化工外管架選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

在化工、石油化工廠中，外管是連接化工生產(chǎn)裝置間的管道，為化工生產(chǎn)裝置輸送各種半成品或成品的管道均屬外管，它分布并聯(lián)系全廠各生產(chǎn)裝置，如同人體的血脈。支撐外管的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱外管架，包括梁、柱、桁架及基礎(chǔ)，仿佛人體的骨架。管道與管架是一個(gè)有機(jī)整體的結(jié)構(gòu)體系，它們相互配合，協(xié)調(diào)工作。由于管道的數(shù)量、大小、布置方式、管架間距和高度、補(bǔ)償器形式及輸送介質(zhì)的質(zhì)量、溫度和壓力各不相同，對管架的水平推力和牽制作用也有所不同，且外管架是全廠性的，因此外管架的數(shù)量和差異很大，需要合理選用結(jié)構(gòu)形式，降低工程造價(jià)。筆者根據(jù)近年來在大中型化工項(xiàng)目外管架的設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討外管架設(shè)計(jì)中的若干問題。

1 管架的分類

根據(jù)《化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T 20670-2000的規(guī)定，按材料區(qū)分管架可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)及全鋼結(jié)構(gòu)管架等三種類型。要根據(jù)裝置規(guī)模、施工條件、建設(shè)周期等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較后，選用合理的管架結(jié)構(gòu)方案。

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管架

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管架造價(jià)較低，防火和耐腐蝕能力強(qiáng)，但不易改擴(kuò)建，施工周期長，不宜用于復(fù)雜的外形,現(xiàn)已很少采用。

1.2 鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)管架

鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)管架能節(jié)省鋼材、耐腐蝕、防火性能較好、造價(jià)介于兩者之間，但在混凝土構(gòu)件上埋件較麻煩，施工周期相對較長。

1.3 全鋼結(jié)構(gòu)管架

全鋼結(jié)構(gòu)管架易改擴(kuò)建、施工方便、輕巧美觀、適用于復(fù)雜的外形、抗震性能較好，但造價(jià)較高、防火和耐腐蝕能力較差。

鋼結(jié)構(gòu)管架已越來越普遍用于實(shí)際工程中，專業(yè)間設(shè)計(jì)條件簡單、施工安裝快和便于今后的改造和擴(kuò)建，應(yīng)盡量選用。

2 外管架的結(jié)構(gòu)受力體系

2.1 管架結(jié)構(gòu)體系

由于支撐管線較多及輸送距離較長，外管架的數(shù)量很大，外管架多采用縱梁式，即沿管道軸向在各個(gè)獨(dú)立式管架間設(shè)置縱梁，并根據(jù)管道允許的跨距，在梁上設(shè)置一定數(shù)量的橫次梁以敷設(shè)管徑較小的管道和電纜橋架等。當(dāng)管架間距或荷載很大時(shí)，用桁架代替縱梁?？v梁式、桁架式鋼結(jié)構(gòu)管架體系見圖1。

圖1 縱梁式管架結(jié)構(gòu)示意圖

橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力，管道固定點(diǎn)均設(shè)在管架橫梁上，其結(jié)構(gòu)體系見圖2。

縱梁式、桁架式鋼管架的節(jié)點(diǎn)一般采用焊接連接形式，可先用安裝螺栓臨時(shí)固定，再行施焊；如施工條件許可，梁柱等主要節(jié)點(diǎn)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成剛接節(jié)點(diǎn)，并采用工廠加工，現(xiàn)場再用高強(qiáng)螺栓連接的方式。

圖2 縱梁式管架橫向示意圖

2.2 管架受力方式

外管架體系一般由固定管架和中間活動管架(又稱中間管架)組成，它們有不同的作用、受力和結(jié)構(gòu)形式。

2.2.1 固定管架

固定管架與管道支座為固定連接，不允許產(chǎn)生相對位移，將承受較大的水平推力，故應(yīng)有足夠的剛度，以保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。固定管架應(yīng)選用剛性管架，水平推力較小者可采用獨(dú)立式管架，較大者宜采用組合式空間體系結(jié)構(gòu)，如四柱式框架見圖3。

圖3 水平荷載較大時(shí)采用的四柱式框架

組合式結(jié)構(gòu)宜采用型鋼作柱間支撐，承擔(dān)管道的不平衡水平推力，加強(qiáng)管架的縱向整體剛度，一般在管道布置允許時(shí)，設(shè)置柱間支撐會比簡單的節(jié)點(diǎn)剛接的四柱式框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。此外，縱梁式管架還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)溫度伸縮縫間距的要求，全鋼管架不宜大于120m，一般做法是在縱梁與支架柱的連接節(jié)點(diǎn)上采用滑動支座，縱向柱間支撐一般設(shè)置在每個(gè)溫度區(qū)段的中間部位，不宜在溫度區(qū)段兩端設(shè)置。水平推力較大的固定點(diǎn)處，宜加設(shè)水平支撐。

2.2.2 中間管架

中間管架與管道支座的連接可以滑動或滾動，允許產(chǎn)生相對位移。中間管架根據(jù)結(jié)構(gòu)特性分為剛性管架和柔性管架。

(1)剛性管架的剛度較大，主要是以管道在管架上可滑動或可滾動來適應(yīng)管道的變形。剛性管架與管托之間可以滑動，管架承受管道膨脹時(shí)產(chǎn)生的水平推力大于摩擦力時(shí)，管架承受摩擦力。

(2)柔性管架的剛度較小，主要是以支柱的彈性位移來適應(yīng)管道的變形。管架在管道膨脹時(shí)產(chǎn)生的水平推力下產(chǎn)生位移變形(管道與管架間不產(chǎn)生相對位移)作為管架位移所求得的彈性力，這也就是柔性管架計(jì)算中的縱向受力，而且支架承受的水平推力總是小于摩擦力。

從受力角度分析看，柔性管架能適應(yīng)管道的變形要求，而剛性管架則不能，用變形量來定義剛性管架與柔性管架的區(qū)別，與以上概念也是一致的。

3 管架的水平推力計(jì)算

3.1 水平推力牽制系數(shù)Kj

管道與管架之間具有相互制約作用，管道對管架除作為荷載作用外，還應(yīng)考慮其對管架的約束作用?？紤]管道水平推力牽制系數(shù)Kj可以正確地分析管架實(shí)際的水平推力，以便合理選用管架結(jié)構(gòu)，減小梁柱的斷面，使設(shè)計(jì)的管架不至于太笨重，例如剛性管架所受水平推力大，柱斷面也大，而柔性管架允許有一定的變形位移，所受的水平推力較小，柱斷面也可相應(yīng)減小。a為主要熱管重量/全部管道重量，管架上敷設(shè)有1～3根管道時(shí)的牽制系數(shù)Kj見表1。

表1 管架敷設(shè)有1～3根管道時(shí)的牽制系數(shù)Kj

管架上敷設(shè)的管道多于等于4根時(shí)牽制系數(shù)Kj見圖4。

3.2 中間管架水平推力計(jì)算

管架結(jié)構(gòu)計(jì)算的水平推力通常由配管專業(yè)計(jì)算后向土建專業(yè)提交，但在實(shí)際許多設(shè)計(jì)工作中，配管專業(yè)提供中間管架的水平推力值，即摩擦力。而土建專業(yè)對中間管架的剛性管架的水平推力是按摩擦力計(jì)算，柔性管架是按柱變位產(chǎn)生的彈性力計(jì)算，并且剛性管架與柔性管架的判斷又與管架自身的剛度及管道變形所產(chǎn)生的水平推力有關(guān)，在確定管架柱截面尺寸之前是無法判斷中間管架屬于剛性還是柔性的，因而配管專業(yè)把全部摩擦力當(dāng)作縱向推力提交是不合適的。所以對中間管架而言，配管專業(yè)只應(yīng)向土建專業(yè)提交管道荷載、熱力管變形產(chǎn)生的最大變形值，對于其它推力值應(yīng)由土建專業(yè)按柱剛度值計(jì)算。

圖4 管架敷設(shè)有≥4根管道時(shí)的牽制系數(shù)Kj

3.3 固定管架水平推力計(jì)算

固定管架的水平推力計(jì)算與中間管架的類型有關(guān)。在固定管架的推力計(jì)算中，無補(bǔ)償器的自然補(bǔ)償直線管段管道可視為剛體，內(nèi)壓作用于管端部的力，使管道的縱向變形很小，與固定管架的變位相比，可以忽略不計(jì)，因而此力不會向固定管架傳遞。在計(jì)算縱向水平推力時(shí)，當(dāng)中間管架為柔性管架時(shí)，固定管架所受推力與該區(qū)段管道的補(bǔ)償器變形力有關(guān)，而且與管道的剛度和反彈力系數(shù)有關(guān)。

目前一般配管設(shè)計(jì)人員向土建專業(yè)所提交的固定管架所受推力都是固定管架所受的補(bǔ)償器的變形力和自然補(bǔ)償時(shí)的管道推力，缺少對中間管架是柔性管架還是剛性管架的考慮，所以在管架土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，中間管架至今大都仍然采用剛性管架，主要原因是有的設(shè)計(jì)人員總覺得管架截面大一些會更可靠，而忽視從管架的受力情況加以比較。當(dāng)中間管架為粗大笨重的剛性管架時(shí)，受推力大，經(jīng)濟(jì)性不高。設(shè)計(jì)中應(yīng)與配管專業(yè)共同研究、協(xié)調(diào)配合，盡量避免采用剛性管架，多用柔性管架以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 鋼管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

縱梁式全鋼外管架一般以一個(gè)溫度區(qū)段作為計(jì)算單元。按《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》要求，除了對其強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及連接強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算外，在結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中還應(yīng)注意以下問題。

(1)橫梁承受管道的豎向荷載和水平推力，按雙向受彎兼受扭構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算單元范圍內(nèi)的管道推力作用于固定點(diǎn)橫梁上，該橫梁截面宜做成抗扭強(qiáng)勁的矩形封閉形式，以減少扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

(2)縱梁承受軸向水平力和由橫次梁所傳遞的垂直荷載，由于水平力作用在橫次梁頂面，應(yīng)計(jì)算偏心而引起的附加彎矩，因此縱梁應(yīng)按拉彎或壓彎桿件計(jì)算。

(3)平面鋼桁架斜腹桿宜盡量設(shè)計(jì)為拉桿，充分發(fā)揮鋼材的受拉特性，節(jié)省鋼材，當(dāng)管道較少時(shí)，宜采用立體空間桁架，可減少水平支撐的用鋼量。

(4)在鋼管架內(nèi)力計(jì)算模型中：①管架橫向(平面內(nèi))宜按框架計(jì)算，柱腳剛接，各層梁柱剛接，在管架平面內(nèi)按平面剛架進(jìn)行內(nèi)力分析；②管架縱向(軸向)由于鋼柱的抗扭剛度很小，在水平力作用下宜按縱向排架計(jì)算，柱腳鉸接(實(shí)際為半鉸接)，各層梁柱鉸接，布置柱間支撐宜采用剛性支撐，若水平位移值小于1/1000，可以按無側(cè)移考慮，否則不論有無支撐均按有側(cè)移計(jì)算。

(5)鋼柱穩(wěn)定性驗(yàn)算首先用長細(xì)比控制鋼柱的斷面尺寸，確定每一類型管架柱的最小斷面尺寸，再分析鋼柱的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定。通過大量的計(jì)算比較，只要長細(xì)比控制得當(dāng)，穩(wěn)定性一般都能滿足。鋼管架柱橫向計(jì)算長度系數(shù)應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003附錄D規(guī)定。縱向計(jì)算長度系數(shù)見表2。

表2 管架柱縱向(軸向)的計(jì)算長度系數(shù)(u)

(6)根據(jù)管道的軸向水平推力，鋼管架柱柱腳采用不同方式：①對于水平推力≥30t的固定管架的柱腳，采用將鋼柱直接埋入混凝土構(gòu)件的埋入式柱腳，并在埋入鋼柱的側(cè)面貼焊栓釘，目的是通過栓釘與混凝土的擠壓產(chǎn)生的反力偶來抵抗柱腳的彎矩；②對于水平推力<30t的固定管架和中間管架的柱腳，采用普通錨栓柱腳帶抗剪件形式。

(7)管架基礎(chǔ)屬雙向偏心受壓構(gòu)件，基頂受垂直力、雙向彎矩和剪力的作用，通過強(qiáng)度、滑移、傾覆計(jì)算來控制。

5 外管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著現(xiàn)今工程項(xiàng)目規(guī)模的大型化，有些外管架多達(dá)4～5層，管架寬度6～8m，且地下管網(wǎng)較多。以往工程通常采用6m柱距(獨(dú)立管架)顯然不經(jīng)濟(jì)、不合理。在某合成氨項(xiàng)目全廠外管架的設(shè)計(jì)中，與相關(guān)專業(yè)協(xié)商將管架間距調(diào)整到15m，通過比較管架間距、縱梁的結(jié)構(gòu)形式以及鋼管架與基礎(chǔ)的連接方式對工程造價(jià)的影響，合理選用結(jié)構(gòu)形式，降低工程造價(jià)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

5.1 縱梁結(jié)構(gòu)形式

5.1.1 平面鋼桁架

管架線荷載為1.5t/m，計(jì)算分析其用鋼量和優(yōu)缺點(diǎn)，平面鋼桁架見圖5。計(jì)算每榀桁架用鋼量1150kg。

圖5 平面鋼桁架

5.1.2 立體空間鋼桁架

立體空間鋼桁架見圖6。計(jì)算每榀桁架用鋼量1132kg。

5.1.3 H型鋼縱梁

H型鋼縱梁見圖7。計(jì)算每榀H型鋼縱梁用鋼量1860kg。

5.1.4 縱梁結(jié)構(gòu)形式對比分析

縱梁結(jié)構(gòu)形式對比分析見表3。

圖6 立體空間鋼桁架

圖7 H型鋼縱梁

縱梁形式用鋼量(kg)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)平面鋼桁架1150施工方便,節(jié)約鋼材平面外剛度差,需要足夠的水平支撐空間鋼桁架1132平面外穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)繁多,施工復(fù)雜H型鋼縱梁1860施工方便跨距有限

由表3可知，空間桁架雖省一些鋼材，但節(jié)點(diǎn)多，施工復(fù)雜；H型縱梁架用鋼量最大，跨距也有限制，經(jīng)綜合對比分析后，確定采用一般平面鋼桁架作為縱向連接結(jié)構(gòu)。

5.2 管架間距的確定

當(dāng)管架確定縱向設(shè)一般鋼桁架以擴(kuò)大管架間距后，可以采用的間距有12m 、15m 、18m，采用哪一種間距更經(jīng)濟(jì)合理呢?根據(jù)常用管架設(shè)置情況，假定管廊寬6m，管架高5m，管道分2 層布置，管道上層載荷為0.5t/m，下層載荷為1t/m，所用鋼材見表4。

表4 用鋼量對比分析

從表4可以看出，管架間距15m，其用鋼量較省，柱距也足夠開闊，這樣與通常使用的6m間距管架相比減少了基礎(chǔ)工程量。

5.3 鋼管架與基礎(chǔ)(管線方向)的連接方式

管廊寬5m，管架高5.0m，管道分2層布置，管道上層載荷為1.5t/m，下層載荷為1t/m， 鋼管架體系情況見圖8。連接方式對比分析見表5。

圖8 管架縱向體系

從表5對比可以看出，管架柱腳鉸接比柱腳固結(jié)節(jié)約型鋼約30%，其用鋼量較大幅度降低，而且鉸接中間活動管架結(jié)構(gòu)形式傳力明確，是比較合理的。

6 鋼管架型鋼的選用要求

鋼管架型鋼選用應(yīng)以現(xiàn)行規(guī)范為依據(jù)，應(yīng)注意以下要求。

(1)焊接結(jié)構(gòu)宜采用Q235-B.F，當(dāng)冬季計(jì)算溫度低于-30℃時(shí)宜采用Q235-B.Z；非焊接結(jié)構(gòu)宜采用Q235-A.F，當(dāng)冬季計(jì)算溫度低于-30℃時(shí)，宜采用Q235-A.Z。

(2)應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)、高效截面的型材，如熱軋H型鋼。

(3)在同一項(xiàng)工程中選用的型鋼、鋼板規(guī)格不宜過多。

(4)一般不宜選用最大規(guī)格的型鋼以及輕型槽鋼和工字鋼(已不生產(chǎn))。

(5)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面應(yīng)徹底除銹，而后進(jìn)行防銹處理。處理方法為涂無機(jī)富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆和一道聚氨酯面漆。

7 工程實(shí)例

(1)云南某技改工程全廠外管架為縱梁式管架，該工程為改造項(xiàng)目，外管架形式復(fù)雜，層數(shù)較多，故采用全鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)系在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場拼接組裝。對于中間管架及水平荷載較小的固定支架采用圖2所示的縱梁式管架型式，對于水平荷載較大的固定支架和轉(zhuǎn)角處采用圖3所示的四柱式框架型式。管架基礎(chǔ)為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，水平荷載較大的固定管架基礎(chǔ)設(shè)置基礎(chǔ)拉梁并適當(dāng)加大埋深。外管架由硫酸裝置、變換裝置、甲醇精餾、煤氣化、空分裝置至火炬，全長685m。

(2)山西某新建合成氨工程外管架為管廊式管架和部分獨(dú)立式管架。該工程管架外形簡單，支架寬度為2.5～4.5m，支架縱向普遍為8.0m間距，考慮到經(jīng)濟(jì)性和施工便利，支架采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支架之間水平鋼縱梁連接的鋼和混凝土組合結(jié)構(gòu)管架形式，跨越道路、鐵路較大跨度處用鋼桁架連接，可以節(jié)省鋼材，經(jīng)濟(jì)性較好。在固定支架位置采用混凝土四柱式框架外加鋼支撐。支架基礎(chǔ)為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)和整板基礎(chǔ)。外管架全長l500m，貫穿于整個(gè)廠區(qū)，現(xiàn)已運(yùn)行兩年多，效果良好。

8 結(jié)語

(1)外管架工程量大，投資多且與管道的布置密切相關(guān)，設(shè)計(jì)中既要保證結(jié)構(gòu)安全，又要適當(dāng)考慮整齊美觀，故管架設(shè)計(jì)應(yīng)與配管專業(yè)共同研究、協(xié)調(diào)配合，合理布置管道和管架。

(2)正確地選擇管架結(jié)構(gòu)形式可以簡化管架設(shè)計(jì)，滿足管道的支撐和限位要求，取得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

1 HG/T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

2 SH/T 3055-2007，石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

3 GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].