石油化工外管架設計要點簡析

臧連運，鄭 勇，王振書

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

石油化工外管架設計要點簡析

臧連運，鄭 勇，王振書

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

介紹了管架荷載的分類，對石油化工行業管架設計過程中的荷載推力進行了計算和分析，并結合實際工程經驗的做法，提出了系統管架設計中應注意的事項，旨在對相關的工程設計提供參考。

管架；荷載；水平推力；計算

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.008

在石油化工廠區內，管道及管架是整個廠區的血脈，聯系著全廠工序和生產裝置。對于目前日趨大型化的石油化工廠設計，管架設計具有嚴格的規范性和技術性。筆者結合多個石油化工項目外管管道和外管架設計及現場管理經歷，分析了一些外管架荷載、推力等方面的設計要點，在此提出來探討，并從管道設計、管架設計整體考慮，做到經濟、合理、安全。

1 管架荷載的分類

1.1 管架荷載

管架荷載可分以下幾類[1，2]：①永久荷載(恒荷載)——在管架結構使用期間，其值保持不變，或其變化值與平均值相比可以忽略不計的荷載，如隔熱材料荷載、管道荷載、管件及其他管道特殊件荷載等；②變化荷載(活荷載)——在管架結構使用期間，其值隨時間變化，且變化值與平均值相比不可以忽略的荷載，如管道輸送介質的重力、水壓試驗或管路清理時的介質重力、雪荷載、風荷載等；③偶然荷載——在管架使用期間只偶然出現，荷載值較大、持續時間較短。這類荷載通常是動荷載，如管內流體動量瞬間突變(如流體錘)引起的瞬態作用力、地震荷載等。

管道設計人員在以上荷載的基礎上附加一定比例(通常是20%)提給結構專業作為計算荷載，該附加量通常包括管道壁厚的誤差、保溫材料密度的誤差、熱膨脹引起的荷載變化、管托支架等質量。該附加系數亦可參照SH/T3055—2007《石油化工管架設計規范》6.6中荷載分項系數。SH/T3073—2004《石油化工管道支吊架設計規范》附錄C提供了每榀管架荷載的詳細計算方法，可供設計人員參考。

考慮廠區及管架的改、擴建，管道設計人員通常要考慮一定的管架預留，預留應控制在可預見的合理范圍內，當預留管道無法確定時，可參考SH/T3055—2007《石油化工管架設計規范》[3]6.1.2的計算方法。預留管道荷載和預留空間都不易過大，通常外管架預留約20%，裝置內管架預留約10%，若預留荷載及空間太大，會形成較大的空間浪費和鋼結構的經濟投入，而且會影響牽制系數的計算，計算得出的牽制系數偏小，從而影響管架結構的推力計算。

1.2 荷載轉移

跨越管架和相鄰第一個低管架、相鄰高低跨管架由于水錘作用、管道豎向的收縮和膨脹作用，高低兩個管架承受的豎向荷載比正常情況下的大很多，因此在計算荷載時，還需要在1.1節的方法基礎上乘以增大系數(通常取1.5)，以反映荷載的轉移問題。水平方向轉彎的管架可參照此條，距離轉彎角較近的幾榀管架的水平推力應乘以相應的放大系數。

1.3 一些特殊管道的荷載計算

目前在大型化工、石化項目的管道施工驗收中，為了保證施壓安全，在沒有特殊要求的情況下，一般采用水壓試驗。但當管架上出現某些大口徑氣體管道，且該大口徑氣體管道的充水荷載直接影響管架的結構設計時，若配管專業在提結構荷載時，全部按充水壓力試驗，則管架結構設計的經濟性是不合適的。以中國五環工程有限公司設計的某120萬t/a精細化學品項目為例，外管管架上的火炬排放氣管道、CO2尾氣排放氣等管道，管徑均在DN1 400～DN2 600之間，充水線荷載約3.5t/m，且在管架上敷設距離較長(約2.5km)，若施工驗收時采用水壓試驗，管架結構荷載較大，會增加鋼結構的投資費用，同時增加施工耗水量。

根據GB50235—2010《工業金屬管道工程施工規范》[4]中8.6.1條及8.6.2條中的相關規定，經設計單位和建設單位同意，符合條件的管道也可采用氣壓試驗，或對所有環向、縱向對接焊縫和螺旋焊焊縫應進行100%射線檢測或100%超聲檢測代替水壓試驗(具體詳見GB50235—2010 《工業金屬管道工程施工規范》8.6.2條)，故經建設單位同意，在管架設計階段，上文提到的大口徑氣體管道未考慮充水荷載，從而大大地降低了管架結構的經濟投資。

2 管架的水平推力

管架的水平推力主要包括管道熱脹冷縮所產生的推力及管內流體動量瞬間時突變(如流體錘)引起的瞬態作用力。根據管架與管道(管托)之間的連接形式及相對位移關系，即管道在管架上的支撐條件，管架通常可分為活動管架和固定管架。

2.1 中間管架類型的判斷

管道熱脹冷縮會產生管道位移，但由于管架柱剛度的不同、管架柱位移量與管道位移量的不同，中間活動管架分為剛性中間管架和柔性中間管架。結構設計中考慮結構成本及安全性，管道位移量較大，且管架高度較低時，通常采用剛性中間管架；反之，通常采用柔性中間管架。剛性中間管架和柔性中間管架判別依據如下：

Fuk≥Fgk為剛性中間管架，Fuk

Fuk為等效水平推力，kN；Fgk為軸向水平推力，kN。目前國內大型石油化工項目中，管架荷載量大、熱管溫度高、位移量大，多采用剛性管架。

2.2 剛性中間管架水平推力標準值計算

2.2.1 基本計算公式[3]

(1)

式中，Kj為牽制系數；Gk為正常工況時管道豎向荷載作用于橫梁的標準值總和，kN；μj為摩擦系數，鋼與鋼滑動接觸時，摩擦系數取0.3，鋼與混凝土的摩擦系數取0.6。

2.2.2 牽制系數

管道與活動管架之間因存在摩擦力而互相牽制，不同操作溫度的管道及不同工況下各管道的水平推力也通過管架相互牽制。牽制系數Kj的引入是用于綜合反應管束整體作用于管架上的水平推力的大小。牽制系數Kj按下列原則取值[3]：①當管道數量n<3時，Kj=1.0；②當管道數量n=3時，當α<0.5時，Kj=0.5；當α>0.7時，Kj=1.0；當0.5≤α≤0.7時，用插值；③當管道數量n≥4時，當α≥0.8時，Kj=1.0；當α<0.6時，Kj=0.5-(0.6-α)1.8；當0.6≤α<0.8時，用插值；④當管道數量Kj<0.2時，Kj取值0.2。

在實際工程計算中，為了避免插值計算，亦可按下列方法取值：①管架上支撐1～2根管道時，Kj=1.0；②管架上支撐3根管道時，Kj按表1選用[5]；③管架上敷設的管道多于4根時，Kj按圖1選用[5]。

表1 管架上敷設有3根管道時的牽制系數

圖1 n≥4 管道水平推力牽制系數注為牽制系數。

另外關于α的取值，實際工程中還應注意以下幾個方面。

(1)當計算所在層上熱力管線不止1根，且無法判定主要熱力管道時，應每根熱力管道分別計算α值，選較大值者。

(2) 梁構件設計計算時，只考慮該梁構件上全部管道荷載，選取其中的一根主要熱管計算α值。

(3)在管架柱和基礎的設計計算中,當管架上部結構中相鄰層間距較小時，管架結構自身及管道之間具有較強的牽制作用，水平推力計算時應考慮管架上的全部管道的豎向荷載，比較分析各層中的熱力管道，選取其中起主要作用的一根計算α值，管架的水平推力作用點取該熱力管道所在層。

主要熱管道所在層與相鄰層間距較大時，管架上部結構中各層間牽制作用減弱，牽制系數Kj應適當加大；當管架較高層有大口徑管道，且與主要熱管道不在同一層時，該大口徑管道層應單獨計算水平推力。

2.2.3 常溫管道水平推力取值

按相關規范，活動管架上管道符合下列條件之一者，計算管架水平推力值時可不考慮[3]：①介質的溫度≤40℃的常溫管道；②管道根數在10根以上，且介質的最高溫度(溫度應包括掃線時的溫度)Tmax≤130℃ ；③主要熱管重量與全部管道重量的比值α≤0.15。

但是隨著目前石化項目向大型化發展，管架上的架空管道口徑也在逐漸增大，部分大口徑常溫管道的水平推力也是不可忽視的。如在內蒙古杭錦旗一個大型石油化工設計項目中，1根DN2 600的常溫CO2尾氣管道敷設于管架頂層，由于管道口徑及剛性較大，且敷設距離較長，在應力計算時考慮-20℃～40℃的環境溫差，管道的水平推力最大處可達50kN，不可忽略，且對頂層的管架結構設計起到了決定性作用。為了減小鋼結構投資，該管道部分管托采用不銹鋼對聚四氟乙烯板，減小滑動管托摩擦力，有效減小了管道水平推力。

2.2.4 管道的振動荷載及推力

管架上的振動設備進出口管道及其他振動管道，如直徑≥200mm的蒸汽管道、高壓鍋爐給水管道等，管道專業在提結構條件的時候，應該明確向結構專業指出，并在垂直荷載上乘以一定的動力系數(通常取1.1～1.3)，并以此計算管道水平推力。但是一些特殊管道(如下文介紹的可燃性氣體排放管線)，配管專業按事故狀態提供荷載推力值時，荷載推力不再乘以動力系數。結構專業應按管道專業提出的振動管道位置及荷載推力考慮鋼結構構造上的梁柱節點接焊縫位置。

2.2.5 每一榀管架水平推力的取值

考慮到工程的建設進度、開車順序等原因，管架上的水平推力可能出現某先投用的主要熱力管道推力值為管架投用最大值的情況，每一榀管架水平推力的取值還需要比較按(1)式計算出來的水平推力與該管架橫梁上主要熱力管線的熱應力水平推力，取較大值[6]。

2.3 固定管架

2.3.1 固定管架的水平推力

由于管架上輸送的管道介質溫度較高或環境溫度的變化，長距離管道會因熱脹冷縮產生位移，為了限制管道位移，保障管束整體運行安全，通常每隔一定距離設置固定管架和補償器。管道補償器的彈力和中間活動管架的摩擦反力是構成固定管架水平推力的主要部分。

管道補償器彈力由管道應力專業根據管道走向、補償器安裝位置、補償器類型、管道介質屬性等計算得到。為了管網系統和管架結構運行的穩定性，管架上常用Π形補償器，并盡量沿固定管架對稱布置，以便管道系統在穩定運行時，管道固定支架兩側推力能抵消一部分，從而增強管架安全性。但是考慮到苛刻工況及管道運行的不確定性，如施工階段的管道投用順序、蒸汽吹掃預熱及其他施工工況時推力產生的不對稱性，固定架兩側的推力值不宜進行矢量累加，在實際工程設計中往往是進行絕對值累加，不考慮推力的方向性。

在縱梁式管架設計過程中，管道專業應提供給結構專業每一榀管架的荷載及水平推力，即包括固定支架的水平推力和中間活動管架的水平推力。結構專業在進行結構建模時，往往會把中間活動管架的水平推力再累加到熱力管道補償器兩邊的固定管架上進行固定管架的結構設計，其實這是沒有必要的。在管道應力專業的計算模型中(如CAESAR等)，計算程序已經將中間活動支架的水平推力累加到固定點上并給出應力報告。

在SH/T3055—2007[3]《石油化工管架設計規范》7.2.4節中規定，管架柱間支撐不平衡力標準值按下式計算：

(2)

其中，Nnck為固定管架處承受的兩側不平衡縱向力標準值，即水平推力；Nkmax為固定管架兩側縱梁中承受水平拉力標準值的較大值；Nkmin為固定管架兩側縱梁中承受水平拉力標準值的較小值。

Nkmax、Nkmin為固定管架兩側管架縱梁的縱向拉力，按該規范7.2.3計算時，已包含該側所有中間活動剛性管架處的摩擦力和管道膨脹節的彈性力、管道介質產生的壓力等，并已考慮牽制系數。

當管架結構模型按溫度區段區分，且固定管架的水平推力嚴格按規范要求計算，在計算縱梁式管架的縱向整體結構時，只有固定管架(或柱間支撐)處有推力，其他中間活動剛性管架處的摩擦力已考慮在固定管架的推力計算中，故管架縱向整體模型輸入時僅需輸入固定管架(或柱間支撐)處的推力，不應再次輸入各活動剛性管架的縱向推力。整體計算時只考慮固定管架的推力，活動管架的推力只是用來算構件。當一段管架中溫度區段無法準確分辨時，可輸入固定管架水平推力的各分項力。

2.3.2 可燃性氣體排放管線固定管架的水平推力

根據國內外工程實踐經驗，管道及管架的破壞事故主要是由管道內的氣液(冷凝液)兩相流的沖擊造成的，且該沖擊的方向和數值多變，很難在設計過程中通過軟件程序模擬計算得到，SH3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》[7]為保證全廠可燃性氣體排放管線的安全可靠，避免凝結液破壞膨脹節，要求新建的工程管道應采用自然補償，擴建、改建工程管道宜采用自然補償，且對于有凝結液的可燃性氣體排放管道對固定管架的水平推力取值，規定不應小于表2數值。當同一個固定管架上敷設有不止1根可燃性氣體排放管時，該固定管架的水平推力不應按表2的推力值進行疊加，管道專業應該按照集中荷載的形式，把每個可燃性氣體排放管的敷設點按表2所示的推力值單獨提條件給結構專業，結構專業分別計算，按最不利情況設計管架結構。另外，管道專業在計算管道應力時，可燃性氣體排放管線的熱應力推力值應盡量不超過表3的數值的50%，若超過，則需要在表2推力值的基礎上再附加應力計算值。管道專業應合理布置管道走向，盡量減小固定管架的熱應力推力值。

表2 固定管架水平推力

3 結語

在工程設計中，管架設計特別是管架荷載和水平推力的計算，需參照國家、行業等標準規范，同時還應結合工程實際，考慮主要熱力管線和其他特殊管線的實際布置情況及可能出現的各種工況。配管設計人員和結構設計人員應當進行有效充分的信息溝通和反饋，合理設定管架的溫度區段范圍[8]以及固定管架的位置，兼顧總圖、電氣、儀表等相關專業的要求，最終完成經濟合理、安全牢靠的管架設計。

[1] SH/T3073—2004，石油化工管道支吊架設計規范[S].

[2]Mohinder L.Nayyar，Piping Handbook [M]，7th edition，McGraw-Hill，B215-B218.

[3] SH/T3055-2007，石油化工管架設計規范[S].

[4] GB50235-2010，工業金屬管道工程施工規范[S].

[5] HG/T20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設計規定[S].

[6] 鄭勇.管道在管廊上的水平推力若干問題[J].石油和化工設備，2014(12)：8-10.

[7] SH3009-2013，石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].

[8] 潘灃.化工外管架選型及設計要點的探討[J].化工設計，2010(20)：13-17.

Analysis of the Main Design Points of Outer Pipe Rack in Petrochemical Industry

ZANG Lian-yun，ZHENG Yong，WANG Zhen-shu

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

This paper introduces the classification of pipe rack load，calculating and analyzing the load thrust in the pipe design of the petroleum chemical industry.Combined with the practical engineering experience，this paper puts forward some precautions in the design of pipe rack system as reference for the relevant engineering designs.

pipe rack；load；horizontal thrust；calculation

臧連運(1984年—)，男，安徽六安人，2010年畢業于南京工業大學化學工藝專業，碩士，工程師，現主要從事管道設計工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.008

TQ050.0

B

1004-8901(2017)01-0033-04