支吊架在石油化工管道中的合理設(shè)計(jì)

李萌萌

摘 要：管道支吊架是保護(hù)化工管道的主要構(gòu)件，它與管道的力學(xué)分析息息相關(guān)，因此在滿足應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上合理有效的選擇支吊架對(duì)管道設(shè)計(jì)人員是一項(xiàng)十分重要的工作。本文介紹了支吊架的結(jié)構(gòu)組成、作用、應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)力分析給我們的啟示等問題，最后結(jié)合實(shí)際情況闡述了支吊架在使用中存在的一些問題。要把管線和支吊架做為一個(gè)系統(tǒng)問題來處理，只有把這個(gè)系統(tǒng)做好了，在滿足工藝要求的前提下，管道設(shè)計(jì)才是優(yōu)化的。

關(guān)鍵詞：化工管道;支吊架;分類方法;管道設(shè)計(jì)

1 支吊架的分類

支吊架按用途可以簡(jiǎn)單分為以下三類：（1）承重支吊架（剛性支吊架、可調(diào)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(dǎo)向支架）;（3）減振支架（防振管卡、阻尼減振器）。

1. 1 承重支吊架

1. 1. 1 剛性支吊架

剛性支吊架在工程中應(yīng)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(gè)方向的自由度。它常用于管道在支撐點(diǎn)無向上垂直熱位移和附加位移或支撐點(diǎn)有較小的向下位移和附加位移，但不會(huì)由此在管系中造成較大的管系力的情況下。可調(diào)剛性支吊架是一般剛性支吊架的一種特殊型式，它可以使支吊架的高度在一定范圍內(nèi)得到調(diào)整，用于有少量豎直方向的熱位移或附加位移的場(chǎng)合。

1. 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系介于恒力彈簧和剛性支吊架之間，其數(shù)值等于彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的力。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會(huì)造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應(yīng)控制在 25%以下。恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點(diǎn)垂直位移量較大或管系受力要求較苛刻的場(chǎng)合，恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等于6%，以保證支吊點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，支承力的變化很小。

1. 2 限位支架

限位支架是以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的的支架。當(dāng)管系中的各點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，在管系中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置限位支架，可以控制支撐點(diǎn)的位移或某些方向的位移，使管系的位移朝著有利于保護(hù)敏感設(shè)備或有利于熱補(bǔ)償?shù)姆较蜻M(jìn)行。

1. 3 減振支架

防振管卡能有效地控制管系的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)，應(yīng)用之后，管道的剛度變大，支架對(duì)管道的阻尼作用也隨之增加，從而能降低管系的震動(dòng)，并且它允許管道有一定的軸向位移而使管系不會(huì)因熱脹而破壞。阻尼減振器對(duì)連續(xù)強(qiáng)迫高頻振動(dòng)的抑制效果較差，經(jīng)常用于緩解瞬間激振引起的有阻尼自由振動(dòng)。

2 支吊架的承載情況及其結(jié)構(gòu)組成

2. 1 支吊架的承載情況

根據(jù)支吊架的類型及其對(duì)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(yù)壓所產(chǎn)生的作用力及其轉(zhuǎn)移至剛性支吊架的荷重;（3）活動(dòng)支吊架的摩擦力;（4）管道熱脹冷縮產(chǎn)生的作用力和力矩;（5）管內(nèi)介質(zhì)的不平衡內(nèi)壓產(chǎn)生的推力;（6）風(fēng)載荷、雪載荷、地震等偶然載荷。上述每一種載荷都對(duì)支吊架本身起著關(guān)鍵的作用，在選擇時(shí)要充分考慮它們的存在。

2. 2 支吊架的結(jié)構(gòu)組成

管道支吊架由三部分組成，既與管子直接接觸的附管部件、生根部件及中間部分。

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(shí)候我們必須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。在選擇兩種連接方式時(shí)應(yīng)注意一些關(guān)鍵問題：直接焊接結(jié)構(gòu)在如下工況下應(yīng)禁止使用：（1）低溫管道;（2）高空敷設(shè)的合金鋼或有熱處理要求的碳鋼管道;（3）生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修和高空敷設(shè)且不宜焊接施工的管道;（4）吊架支撐，且管內(nèi)介質(zhì)溫度≥400 ℃的碳素鋼管道。管卡結(jié)構(gòu)應(yīng)注意如下問題：（1）保冷管道應(yīng)選用管卡型式，且管卡卡在保冷層的外層;（2）與不銹鋼管子相連時(shí)，應(yīng)在管子與管卡之間設(shè)置非金屬墊層;（3）當(dāng)在 DN≥50 的管子應(yīng)用管卡時(shí)，應(yīng)附屬有擋鐵;（4）當(dāng)管子有保溫時(shí)，隔熱層不應(yīng)遮擋管卡與中間連接件相連的部分;（5）當(dāng)水平管子在工作狀態(tài)下有平面位移時(shí)，管卡宜與吊架配合使用;

2. 2. 2 生根部件

根據(jù)裝置總平面及管道布置的要求，支吊架一般生根在地面、建構(gòu)筑物的梁或柱、平臺(tái)、設(shè)備本體等部位，無論生根在哪個(gè)部位都應(yīng)滿足生根點(diǎn)的承載面積、載荷極限和與生根構(gòu)件的連接方式等要求。

2. 2. 3 中間連接件

中間連接件起到的是過渡作用，它對(duì)被支撐的管子和生根部位不會(huì)產(chǎn)生直接的影響，一般只需材料本身的特性滿足要求即可，所以普通碳素鋼比較常用。例如，當(dāng)某些中間連接件與高溫的被支撐管子或被生根設(shè)備較近時(shí)，材料應(yīng)適應(yīng)高溫的要求，當(dāng)中間連接件為一些專用定型件時(shí)，其材料尚應(yīng)符合定型部件的加工標(biāo)準(zhǔn)需要。

3 設(shè)置支吊架的位置

3. 1 管道允許基本跨距

管道的基本跨距是指管道相鄰兩承重支架之間的距離，此距離要保證管道既不會(huì)失穩(wěn)，更不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。對(duì)于水平連續(xù)敷設(shè)的管道，工程上以三跨連續(xù)梁作為計(jì)算模型，并按承受均布載荷分別根據(jù)剛度條件計(jì)算和強(qiáng)度條件校核其最大允許跨距，取二者中的較小值。不同管徑基本跨距的數(shù)值我們可以查閱相關(guān)資料直接選用，對(duì)于未端管道和水平拐彎管道按照基本跨距取相應(yīng)的比例即可。

3. 2 承重支吊架位置的確定

承重支吊架除滿足基本跨距要求外，還應(yīng)在下列情況下著重考慮：（1）應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方;（2）在敏感設(shè)備的附近，宜設(shè)置承重支架;（3）大直徑管道三通下應(yīng)設(shè)置承重支架;（4）當(dāng)有較大重量閥門與設(shè)備水平方向嘴子直接相連時(shí)，應(yīng)在靠近嘴子處設(shè)置承重支架;（5）與立式設(shè)備嘴子相連接的管道，為減小設(shè)備嘴子承重，應(yīng)在靠近嘴子處設(shè)置承重支架;（6）當(dāng)裝置檢修或改造時(shí)，應(yīng)考慮管道上附屬閥門，相連接的設(shè)備移走時(shí)管道的承重支撐。

3. 3 限位支架位置的確定

3. 3. 1 導(dǎo)向支架位置的確定

（1）水平走向管道，若距離較長(zhǎng)，應(yīng)根據(jù)管徑在水平管道適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向支架;（2）不允許管道有徑向位移的位置，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架;（3）管道波紋管和自身的 π 彎兩端，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架;（4）立管長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，外界自然風(fēng)或管系內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)會(huì)引起管道的震動(dòng)，長(zhǎng)期震動(dòng)會(huì)造成管道焊口疲勞破壞，為避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)根據(jù)立管的長(zhǎng)度和管徑大小，分段設(shè)置導(dǎo)向支架;（5）管道在走向改變的情況下，若走向改變處有較大熱位移，且和相鄰管道或結(jié)構(gòu)等碰撞時(shí)，應(yīng)在走向改變后適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向支架。

3. 4 防振支架位置的確定

在使用防振支架時(shí)應(yīng)保證其生根部分應(yīng)有足夠的剛度，并且盡量生根在地面上，避免生根在其它結(jié)構(gòu)上，以免振動(dòng)傳遞而產(chǎn)生不利的影響，目前防振管卡應(yīng)用的比較多，防振支架主要應(yīng)用在如下場(chǎng)合：（1）有地震設(shè)防要求的管道;（2）可能發(fā)生水擊、兩相流等容易引起振動(dòng)的管道;（3）有機(jī)械振動(dòng)的管道。

4 管道應(yīng)力分析對(duì)支吊架選擇作用

對(duì)于一般的管道，我們使用本文前面的方法，再結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行支架選擇，但是對(duì)于一些高溫高壓的大直徑管道，通過應(yīng)力軟件進(jìn)行詳細(xì)分析后，我們發(fā)現(xiàn)原有的支吊架需要做出調(diào)整或者重新選擇，這說明了分析前我們選擇的支吊架不合理，這對(duì)支吊架的選擇有著深刻的啟示。通過對(duì)一次應(yīng)力及二次應(yīng)力的理解，在通常的情況下，應(yīng)力分析后會(huì)產(chǎn)生如下幾種與支吊架有關(guān)的問題值得我們注意：（1）支吊點(diǎn)的載荷或垂直位移過大，此時(shí)應(yīng)考慮在支吊點(diǎn)設(shè)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(yīng)力超標(biāo)，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;（3）熱態(tài)水平位移過大，缺少固定點(diǎn)，應(yīng)加固定或者止推支架;（4）一次應(yīng)力或者冷態(tài)位移過大，此時(shí)應(yīng)該在合理的位置加上支吊架;（5）設(shè)備受力超標(biāo)，支吊架設(shè)計(jì)不合理，重新選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]易良英. 淺談工程中常用管道支撐的作用及分類[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（18）：50-51.