石化裝置管道支吊架的設計

張 浩

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

管道支吊架是保護管道的主要構件，它與管道的使用壽命息息相關，熟練地掌握各種支吊架的組成、使用特點，并且能夠科學合理地對其選擇對管道設計工作十分重要。隨著計算機的發展，詳細的應力分析，對一些重要管道支吊架的選擇提供了有力保障。本文從管道支吊架的基本分類出發，探討了支吊架使用時需注意的一般問題。

1 支吊架的分類

支吊架按用途可以簡單分為以下三類：

(1)承重支吊架(剛性支吊架、可調剛性支吊架、可變彈簧支吊架、恒力彈簧支吊架)；

(2)限位支架(固定支架、止推支架、導向支架)；

(3)減振支架(防振管卡、阻尼減振器)。

1.1 剛性支吊架

剛性支吊架在工程中應用的最多，它的理論剛度可以理解為無窮大，剛性支吊架僅限制管道一個方向的自由度[1]。它常用于管道在支撐點無向上垂直熱位移和附加位移或支撐點有較小的向下位移和附加位移，但不會由此在管系中造成較大的管系力的情況下。可調剛性支吊架是剛性支吊架的一種特殊型式，它可以在一定范圍內調整支吊架的高度，主要用于豎直方向有少量熱位移或附加位移的場合。

1.2 彈簧支吊架

彈簧支吊架可以分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，恒力彈簧支吊架的理論剛度為零，可變彈簧支吊架的理論剛度介于恒力彈簧和剛性支吊架之間，其力學計算式符合胡克定律。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會造成一定的荷載轉移，為防止過大的荷載轉移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應控制在25%以下。恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點垂直位移量較大或管系受力要求較苛刻的場合，恒力彈簧的恒定度應小于或等于6%，以保證支吊點發生位移時，支承力的變化很小。

1.3 限位支架

限位支架以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的。當管系中的各點發生位移時，在管系中適當的位置設置限位支架，可以控制支撐點某些方向的位移，使管系的位移朝著有利于保護敏感設備或有利于熱補償的方向進行。固定支架限制管道支撐點三個方向的線位移和三個方向的角位移，導向支架限制管道支撐點兩個方向的線位移，止推支架限制管道支撐點一個方向的線位移，它可以代替固定支架用于限制管道的軸向位移。

1.4 防振支架

防振管卡能有效地控制管系的高頻強迫振動，它對管道施加了較大的剛度，從而增加了支架對管道的阻尼作用，有效地降低了管系的振動，并且它允許管道有一定的軸向位移而使管系不會因熱脹而破壞。阻尼減振器對連續強迫高頻振動的抑制效果較差，經常用于緩解瞬間激振引起的有阻尼自由振動[2]。

2 支吊架的承載情況及基本組成

2.1 支吊架的承載情況

根據支吊架的類型及其對管道所起的作用不同，大體上承受如下幾類載荷：

(1)管子及附件重量；

(2)彈簧支吊架預壓所產生的作用力及其轉移至剛性支吊架的荷重；

(3)活動支吊架的摩擦力；

(4)管道熱脹冷縮產生的作用力和力矩；

(5)管內介質的不平衡內壓產生的推力；

(6)風載荷、雪載荷、地震等偶然載荷。

2.2 支吊架的結構組成

一般情況下，管道支吊架由三部分組成，包括與管子直接接觸的附管部件、與地面、設備、建構筑物等支撐設施相連的生根部件及連接附管部件和生根部件的中間部分。

2.2.1 附管部件

附管部件與管子直接連接，選用支吊架的時候首先要考慮附管部件與管子材料及安裝條件的融合性，附管部件與管子可以直接焊接或管卡連接[2]。在選擇兩種連接方式時應注意一些關鍵問題。

直接焊接結構需注意如下問題：

(1)低溫管道；

(2)合金鋼或有熱處理要求的碳鋼管道；

(3)生產中需要經常拆卸檢修和高空敷設且不宜焊接施工的管道；

(4)介質溫度≥400℃的高壓管道。

管卡結構需注意如下問題：

(1)保冷管道應選用管卡型式，且管卡卡在保冷層的外層；

(2)與不銹鋼管道相連時，應在管子與管卡之間設置非金屬墊層；

(3)對于DN≥50的管子，當采用管卡承重時，應設置擋鐵；

(4)當管子有保溫時，管卡與中間連接件相連的部分應漏出隔熱層外；

(5)當水平管子在工作狀態下有平面位移時，管卡宜與吊架配合使用；

(6)成排布置的管道，要注意管卡與相鄰管道的空間；

(7)軸向限位不使用管卡結構。

2.2.2 生根部件與中間連接件

支吊架一般生跟在地面、建構筑物的梁或柱、平臺、設備本體等部位，生根部位應滿足生根點的承載面積、載荷極限和與生根構件的連接方式相匹配的要求。

中間連接件起到的是過渡作用，它對被支撐的管道和生根部位不會產生直接的影響，一般只需材料本身的物理特性滿足要求即可，所以普通碳鋼比較常用。

3 設置支吊架的位置

3.1 承重支吊架位置的確定

承重支吊架除滿足本文上述的要求外，還應在下列情況下著重考慮：

(1)應布置在靠近集中載荷的地方；

(2)在敏感設備的附近，宜設置承重支架[1]；

(3)應設在彎管和大直徑三通式分支管附近；

(4)當塔的水平管嘴直接安裝DN≥150的閥門時，應在其附近設承重支架；

(5)沿立式設備敷設的豎直管道，應在盡可能靠近嘴子處的豎管上設承重支架；

(6)當裝置檢修或建設施工階段，應考慮與其設備相連管道的穩定性，必要時應設臨時承重支架。

3.2 限位支架位置的確定

根據本文前面的描述，限位支架所起的作用是對管道的線位移和角位移起到一定的限制作用，使管道滿足要求，根據前面的分類分別討論如下：

3.2.1 導向支架位置的確定

(1)允許管道軸向位移而不允許徑向位移的位置應設置導向支架；

(2)水平設置的π型補償器和波紋管膨脹節兩側應設置導向支架；

(3)豎直管道較長時，為了防止因風載荷等引起的管道大幅度振動或擺動，應沿管道分段設置導向支架；

(4)管道在拐彎處有較大位移并影響到鄰近管道或其它設施時，應在適當位置設置導向支架[2]。

3.2.2 固定支架位置的確定

出于對管道柔性的考慮，一般情況下要慎重使用固定支架[1]，確定管道固定支架位置時，應使其有利于兩固定點之間管段的自然補償，在下列情況下可以考慮使用固定支架：

(1)選用π形補償器時，宜將其設置在兩固定支架的之間的合適位置；

(2)固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(3)生根在地面的調節閥組等，在不妨礙熱補償的情況下，應在一端設固定支架；

(4)對于復雜管系，為了滿足其柔性，可用固定支架將它劃分成幾個形狀較為簡單的管段[2]；

(5)固定支架應設置在需要承受管道振動、沖擊等載荷或需要限制管道多方向位移的地方[1]；

(6)在裝置分界處宜設固定支架。

3.2.3 止推支架位置的確定

(1)在熱態情況下，當管系的熱脹方向朝向敏感設備管咀時，可在適當的位置設置逆熱膨脹方向的止推支架；

(2)剛度較大的管道對設備、設備基礎等產生較大推力時，可在適當的位置設止推支架；

(3)在補償器的兩端，裝置邊界線的管道固定點等，止推支架在某些場合可代替固定支架。

3.3 防振支架位置的確定

在使用防振支架時應保證其生根部分應有足夠的剛度，且要生根在地面上，以免振動傳遞而產生不利的影響，目前防振管卡應用較多，防振支架主要應用在如下場合：

(1)有地震設防要求的管道；

(2)可能發生水擊、兩相流等容易引起振動的管道[1]；

(3)有機械振動的管道；

(4)安裝減壓閥等產生壓差的管道。

4 應力分析結果對支吊架選擇的修正

本文前面論述的支吊架選擇方法，未經過詳細應力計算修正。對于一些有應力分析要求的管道，需要通過計算調整或者重新選擇支吊架，應力分析后如下幾種與支吊架有關的問題值得我們注意：

(1)支吊點的載荷或垂直位移過大，此時應考慮在支吊點設置彈簧支吊架，以增加管系垂直方向上的柔性；

(2)限位支架所受水平力過大或二次應力超標，可能是固定支架或者止推支架的位置選擇不正確，使得管系的柔性不夠，不能吸收本身的變形量[1]；

(3)熱態水平位移過大，缺少固定點，應加固定或者止推支架；

(4)一次應力或者冷態位移過大，此時應該在合理的位置加上支吊架；

(5)設備受力超標，支吊架設計不合理，重新選擇。

5 結語

能夠合理地選擇支吊架體現了管道設計人員綜合素質，除需滿足本文上述所討論的一般要求外，工程實踐中如下關于支吊架的問題同樣值得我們思考：

(1)彈簧支吊架確實能對管系的柔性起到一定的作用，但彈簧也會帶來管系不穩定、易振動、檢修維護等問題，因此，盡量利用管道自身的柔性吸收位移；

(2)支吊架的自身的防腐、保護等問題要引起關注；

(3)對于同一個支吊點，如果有不同的支吊架可以選擇，要分析比較最優的支吊方式；

(4)要充分核算支吊架的生根空間和承載能力問題，特別是帶有附屬結構的支吊架尤其注意；

(5)支架和吊架相比，由于摩擦力的作用使其更加穩定，在多數情況下優選支架，但在少數情況下，由于吊架生根在管道上側，為人的通行提供了方便，其次吊架本身允許有一個擺角，這對缺少柔性的管系是一個幫助；

(6)隨著裝置的大型化，大管道的支吊架要充分重視其穩定性和抗摩擦能力，對于一些管道要考慮使用墊板，以防止電 位腐蝕和滿足熱處理的要求;

(7)高壓厚壁管道的支吊架與管道接觸的部位要考慮，以降低應力超標的可能性；

(8)支吊架的施工同樣要按標準要求執行。