管道支架設計淺議

鄧 寧

（北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075）

管道支架設計對于管道設計來說是一項極其重要的工作，尤其對那些高溫高壓，有毒可燃，強腐蝕性的管道。正確的支架設置可以滿足管道強度和剛度的需求，同時能有效的降低管道隊機械設備產生的較大的附加荷載，防止因管道的振動，位移等原因造成的泄露，爆炸等事故的發生，有效的保護管道和設備管口，保障化工裝置的正常運行。

1 管道支吊架選用

管道支架包括了所有管系支承裝置，其結構、形狀眾多，但就其機能和用途可以為支架（包括管托、滾動支架、管卡、平衡錘支、架彈簧支架等）；吊架（包括鋼性吊架、彈簧吊架）；限制性支架和支承裝置等等。

1）管道支架的選用應根據管道支承點位置以及荷載大小方向、位移情況、工作溫度、絕熱、管道材質、生根位置、限位或防振要求等綜合考慮,選用適合的支架。支吊架的結構件應具有足夠的強度和剛度，并盡量簡單。設計時選用標準支架零部件。管道支架需直接與合金鋼、不銹鋼管道焊接時,其連接構件的材質需與管道材質相匹配。

2）支吊架的間距，應小于或者等于管道的允許跨距，水平敷設在支架上的有隔熱層的管道，應設置管托，其滑動面應露在隔熱層之外,同時要選用滿足管道熱位移所需的加長管托。垂直敷設的有隔熱層的管道，在支架處應設置能保護隔熱層的筋板或支耳等結構。

3）輸送介質溫度等于或者高于400℃的碳鋼管道和合金鋼，不銹鋼管道以及需要進行焊后熱處理的管道應優先選用卡箍式管托、管吊或選用帶同類材料墊板的支吊架。架設在高空不易焊接的管道，經常拆卸的管道和襯里管道，宜選用卡箍式管托管吊。保冷管道，應選用保冷管托，管吊。

4）管道無垂直位移或垂直位移很小且允許約束的部位可選用剛性支架。當管道在支承點處不得有任何位移時應選用固定支架，補償器應設在兩固定支架之間，∏型補償器距固定支架的距離，不宜小于兩支架間距的1/3。當管道在支承點處有軸向位移且需限制橫向位移時，應選用導向支架，沿立式設備敷設的管道宜設導向支架，并不宜設在彎頭和支管連接處。

5）管道在支承點處有位移且荷載變化率大于6%時選用可變彈簧支架,當荷載變化率不大于6%時選用恒力彈簧支架。至于管道在支點處有多少垂直位移才選用彈簧吊架，根據魯默斯公司規定，支點垂直位移超過2.54mm者要用彈簧支（吊）架，小于此值可不用。例如榆煉制氫裝置轉化氣預熱鍋爐至中變反應器的轉化氣管線管徑DN300，溫度400℃，經過應力專業分析，反應器入口管口附近的管線垂直位移量達到44mm因此需要考慮選用彈簧支架來承受管道荷載,避免管道支撐處脫空或管道變形受到約束,使管道支架處的荷載轉移造成管道一次應力增大可能超過材料的許用應力,和使相鄰管道支架 （或設備管口）受力超出其荷載允許值,或使管道產生的較大二次應力可能超過許用位移應力范圍。

2 管道支吊架位置的確定

管道支架設置除了滿足管道最大允許跨度的要求，外還應考慮以下事項：

1）管道支吊架應靠近管系的兩端，當管系與設備相接時，應盡量靠近設備管嘴，以減少其受力（和彎矩）。

2）管道集中荷載處、彎管附近，大直徑三通式分支管處附近和有法蘭等可拆連接處需要考慮設置支架。鄰近管道可以考慮合用一個管架。安全閥出口放空管道上通常需要設置剛性支架,以承受安全閥起跳放空時,介質排放對管道產生的反作用力。

3）盡可能利用建筑物、構筑物的梁、柱設支架的生根結構，且其荷載應不能使梁柱彎曲變形，注意的是大型往復式泵、壓縮機的進出口管道和其他有振動的大直徑管道,需要考慮單獨設置生根在地面上的管道支架外。

4）管系有垂直管段時，宜在垂直管段上部或下部設承重支架，垂直管段很長，中間應設導向支架。例如:塔頂氣相管道在距上部封頭焊接最小150mm處設置承受管道重量的固定支架，其他支架可設為上下滑動的導向支架。

5）需要維護的管道支架,例如彈簧支架、減振支架和阻尼支架等,應考慮在支架周圍留有足夠的維護空間。同時管道支架不應妨礙管道與設備之間的連接、設備和管道的運行、操作及檢修。例如在靠近泵的管道上設置的支架,應滿足泵移走時管道不需要設臨時支架。同樣加氫反應器出口管道上與反應器頂蓋上可拆卸段相接的管道需要考慮設承重支架,以便反應器頂蓋拆卸時支撐出口管道。

3 管道支吊架的生根

管道支架的生根部位應滿足管系的荷載要求，因此需要有一定的強度和剛度。例如支撐在地面上的支架,當管道支架荷載較大,特別彎矩較大或有振動荷載時,超出了標準管架的使用范圍時，管道需向結構專業提出條件，由結構專業設計滿足荷載要求的支架。同樣蒸汽輪機進出口管道上的固定支架和限位支架的生根部位強度不夠,就會造成支架達不到預期的固定和限位作用。當管道支架直接生根焊或通過高強度螺栓連接而生根于設備外壁時,其生根部位將產生局部應力,特別是管道支架所承受的荷載較大時,可能造成設備外壁生根部位局部應力過大,對設備的整體穩定性產生影響。管道支架生根焊在鋼制設備上時,所用墊板應按設備外形成型,墊板材料與設備材料相匹配；在有襯里設備或管道上的生根件,應在襯里前完成其焊制工作；在需要熱處理的設備上的生根件,應在設備熱處理前完成其焊制工作。

4 振動管道的支架

裝置的管道和設備發生振動的原因主要有：1）流體的不規則流動或流體通過彎管部分由于動能的變化，或由于周期性的外力作用；2）泵、壓縮機、透平等回轉或往復運動的機械不平衡而引起的機械的振動；3）室外管道和設備受到周期性的風壓；4）安全閥和減壓閥的急速開放引起的沖擊和振動；5)壓縮氣體和兩相流體的湍振。例如往復式壓縮機進出口管道支架基礎，必須與壓縮機基礎及建構筑物分開,不在機殼、底座、樓板或平臺上生根,應設計成獨立支架且支架高度應盡可能低些。振動管道上的管道相鄰支架間的距離不應相等，其差值一般取100～200mm；管道支架應設在所有管道拐彎、分支、標高有變化及集中荷載附近，其支架采用特殊的抑震管架；第一個支架應盡量靠近壓縮機布置,并采用限位支架來控制管道位移的方向和承受管道對壓縮機的作用力和力矩。對于需要率熱應力的管道，其管架位置需要經過計算機應力分析后統一考慮。

5 彈簧支架

彈簧支架選用的型式需要考慮支架本身需要的安裝空間尺寸、管道和設備布置的要求。可變彈簧支吊架的荷載變化率不應大于25%，當管道荷載超過一個可變彈簧支吊架的最大允許荷載時，可選用兩個或兩個以上相同型號的可變彈簧并聯安裝，每個彈簧承受的荷載，應按并聯彈簧數平均分配。

6 結語

管道支架設計和管道熱應力解析是不可分割的，做支承設計時要考慮經濟合理，要滿足強度，任何一個管道支架的失效都可能導致管道系統破壞,直接影響管道自身系統。在化工行業的設計工作中不能忽視。

［1］SH/T 3073－2004石油化工管道支吊架設計規范[S].

［2］蔡爾輔.石油化工管道設計[M].化學工業出版社，2004－4－1.