行初期在工作狀態(tài)下的熱脹應力和對固定點的推力[12]。但此時管徑不宜過大，否則施工難度劇增。

此外，若高溫管道的溫度長期處于蠕變溫度，會產(chǎn)生明顯的蠕變，造成原有的二次應力釋放，導致推力變小。另外，天然地基承載力在長期作用下會提高，也會增強管廊的上部結(jié)構(gòu)力。

5 結(jié)束語

筆者探討了多因素影響條件下固定管架水平推力的計算方法，基于此對管架設計進行研究并提出了優(yōu)化方案，其科學性和合理性對相關項目的順利開展和運行起到了關鍵影響。固定點推力的提出，往往是在基礎設計階段，或詳細設計初期，其對結(jié)構(gòu)專業(yè)設計、管廊工程造價及后期管廊擴建均產(chǎn)生重要影響。在工程設計中，管架的載荷和水平推力的計算應以標準規(guī)范為出發(fā)點，同時結(jié)合熱力管線的應力計算結(jié)果及工程實際中可能出現(xiàn)的各種工況，進行全方位、多角度的考慮，提出更科學、更安全、更符合實際的數(shù)值，為相關部門、企業(yè)順利開展項目提供堅實的數(shù)據(jù)保障。

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（收稿日期：2023-05-22，修回日期：2024-05-07）