淺議除塵管道支架設計

封洪波

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401120）

1 管道支架的分類及特點

根據各支架在管道系統中的作用不同，可以分為固定支架和活動支架兩種；而活動支架又根據各自的結構特點主要可分為剛性活動支架、柔性活動支架、半鉸接支架、雙向活動支架等4 種。

1.1 固定支架

支架結構具有足夠的剛度，保證管道系統的穩定性，在軸向和徑向（橫向）均為管道的固定點，管道與支架之間采用管托焊接固定；固定支架承受管道變形時由管道本身、補償器和管道內壓力差產生的推力；固定支架一般布置在補償器或自然補償管段的兩端。

1.2 剛性活動支架

支架結構的剛度較大，在管道變形時不同時發生相應的變形，支架與管道之間有一定的位移；也就是說支架與管道之間產生的靜摩擦力小于支架本身產生變形時的反彈力，因此兩者之間出現位移，同時產生滑動（或滾動）摩擦力；剛性活動支架的軸向為管道的可移動支點，橫向可視為管道的固定點，管道與支架之間采用滑動（或滾動）管托連接。

1.3 柔性活動支架

支架結構的剛度較小，在管道變形時同時隨管道變形，支架與管道之間不發生位移。也就是說支架與管道之間產生的靜摩擦力大于支架本身產生變形時的反彈力，因此兩者之間沒有位移。柔性活動支架的軸向為管道的可移動支點，橫向可視為管道的固定點，管道與支架之間采用滑動（或滾動）管托連接。

1.4 半鉸接支架

支架底部與基礎之間采用半鉸連接，在管道變形時支架產生傾斜以適應管道變形，支架與管道之間不發生相對位移。半鉸接支架的軸向為管道的可移動支點，橫向可視為管道的固定點。

1.5 雙向活動支架

管道沿支架支承平面內可任意方向位移的支架，該支架與管道之間有一定的位移。雙向活動支架主要有搖擺支架和雙向滑動支架兩種。搖擺支架底部與基礎之間沿雙向均采用鉸接；雙向滑動支架為一般剛性支架，其支架與管道之間的管托可雙向滑動。雙向活動支架適用于管道沿軸向和徑向均有較大變形的管段，一般布置在管道拐彎處。

2 管道載荷及跨距的計算

2.1 管道載荷概述

管道支吊架承受的載荷決定了管道支吊架構件及其基礎的大小，載荷大相應就會造成支架投資增加。該載荷按照受力方向不同可以分為3 類。

2.1.1 垂直載荷

主要包括管道、管道附件、保溫層、管道輸送介質、管道內可能出現的積灰等重量以及在水壓試驗或其他特殊情況下出現的水或其他介質的重量，還應包括冰雪、承重在管道上的平臺和在管道上工作的操作人員等載荷[1]。

2.1.2 軸向載荷

指沿管道軸線方向的水平載荷。包括管道位移時的摩擦反作用力、補償器（主要是指波紋管和自然補償器）的反彈力、管道內部不平衡壓力或支吊架的變形反彈力等。

2.1.3 徑向載荷

指與管道軸線方向有一定角度的側向水平載荷。包括自然補償管段或支架的推力、管道橫向位移產生的摩擦反作用力和風載荷等。

2.2 垂直載荷

2.2.1 水平管道

對于水平管道本身及其管道附件（如閥門、補償器及檢修平臺等）對某支架產生的垂直載荷，按式（1）計算。

式中：q——管道單位長度載荷，kg/m，包括管材重量、保溫結構重量及管道內積灰或積水的重量等；L1、L2——該支吊架與兩端相鄰支吊架的間距，m；Q——管道附件重量，kg；K——集中載荷分配系數；對于支架A，KA=b/L2；對于支架B，KB=a/L2。

2.2.2 垂直管道

對于垂直管道的垂直載荷，可以按照兩支架間的管道及管道附件總載荷平均分配給兩側支架承受來計算。

2.2.3 水平管道積灰載荷

根據大量工程的經驗總結，對于水平除塵管道，其管內積灰平均斷面積按照管道內流通斷面總面積的5%計算比較合適。

2.2.4 平臺檢修載荷

在設有檢修操作平臺或走臺的管段上，按照200kg/m2計算檢修載荷。

2.2.5 冰雪載荷

在寒冷地區，管壁溫度低于0℃時，應根據當地實際情況考慮冰雪載荷。

2.3 管道跨距

管道允許跨距的大小決定了管道支吊架的數量。如果跨距太小則造成支架太密，相應費用增加。因此在保證管道安全的前提下，應盡可能加大管道跨距。

管道支架的最大允許跨距主要取決于管道材質的強度、管道截面、管道載荷、管道坡度及管道允許最大撓度等。

2.3.1 按強度條件確定管道允許跨距

管道的自重彎曲應力不應超過對應的管材許用彎曲應力值，以確保管道的安全。按這一原則確定的管道允許跨距，稱為按強度條件計算的管道允許跨距。

對于連續敷設、載荷均勻分布的水平直管段，其支吊架最大允許跨距按照式（2）計算。

回顧性分析2016年9月至2017年5月間上海長海醫院術前行MRI檢查、術后經病理證實的14例胰腺導管腺癌患者的DWI資料。其中男性7例，女性7例，年齡44～73歲，平均59歲。腫瘤位于胰頭部9例、胰體尾部5例，腫瘤最長徑1.0～8.0 cm，平均2.9 cm。

2.3.2 按剛度條件確定管道允許跨距

管道在一定跨距下總會出現一定的撓度，由管道自重及相關垂直載荷產生的彎曲撓度f 不應超過管道跨距0.005。按這一原則確定的管道允許跨距，稱為按剛度條件計算的管道允許跨距。

對于連續敷設、載荷均勻分布的水平直管段，其支吊架最大允許跨距按照式（3）計算。

2.3.3 水平彎管管段支吊架允許跨距的確定

水平90°彎管的兩個支吊架間的管道展開長度，不應大于相應水平直管段的最大允許跨距的73%。

2.3.4 水平盲端直管段支吊架允許跨距的確定

2.3.5 煤氣管道支吊架允許跨距的確定

對于煤氣管道支吊架允許跨距，其計算同樣采用上述剛度原則。即按照煤氣管道在正常操作下的載荷，在坡度為0.005 時的撓度f 不超過跨距的1/600 計算，同時管壁的應力不應超過127.5MPa。

對于沒有附加載荷的跨距，按式（4）計算。

管壁應力按式（5）計算。

式中：M——管道彎矩，N·m。

撓度簡化計算公式如式（6）所示。

常用管徑的煤氣管道垂直載荷及允許跨距等參數可參相關規范要求。

3 固定支架的推力計算

3.1 固定支架間距的確定

管道固定支架的間距在滿足支架及其基礎的強度要求的前提下應盡量加大，合理布置，以減少固定支架的數量。固定支架的間距必須滿足以下條件。

（1）兩個固定支架間管段的變形量不得超過補償器的允許補償量。

（2）兩個固定支架間管段變形產生的推力必須滿足固定支架的強度要求。

（3）該管段不宜產生縱向彎曲。

煤氣管道固定支架最大間距可參考相關規范要求。

3.2 固定支架的推力計算

固定支架的推力包括前面描述的軸向載荷和徑向載荷，主要由管道補償器（主要是指波紋管和自然補償器）的反彈力、管道內部不平衡壓力、管道位移時與支架間的摩擦反作用力或支吊架的變形反彈力等。

在計算固定支架推力的合力時應根據支架兩側管道布置方式及受力情況采用力平衡原理進行逐一分析計算。

需要特別注意的是，為提高管道系統的安全性，當考慮支架兩側的管道水平載荷的抵消作用時，應對水平載荷較小的一側乘以0.7 的系數[2]。

3.2.1 補償器的反彈力

當管道膨脹或收縮產生位移時，補償器被壓縮或拉伸變形，由于補償器本身的剛度相應產生一個抵抗變形的力量，這個力通過管道反作用于兩端的固定支架上。

當采用波紋管補償器時，反彈力為波紋管剛度產生的推力或拉力；當采用套筒補償器時，反彈力為套筒內填料間的摩擦力；當采用球形補償器時，反彈力為補償器轉動時的摩擦力。

當采用非金屬補償器時，反彈力可以忽略不計；當采用自然補償時，反彈力為自然補償管段管道本身變形的反彈力[3]。

對于波紋管補償器，反彈力按式（7）計算。

式中：Kx——波紋管補償器的軸向總剛度，N/m；ex——該管段的設計補償量，m。

3.2.2 管道內部不平衡壓力

如圖1 所示，在兩個固定支架之間設有補償器，且在補償器一側又設有閥門或有彎頭。由于閥門或彎頭受到內壓力作用，將有使補償器脫開的趨勢。為了避免這種情況發生，固定支架必須具有足夠的剛度，以抵抗這個使補償器脫開的力[4]。這個力就是管道內部不平衡壓力。

圖1 管道內部不平衡壓力

對于圖1 所示固定支架和補償器布置在設有閥門或堵板或彎頭的管段時，內壓推力按式（8）計算。

式中：P0——管道內介質的工作壓力，kg/cm2；A——補償器的有效截面積，cm2。

對于固定支架布置在兩個不同管徑的補償器之間時，內壓推力按式（9）計算。

式中：A1——管徑較大補償器的有效截面積，cm2；A2——管徑較小補償器的有效截面積，cm2。

3.2.3 剛性活動支架的摩擦反作用力

從固定支架到補償器之間的剛性活動支架的摩擦力會通過管道傳到固定支架上，該力按式（10）計算。

式中：μ——摩擦系數，按相關規定選?。籊——剛性活動支架承受的垂直載荷，kg。

3.2.4 自然補償管段對固定支架的推力

自然補償管段在溫度變化下，管道膨脹或收縮產生變形，由于管道本身的剛度相應產生一個抵抗變形的力量，這個力通過管道作用于兩端的固定支架上。

對于高溫煙氣除塵管道，由于其管道直徑一般較大，在自然變形下的彈性變形力非常大，故在管道布置時應盡量避免出現在自然補償管段兩端均布置固定支架的情況[5]。當實際情況無法避免時，如前所述，應根據支架兩側管道布置方式及受力情況采用力平衡原理進行逐一分析計算。

4 結語

在布置除塵管道的設計過程中，需要根據工藝的要求布置管道走向，結合管道支架的設計，盡量做到整個管道系統和支架的經濟合理，減小管道推力，增加管道穩定性，這樣才能保證在系統長期穩定運行的前提下，減少資源浪費，節約投資。