管廊式管架設計心得及對其受力的分析和探討

孫 超 呂秀平

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

隨著我國石油化工建設的迅速發展，生產裝置規模擴大，管架設計工作越來越多。在化工和石油化工企業內，管架是支承全廠工藝生產裝置和供熱系統管道的主要結構，它聯系著全廠每個生產裝置。一個大型石油化工廠管架多達500個以上，因此合理、經濟、美觀的管架設計就顯得尤其重要。

1 管架的定義

管架是支撐架空設置的管道系統中除管道外的全部結構的總稱。

2 管架的分類

1)按管道在管架上的支承條件可分為:固定管架和活動管架兩種。活動管架又分為剛性、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)按縱向聯系結構分為:縱梁式，桁架式，吊索式等。工藝外管架中，因其管線上支線多，小管徑的管道數量多，且考慮到將來有可能擴建的需要，故常采用管廊式管架。

3 管廊式管架設計特點和受力分析

3.1 設計特點

1)管廊式管架是在相鄰的獨立式管架間設置縱向聯系構件，如縱梁或桁架，構成空間體系的結構，它分為縱梁式或桁架式管架。2)伸縮縫間距與布置:全鋼結構或縱梁采用鋼結構，柱采用鋼筋混凝土結構時不大于120 m，全鋼筋混凝土時不大于70 m;應盡可能設置在補償器附近。3)管廊宜在每個溫度區段兩端設置縱向柱間支撐。4)桁架式管架的桁架上弦宜設置交叉形水平支撐，下弦宜在管架柱距左右兩側橫梁區域內設置交叉形水平支撐。5)管廊式鋼管架，其節點連接一般采用焊接形式，可先用安裝螺栓臨時固定，再行施焊，梁柱節點優先考慮設計成剛接節點。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)構件的允許撓度:鋼橫梁L/250(L為計算跨度)，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，以減小支柱的計算長度。10)管架設計要考慮投產后的生產技術改造，增設各種管道，應考慮設計余量1.1～1.3。11)處于嚴重腐蝕介質生產裝置內的鋼管架、鋼桁架的鋼材和焊縫應乘以腐蝕折減系數 0.85。

3.2 受力分析

每個溫度區段為一個計算單元，每個計算單元內所承受的荷載有:1)垂直荷載:永久荷載(管道、附件、保溫層、防火層、介質、儀表、電纜、平臺、走道板自重);活荷載(2 kN/m2);充水試驗重;積灰荷載;2)風荷載:Wk=μsμzω0dld(含管道和管架風荷載);3)冰雪荷載:(寒冷地區管壁溫度在0℃以下)Sk=μrs0d;4)管道水平推力:由于管架設計中水平推力的確定尤其重要而且也比較復雜，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(鋼結構)(柔性中間管架由于柱頂變位產生的彈性力);

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)管道補償器的彈性力標準值∑Fb;

2)關閉閥門時由介質產生的內壓力標準值∑Fn;

我公司在設計管架時由外管專業考慮了牽制系數 kj，∑Fb(管道補償器的彈性力)，∑Fn(關閉閥門時由介質產生的內壓力)等因素，提出了對每個管架的作用力。

我們土建專業根據這些條件對管架受力進行分析，確定計算簡圖，進行結構設計，下面簡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為一個溫度區段內的管道布置圖，該段管架不考慮關閉閥門時由介質產生的內壓力FN。

取管架A～L為研究對象，假設中間管架為剛性管架，管道受熱膨脹后變形至虛線位置，這時產生兩種力，一種是管道補償器的彈性力即Fb1，Fb2;另一種是管道變形時在中間管架上產生的摩擦力的反力即Fmi。這段管道內無閥門、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兩側的Fb與Fm方向相反。因此:

圖1 一個溫度區段內的管道布置圖

在《化工、石油化工管架、管墩設計規定》附錄中考慮不平衡系數、結構可靠度等因素給出的公式是:

這說明固定管架上的管道水平推力并不是將外管專業提出的該計算單元內的水平力的簡單疊加，而是經過分析后將固定管架兩側的中間管架上的水平力相互抵消后的力。

下面通過一個具體工程實例介紹一下:圖2為管架中的一段，管架D3～D9是兩個補償器之間的一段管架，作為一個溫度區段，D6為固定管架，將工藝提出的水平荷載加上去后計算簡圖見圖3。

圖2 管架中段圖

綜合考慮到其他荷載后，管架D6計算結果見圖4。

其中優化結果包括對管道水平推力計算的改進、柱計算長度允許長細比的改進、地區屬于7度區且符合可不進行抗震驗算等因素。

圖3 計算簡圖

圖4 管架D6計算結果圖

從以上分析可以看出管架水平推力的精確計算確實是在整個管架系統的計算中起很重要的作用，同時在工程造價方面和整個廠區的美觀方面也有不容忽視的作用。

5 結語

管架設計要力求技術先進，安全適用，經濟合理，美觀大方，節約能源。一套好的管架布置方案應該是工藝、土建和總圖專業共同商定，在滿足管道工藝安裝要求，躲避擬擴建預留場地，盡可能減少與公路、鐵路、河道等的交叉等要求的同時，盡量達到各個管道聯合起來對管架牽制作用最大的效果。

［1］HG-T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設計規定［S］.

［2］SH/T 3055-2007，石油化工管架設計規范［S］.

［3］曲昭嘉，王 瑾，曲圣偉.簡明管道支架計算及構造手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

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