管道門字型支吊架的設計

劉玉 王冠男

摘要：用來支撐管道的結構叫管道支吊架，管道在敷設時都必須對管子進行固定或支承，固定或支承管子的構件是支吊架。在化工工程里，管道支架分布廣、數量大、種類繁多，同時管道支吊架的設計和安裝對管道及其附件施工質量的好壞取決定性作用。如何采用安全適用、經濟合理、整齊美觀的管道支吊架是化工設計的一個重點。

關鍵詞：管道布置；支架計算

一、管道的布置

對管道進行合理的深化和布置是管道支吊架設計的前提條件。欲設計安全使用、經濟合理、整潔美觀的管道支吊架，首先需對管道進行合理的布置，其布置不得不考慮以下參數：

1.管道布置設計應符合各種工藝管道及系統流程的要求；

2.管道布置應統籌規劃，做到安全可靠、經濟合理、滿足施工、操作、維修等方面的要求，并力求整齊美觀；

3.在確定進出裝置（單元）的管道的方位與敷設方式時，應做到內外協調；

4.管道宜集中成排布置，成排管道之間的凈距（保溫管為保溫之間凈距）不應小于50mm。

5.輸送介質對距離、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直徑管道的布置，應符合設備布置設計的要求，并力求短而直，切勿交叉；

6.地上的管道宜敷設在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道時，宜使管架或管墩所受的垂直荷載、水平荷載均衡；

7.管道布置應使管道系統具有必要的柔性，在保證管道柔性及管道對設備、機泵管口作用力和力矩不超出過允許值的惰況下，應使管道最短，組成件最少；

8.應在管道規劃的同時考慮其支承點設置，并盡量將管道布置在距可靠支撐點最近處，但管道外表面距建筑物的最小凈距不應小于100mm，同時應盡量考慮利用管道的自然形狀達到自行補償；

9.管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，減少氣袋或液袋。不可避免時應根據操作、檢修要求設置放空、放凈。

二、管架跨距

管架的跨距的大小直接決定著管架的數量。跨距太小造成管架過密，管架數量增多，費用增高。所以設計管道的支吊架應先確定管架的最大跨距，管架的最大允許跨距計算應按強度和剛度兩個條件分別計算，取其小值作為推薦的最大允許跨距。

1.按強度條件計算的管架最大跨距的計算公式：

Lmax——管架最大允許跨距（m）

q——管道長度計算荷載（N/m），q=管材重+保溫重+附加重

W——管道截面抗彎系數（cm3）

Φ——管道橫向焊縫系數，取0.7

[δ]t 鋼管許用應力——鋼管許用應力（N/mm2）

2.按剛度條件計算的管架最大跨距的計算公式：

Lmax——管架最大允許跨距（m）

q——管道長度計算荷載（N/m），q=管材重+保溫重+附加重

Et——剛性彈性模量（N/mm2）

I——管道截面慣性矩（cm4）

i0——管道放水坡度，取0.002

三、管架分析

1.管道支吊架介紹

用來支撐管道的結構叫管道支吊架，管道在敷設時都必須對管道進行固定或支撐，固定或支撐管子的構件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊桿（簡稱柱或吊桿）、管架梁（簡稱梁）和支撐節點組成。

2.管架荷載分析

（1）垂直荷載

管道支吊架垂直荷載根據性質可分為基本垂直荷載和可變垂直荷載，其中基本垂直荷載指管道支吊架所承受的管道重力、介質重力、保溫層等附件的重力等永久性荷載。可變垂直荷載指管道所承受的活荷載、沉積物重力和發生地震時所應該承受的特殊變化的荷載。因可變垂直荷載是無法精確計算的，為此我們將管道支吊架的基本垂直荷載乘以一個經驗系數（一般為1.2～1.4）作為管架垂直方向的計算荷載。

管道支吊架基本垂直荷載計算，可先將復雜的管道支架體系近似的看作簡支梁，根據受力分析，管架B所承受的基本垂直荷載為GB‘=（GL1+ GL1）/2

因管道支吊架在一個工程里數量種類繁多，不可能一一計算，為此我們只需考慮同類型支架的最不利受力狀況即可，根據管道支吊架的最大允許跨度來計算最不利支架，此時就只需計算長度為最大允許跨度L的管道、介質、保溫層的重力GB即可。

其重力方向的計算荷載為G=αGB （α=1.2～1.4）

（2）水平荷載

管道水平方向的荷載是作用在管架上的水平推力，根據支架類型可分為活動管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。

a.活動管架水平推力主要來自管道摩擦力，吊桿水平推力可忽略；

水平推力即為管道摩擦力f=μG（μ為摩擦系數，G為管道垂直荷載）

b.固定支架的水平推力主要來自補償器的彈性變形力。

采用補償器補償的管道，其作用在固定管架上的水平推力為補償器被壓縮或拉伸所產生的反彈力。

水平推力=補償器反彈力T=ηΔL （η為補償器的彈性模量，ΔL為補償器發生的變形長度）

采用自然補償的管道，是利用管道的自然彎曲形狀所具有的柔性以補償管道的熱脹和冷縮位移，如圖所示。

固定支架變形管道長度為L，補償臂管道長為Lb

管道安裝溫度按t1℃考慮，管道工作溫度為t2℃，故鋼管材質的管道會在溫度變化下縮短ΔL=α×ΔT×L（式中α為鋼管的線膨脹系數，ΔT為溫差，L為固定支架變形管道長度）

故作用在管道補償上的推力為T=3ΔLEI/Lb3（E為管道的彈性模量，I為管道的慣性矩）

四、管架梁選型

根據管架梁的受力分析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出現2種現象，一是管架梁會沿著受力方向被剪斷，另一種是管架梁會沿著受力方向發生過大彎曲變形，嚴重的會發生彎曲折斷。所以合理的選擇管架梁就是使管架梁能剛好滿足梁的抗彎和抗剪要求。

1.管架梁內力分析

將管架假設為剛性結構的簡支梁，分別根據管架梁的垂直受力和水平受力情況，按照平面簡支梁進行內力分析，并根據靜力方程求得管架梁的內力，并繪制梁的剪力圖和彎矩圖，求出最大剪力和最大彎矩。

2.管架梁選型

（1）管架梁抗彎強度計算

管架梁的最大彎矩計算得出后，根據以下公式對管架梁的材料規格型號進行選擇：

式中：rx、ry——截面塑性發展系數，一般型鋼取1.05

Mx、My——所驗算梁截面繞X軸和繞Y軸的最大彎矩（N·m）

Wnx、Wny——所驗算梁截面對X軸和對Y軸的截面系數（cm3）

σ——鋼材的抗拉強度，一般型鋼鋼材取210MPa

采用驗算法將初步估計型鋼規格所對應的截面系數代入以上公式進行驗算，滿足該方程的型鋼可作為管架梁的備選材料。

（2）管架梁抗剪強度校驗

根據管架梁的抗彎強度計算所選出的支架，還需檢驗其是否滿足管架梁的剪切要求。參照如下公式對管道所承受的剪力進行校驗。

式中：τ——抗剪強度

Vx、Vy——梁所承受的X軸方向、Y軸方向的最大剪力（N）

S——梁截面面積（m2）

σv——鋼材的抗拉強度，一般型鋼鋼材取160MPa