淺談工廠設計中的管架設計

摘 要：管道支吊架的設計不僅關乎整個工廠管道系統的設計質量和工廠運行的生產安全，也關系到整個管道設計是否達到更經濟，更合理且美觀。由于受經濟影響，國內外企業為了縮減項目成本，減小項目風險，改造項目多是在設備布置很緊湊，設計區域很有限的情況下，在某種程度上限制了管道的走向，這種情況下管架的設置合理性尤為明顯，其中最重要的就是應力管線的管架設計。文章一并探討了國有企業管架和國外某跨國企業管架設計的比較和偏重方面，企業間雖有不同設計理念以及采用的不同的管架設計方式，但殊途同歸。

關鍵詞：支吊架；應力管線；設計；設置合理性

1 概述

從當前以工藝優化牽頭進行的改造項目上來講，在老廠房增加新裝置或增加其他設備以達到生產擴能的目的，無一不是在縮減項目風險，減少土地成本，畢竟在現今社會土地資源緊張的化工跨國企業中，畢竟多占一塊土地就要多付出成幾何倍數的成本，狹小的空間既要保證應力管道的走向符合工藝要求，又要保證其他的管線的合理布局，盡量減小老管線特別是應力管線的moc，一方面壓縮施工量縮短工期，另一方面是增加對于項目成本的控制，減少不確定因素，避免無絕對必要的老管線修改，滿足工藝要求之后，美觀的管道走向及支架布置，以及給業主帶來的便捷以及寬敞舒適的操作檢修通道同樣也不能忽視，很多時候，需要考慮的優先是支吊架適不適合做來決定管道的布置。對于非應力管道，在一定程度上或者可以說管架的布置決定了管道的布置。

2 管架定義

2.1 管道支架

是指用于地上架空敷設管道支承的一種結構件。

2.2 管道一次架

指通常所說的管托以及u-bolt等一般分為固定、滑動、導向等。

2.3 管道二次支架

3 管架分類

指通常所說的支吊架。

（1）按荷載分為三個等級：特輕級（Q）、中級、特重級（Z）。在每一個荷載等級中，包含軸向滑動、雙向滑動、導向滑動、雙導向滑動四種結構類型。

（2）按支架的材料可分為鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚木結構等。

（3）按用途可分為活動支架（允許管道在支架上有位移的支架）和固定支架（固定在管道上用的支架）。固定支架用在不允許管道有軸向位移的地方。活動支架分為滑動支架、導向支架和滾動支架。

4 管架設計一般范圍

管架設計大致包括部分，一次架（包含管托、u-bolt、閥架）等的選用，支吊架的選用（外企中的俗稱二次支架），此外，還包含彈簧架的選用。屬于應力管線的，需要經過應力計算，來確定是否需要增加彈簧架膨脹節等。此外，管道支架的混凝土基礎也是管道支架設計中安裝中最重要的一部分，應該是要通過設計的。但是現實的安裝中，有的管道不是很大的管徑和振動的話，是可以按照原有的支墩進行安裝的。如果管道的管徑大而且振動大的話，應該通過設計進行計算后再做支墩。此支墩大小和一些承受載荷較大的支架我們都會給csa也就是結構專業提支墩和大管架條件，包括平臺上做的管架，我們需要一并注明需承受的管道載荷。

5 管道跨距計算

5.1 按剛度條件計算管道的跨距

連續敷設，均布荷載的水平直管道的支架跨距為：

式中：Lmax-管道支架最大允許跨距，m；q-管道單位長度計算載荷，N/m；q=管材重+附加重；W-管道截面抗彎截面系數（cm3）；φ-管道橫向焊縫系數；？墜-鋼管許用應力，MPa。

5.3 在工程設計時按強度和剛度兩個條件，取兩者最小值，作為管道支架間距。當然，在實際設計過程中，我們一般是按照金屬管道跨距表，和其他管道跨距表來進行設計較為便捷。

6 管架的設計

6.1 管托的選用

6.1.1 金屬管管托選用

金屬管管架首先就是確認管道材質，碳鋼管還是不銹鋼的，國內有選用碳鋼焊接管托，不銹鋼管夾管托，國外不管管道材料，都不采用直接在管道上焊接的管托，因為對于國企中常用的焊接相比，國外更愿意使用管卡類的管托和他們自己的貓爪（claws）。claws是用來卡住我們管托和其支撐的結構梁或二次支架上型鋼與型鋼之間的連接件，是由四個claws和四套螺栓以及一塊墊板組成。國外設計者對這個連接件的推崇無疑是因為這些支吊架具有的可拆卸性以及可調節性的優點，且國外管理者出于對焊接成本的考慮，因國內的焊接成本相對于與國外的焊接成本是非常低廉的。但在中國，顯然此貓爪其使用成本高于在我國的焊接成本。然后是看絕熱類型，保不保溫決定用u-bolt還是管托。特別注意的是，熱油管道以及保冷管道的管托是區別于其他金屬保溫管管托的，以上對管道設計剛入門的設計者來說具有參照性。

6.1.2 塑料管管托選用

在塑料管道上，有塑料管專用管托的型號，有時候，我們也加一些閥架，并且這個閥架多用于塑料管道閥門的支撐上，由于塑料管道剛性不夠，跨距又小，建議有閥門必加，特別是儀表閥門的支撐。

6.1.3 管道支吊架設計

支吊架管道支吊架的選用就是指外企所說的的二次管架的設計。

6.1.4 彈簧架的選用與設計

多用在應力管線上。有單彈簧吊，雙彈簧吊，彈簧支架等，有外企采用licad軟件。根據計算出的位移量，以及受到的冷載荷，查廠家標準找出適合的彈簧架型號，輸入此軟件中，能自動出彈簧材料表以及彈簧的各種數據。在選型時最好優先選用采購周期短即組成簡單的。

6.2 應力管線管架設計

6.2.1 應力管線管架設計注意點

關于管架的合理性配置與選型，正確地選擇支吊架的形式，是減小管道向上推力和力矩的有效措施，在管道系統的某些地方，加裝一些管架。可以限制主管道系統在一些地方的線位移，從而改變整個關系的力和力矩的分布，減小管道對設備管嘴的推力，管道水平推力與管道的牽引作用有關，正三角地等系管架的水平推力，也可以幫助我們合理地選用管架讓設計的管架不至于太笨重。為了防止側向有大的位移或者振動，這對應力管來說至關重要。

對于高壓管道管架的設計主要考慮的是應力問題（如管道振動、脈動等），這方面管架的設計一般根據管道應力程序計算確定。計管架除應滿足管道允許最大跨距和最大導向間距外，管架應盡量設置在直管段部分，避免在小半徑彎頭、支管連接點等局部應力較高的部位設置支承點，以防管系中局部應力過載；剛性支吊架應設在沿支承方向上管道位移為零或要求為零的位置上；支吊架應盡可能靠近閥門、法蘭及重管件，但不要對它們作直接支承，以免因局部載荷作用引起連接面泄露，或閥體因受力變形導致閥瓣卡住，關閉不嚴等不良后果；導向架不宜過分靠近彎頭和支管連接部位，否則可能額外地增加管系應力和支承系統的載荷；對因清理、維修等要求而需經常拆卸的管段，不適合設永久性管架。還有一些屬于應力管線的臨時支架，多出現在施工過程中。

6.2.2 管架的合理性問題

設計時應充分考慮管架的合理性，是否便于安裝、空間是否足夠。選擇彈簧的形式時候，應考慮安裝空間，特別是對恒力彈簧。另外，載荷很大的恒力彈簧，自重能達到好幾噸重，在給土建專業提條件的時候，應將彈簧的自重考慮充分。有些管道上方有梁，能用吊簧的地方，就沒必要在柱上焊三角架做支簧了。再比如，對施工開車檢修等工況考慮的不周到，管架應該盡量做到施工開車檢修時，不用設置臨時支架。為使管道支承系統的設計更加合理，對比較復雜的管系宜按以下步驟配置管架：根據配管要求和初步應力分析劃分管段，并確定端部固定架和必不可少的導向架位置；閥組的支撐：非必要時，閥組最好考慮成剛性支撐，因為到貨閥門的重量和設計重量可能偏差較大（特別是電動或氣動調節閥）。閥組一般都有多個支撐，為增強管道系統的穩定性，在不影響管道熱脹變形的情況，最好將其中一個支架考慮成固定支架。

6.2.3 蒸汽管線的管架設計

以蒸汽管線為例：

圖1

圖1中所示，蒸汽管道支撐在活動支架上，管道斷面承受由內壓和持續外載產生的應力。管道在工作狀態時，由內壓和持續外載產生的應力不得大于鋼材的計算溫度下的基本許用應力在工程設計時應考慮管道支架的最大允許跨距，以確保管道的安全運行。特別是在管廊上，在設置靠近補償彎的管道導向架時，距離loop最近的一個導向架不能距離補償彎太近，標準中規定32-40DN，以避免此處管道碰撞彎第一個確保安全運行前提下，應盡可能擴大活動支架的間距，以節約蒸汽管線的投資費用。

6.2.4 夾套管架設計

對于夾套管的管架設計而言，夾套管（蒸汽、熱油、熱水）計算（端部強度計算、內部導向翼板位置確定、同時包括任何應力分析管道的所有內容）；夾套管內管和外管之間的需要加spacer也就是我們說的定距板或定位板，功能相當于夾套管的法蘭的與內管相焊接的作用，主要是起到防止內、外管的偏心。定距板設置詳見表1。

表1 夾套管定距板設置最大間距

此外，夾套管的支架設置更為復雜，當遇到空間擁擠，夾套管上儀表多，分支多，閥門多時，夾套管能做支架的位置很有限，因為有很多跨管，以及這里面不得不提到高溫熱油夾套管的支架，它選用的管托是和保冷管托一樣箍在管道保溫外的，所以設計管道的時候就要加以重視。并適當考慮，既要保證操作檢修通道，又要預留做管架足夠的余量和直管段。

管架在國企的設計中，支吊架的設計或許會讓人感覺受到了忽視，一方面是因為設計周期太短而做的不夠詳細，圖紙也十分粗糙，另一方面，看起來國內的支吊架設計比起外企不得不更加倚重于現場的施工調整，在一些現場對于支吊架的修改在國企總包的國內項目施工中，浪費了一部分人工時。而國外依照的公司標準和嚴謹的設計態度，在詳細設計中，國外設計企業對支吊架設計方面細節上的把控尤為重視，這在設計之后出的管架施工圖中可見一斑。管道支吊架圖會比國內設計出來的文件來得更加詳盡，對于管道支吊架圖紙的要求也比較高，正好彌補了國內的施工人員對其標準的不熟悉。

7 高溫工況管架用材質

高溫工況在輸送介質溫度大于等于400℃的碳鋼管道和合金鋼、不銹鋼管道以及需進行焊接處理的管道優先選用卡箍式管托、管吊或選用帶同類材質墊板的支吊架。與管道直接接觸的支吊架零部件的材料應按管道設計溫度選用，與管道直接焊接的零部件的材料與管道材料相同或相容。關于高溫等工況下管道管架材質方面要符合標準要求。

8 結束語

管架的形式多種多樣，可選用的類型以及適用的環境也不會單一，設計很多時候可以因地制宜，但必須遵循的就是管架設計須以管道系統的安全運行為前提。設計時要做好管架的設計，盡最大可能精準化，能避免由于后期管架預制而造成不匹配的大量的修改工作，對項目而言，能縮短項目建設周期，在節約建設成本方面起著至關重要的作用。

參考文獻

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作者簡介：紀文（1986，10-），男，民族：漢族，籍貫：江蘇省句容，學歷：大專，現有職稱：初級工程師，工作單位；南京中圖數碼科技有限公司，研究方向：化工管道設計。