幾種典型化工裝置管道支吊架的設(shè)計(jì)

楊 東

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530003）

幾種典型化工裝置管道支吊架的設(shè)計(jì)

楊 東

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530003）

針對(duì)幾種典型化工裝置的管道，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)力分析理論，提出了管道布置和支吊架設(shè)計(jì)需要注意的一些問(wèn)題。

化工裝置；管道布置；支吊架設(shè)計(jì)；應(yīng)力分析

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮工藝要求，還要考慮設(shè)備、管道及其組成件的受力狀況，以保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)。管道應(yīng)力分析過(guò)程中，正確設(shè)置支吊架是一項(xiàng)重要的工作。支吊架選型得當(dāng)，布置合理，所設(shè)計(jì)的管系不僅美觀，而且安全經(jīng)濟(jì)。在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，總結(jié)出了配管規(guī)律，因此盡量采用典型的支吊架設(shè)計(jì)。

支吊架類型可用以下符號(hào)表示：RS- 滑動(dòng)承重架；GS- 導(dǎo)向架；AS- 固定架；DS- 限位架；SS- 彈簧架。

1 有控制閥組的管道支架

控制閥（儀表專業(yè)的調(diào)節(jié)閥）閥組，揚(yáng)控制閥及切斷、旁路閥等，最常見(jiàn)的布置為立面布置，在管道的彎頭下面設(shè)置支架。類似這種閥級(jí)的支架除了考慮支承重量外，還要考慮熱膨脹以及承受振動(dòng)的力。當(dāng)閥門進(jìn)出口壓差大時(shí)，或管道減壓過(guò)程產(chǎn)生氣體時(shí)，更易產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，應(yīng)引起特別的注意。兩相流的管道，應(yīng)考慮發(fā)生水錘的可能性，特別長(zhǎng)的且有向上流動(dòng)的垂直管段時(shí)，易發(fā)生水錘作用。向上流的管段如布置位于控制閥之前，情況就會(huì)改善。對(duì)于有熱膨脹的管道，應(yīng)根據(jù)柔性的要求，將一個(gè)架設(shè)固定架，另一個(gè)設(shè)滑動(dòng)支架或?qū)蚣堋Ｈ绻麩崤蛎洃?yīng)力允許，宜在控制閥的出口側(cè)設(shè)固定架，入口側(cè)設(shè)滑動(dòng)架。必要時(shí)在控制閥出口側(cè)的垂直管端上還要設(shè)導(dǎo)向架，如圖1所示。

2 塔設(shè)備管道的支吊架

圖1 有控制閥組的管道支架的設(shè)計(jì)

塔的管道一般可分為塔頂管道、塔體側(cè)面管道和塔底管道。塔頂管道可包括塔頂安全閥進(jìn)出口管道、放空管道等；塔體側(cè)面管道可包括回流管道、進(jìn)料管道、側(cè)線抽出管道、蒸汽管道、返加管道等；塔底管道可包括塔底管道和塔底排液管道等。這些管道都與塔體上的開(kāi)口相連接，一般又都是沿塔體的周圍或上下來(lái)布置。這里主要討論從塔上部下來(lái)的管線支架設(shè)計(jì)。

塔類管道通常從塔壁上支承，可使相對(duì)位移盡量小，見(jiàn)圖2(a)，第1個(gè)支架通常做成滑動(dòng)承重架或者固定支架，且盡量靠近設(shè)備管口，以減小設(shè)備口的支撐點(diǎn)的相對(duì)熱膨脹位移，減小熱膨脹的反力。如第1個(gè)支架至管口間的管道柔性不夠，可改變管道走向適當(dāng)增加管道的柔性，見(jiàn)圖2(b)、(c)。如第1個(gè)承重架荷載過(guò)大時(shí)，可另設(shè)第2個(gè)承重架，第2個(gè)承重架應(yīng)采用彈簧架，當(dāng)垂直管段較長(zhǎng)時(shí)，可增加導(dǎo)向架。

對(duì)此類管線進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，要考慮開(kāi)停車、空載、正常操作、水聯(lián)運(yùn)等各種工況，各種工況下塔設(shè)備與管線的溫差會(huì)有差別，熱位移和熱應(yīng)力應(yīng)按塔壁和管線熱膨脹差最大的情況進(jìn)行分析，如需在豎直管線的彎頭處設(shè)置支架，無(wú)論是否從塔壁上支撐，均應(yīng)設(shè)置為彈簧架。如圖2(a)中所示，如L過(guò)短，柔性不夠，將會(huì)導(dǎo)致距彎頭最近的剛性支架受力過(guò)大或者脫空，勢(shì)必影響到塔壁上支架的受力和管口受力。結(jié)合前面所述的控制閥組的管道支架要求，不難看出，一般不宜在上塔管線太靠近彎頭處設(shè)置控制閥組。塔的回流管線與塔壁溫差較大，且一般設(shè)置調(diào)節(jié)閥組，應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)引起足夠的重視。

圖2 塔設(shè)備管道的支吊架設(shè)計(jì)

3 離心泵管道的支架

泵的進(jìn)出口位置根據(jù)處理流體的性質(zhì)和狀態(tài)、流量、揚(yáng)程等不同，分別有頂-頂、端-頂、側(cè)-頂、側(cè)-側(cè)4種。進(jìn)行離心泵管道的設(shè)計(jì)時(shí)，必須使其進(jìn)出口管道具有足夠的柔性，以減小管道作用于泵口的力和加矩。

泵的入口管道工藝要求比較嚴(yán)格，出口問(wèn)題相對(duì)少些，圖3是泵進(jìn)出口管道布置的幾個(gè)例子。為使管口受力盡可能小，應(yīng)在閥門附近設(shè)置支吊架，避免閥門重量作用于泵管口處，如靠近泵管口處的支吊點(diǎn)存在垂直熱位移，應(yīng)考慮選用彈簧架。對(duì)于泵的水平進(jìn)出口管線，應(yīng)盡量采用剛性支撐，且靠近泵口的第1個(gè)支架通常應(yīng)做成可調(diào)節(jié)高度的承重支架，如圖3(a)中的RS-1，圖3(a)、(b)、(c)中的RS-2為剛性滑動(dòng)支架，如距彎頭的距離過(guò)小，多半會(huì)托空，或者在承重情況下，造成泵管口熱態(tài)受力較大，可考慮采用彈簧架。需要注意的是，柔性分析往往不能通過(guò)。為了避免遠(yuǎn)端管道的水平推力作用于泵管口上，應(yīng)在管系的對(duì)稱位置附近設(shè)置限位或者導(dǎo)向支架。

圖3 離心泵管道支架設(shè)計(jì)

需要注意的是，可調(diào)節(jié)支架目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)參數(shù)給廠家特別制造。

當(dāng)多臺(tái)泵并列布置時(shí)，泵管道熱膨脹產(chǎn)生的作用力和管子的摩擦力引起的軸向推力往往是泵口受力超標(biāo)的重要原因。應(yīng)力分析結(jié)果如果表明是上述原因使泵口受力不能滿足要求時(shí)，則應(yīng)考慮增加柔性來(lái)吸收連接段的熱膨脹，和降低滑動(dòng)處摩擦系數(shù)，比較常用的方法是加一層聚四氟墊板，將鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)0.3降為不銹鋼對(duì)聚四氟乙烯的0.1。

此外，對(duì)于大型的水泵出口管要注意止回閥關(guān)閉時(shí)的推力作用。在止回閥及切斷閥附近應(yīng)有堅(jiān)固的支架，以承受水擊與重力荷載。

4 離心式壓縮機(jī)進(jìn)出口管線的支架

離心式壓縮機(jī)是連續(xù)排料的，幾乎可以不考慮振動(dòng)。但由于氣體重度小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，又為多級(jí)式，故軸的找正要求非常高。在機(jī)器制造廠未提出允許受力限制時(shí)，一般離心式壓縮機(jī)管口受力校核標(biāo)準(zhǔn)為API 617。離心式壓縮機(jī)管道的柔性設(shè)計(jì)必須注意以下問(wèn)題：

（1）計(jì)算時(shí)必須考慮機(jī)器管口的熱位移，并應(yīng)考慮最不利的工況；

（2）對(duì)離心式壓縮機(jī)進(jìn)行受力驗(yàn)算分析時(shí)，應(yīng)該包括進(jìn)出口，保證具有足夠柔性；

（3）計(jì)算時(shí)應(yīng)注意考慮機(jī)器管口處管道法蘭的重量。需要注意的是，與機(jī)器管口配對(duì)的法蘭通常壓力等級(jí)會(huì)高于管道壓力等級(jí)。

（4）計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮與主管相連支管的影響。一般情況下，離心式壓縮機(jī)出口管線上會(huì)接有安全閥管線，由于安全閥的管口承受的外載荷要求盡可能小，以免造成閥體變形，影響安全閥的性能，要求管線有一定的柔性。另外設(shè)計(jì)的支架除能承受重力外，還應(yīng)能承受泄放液體時(shí)產(chǎn)生的反力，所以一般會(huì)在安全閥出口管線上適當(dāng)設(shè)置一些導(dǎo)向、限位和固定架，這些支架對(duì)機(jī)器管口的受力有較大影響。當(dāng)這些限制性支架使機(jī)器管口受力不能通過(guò)時(shí)，可以考慮用抗安全閥排氣反力型阻尼器來(lái)代替安全閥出口附近的限制性支架。

（5）管道最好是圍繞機(jī)器固定點(diǎn)布置，并在管道與機(jī)器固定點(diǎn)處坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位置附近設(shè)置限位支架，從而使機(jī)器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當(dāng)，減小管道對(duì)機(jī)器管口的作用力。

（6）如果調(diào)整支承位置及形式和改變管道走向后，離心式壓縮機(jī)仍難以滿足要求時(shí)，可考慮在出口豎起管道上使用金屬波紋管膨脹節(jié)。

為保證機(jī)器的正常運(yùn)行，GB 50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和SH 3501《石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》均對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器安裝時(shí)管道法蘭與機(jī)器法蘭之間的間距、平行度和同軸度做出了嚴(yán)格的要求。為了施工中便于達(dá)到這些要求，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器管道進(jìn)行柔性分析時(shí)，不但應(yīng)使操作狀態(tài)下機(jī)器管口受力滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且應(yīng)使安裝狀態(tài)下管道對(duì)機(jī)器管口的作用盡量接近于零。

5 管廊上管道的支架

敷設(shè)在管廊上的管線包括各種工藝管道和公用工程管道，多而且復(fù)雜。應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)根據(jù)管道的級(jí)別和種類選擇相應(yīng)的校核準(zhǔn)則。

管廊上管道支架的間距，受到管廊結(jié)構(gòu)的梁及柱間距的限制，大管道支架間距常用6m，小管道支架間距用3m。在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)論是否進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，均須首先滿足允許跨距要求。管道下沉意味著疏水不暢，高溫管道的局部地方可能因疏水問(wèn)題引起較大的溫差應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管線變形，其支架的跨距要求更為嚴(yán)格。

管廊上管道的支架設(shè)計(jì)重點(diǎn)是各種限制性支架，尤其是固定架。管道的固定點(diǎn)位置應(yīng)符合下列要求：（1）對(duì)復(fù)雜管道可用固定點(diǎn)將其劃分成幾個(gè)形狀較為簡(jiǎn)單的管段，如L型管段、U形管段；Z形管段等再進(jìn)行分析計(jì)算；（2）確定管道固定點(diǎn)位置時(shí)，使其有利于兩固定點(diǎn)間管段的自然補(bǔ)償；（3）固定點(diǎn)宜靠近需要限制分支管位移的地方；（4）固定點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動(dòng)、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地方；（5）進(jìn)出裝置的工藝管道和非常溫的公用物料管道，宜在裝置分界處設(shè)固定點(diǎn)；（6）一般應(yīng)在柱子軸線上的主梁上，不要在次梁上，并盡量使固定架兩側(cè)的推力相差不要過(guò)大，作用于管道中固定點(diǎn)的載荷，應(yīng)考慮其兩側(cè)各滑動(dòng)支架的摩擦反力；（7）當(dāng)兩個(gè)固定支架中間設(shè)置軸向型膨脹節(jié)時(shí)，推薦一端靠近支架，另一端第一導(dǎo)向支架與補(bǔ)償器距離4DN設(shè)置，第二導(dǎo)向支架與第一導(dǎo)向支架距離按14DN設(shè)置，其余導(dǎo)向支架可按水平管道允許的導(dǎo)向支架間距設(shè)置。（8）有“U”型補(bǔ)償器時(shí)，宜將其設(shè)置在兩固定點(diǎn)中部，兩側(cè)還必須設(shè)置導(dǎo)向支架，第一個(gè)導(dǎo)向支架離彎頭的距離不宜太近，以免造成過(guò)大的水平推力，A值一般取32~40DN為宜，B值一般不應(yīng)小于2m，固定點(diǎn)間的最大距離應(yīng)按“U”型補(bǔ)償器的尺寸而定，見(jiàn)圖4。對(duì)于多根需要設(shè)置“U”型補(bǔ)償器的管道宜并排布置，最熱和最大徑管應(yīng)放在外側(cè)，低溫和小徑應(yīng)放在內(nèi)側(cè)。在“U”型補(bǔ)償器上，不應(yīng)引出支管。在靠近補(bǔ)償器兩側(cè)的直管上引出支管時(shí)，支管不應(yīng)妨礙主管的變形或位移。因主管熱膨脹而產(chǎn)生的支管引出點(diǎn)的位移，不應(yīng)使支管承受過(guò)大的應(yīng)力或過(guò)多的位移。管道在自然補(bǔ)償時(shí)如選用立體型方式，則較平面形的補(bǔ)償效果好。

圖4 管廊上帶“U”管道限制性支架類型的實(shí)例

當(dāng)支架點(diǎn)只需限制某一個(gè)或幾個(gè)方向的位移時(shí)，允許其它方向自由時(shí)，應(yīng)將其設(shè)成限位支架，并可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)間隙。

6 結(jié)論

在整個(gè)管道工程的投資中，雖然支吊架系統(tǒng)所占的比例較少，但支吊架對(duì)整個(gè)管系的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。只有管道布置合理，支架位置和形式選取得當(dāng)，才能使管道設(shè)計(jì)在滿足工藝要求的同時(shí)，既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠。上述只側(cè)重對(duì)支吊架的位置確定和選用進(jìn)行了必要的討論，還應(yīng)注意支吊架零部件的強(qiáng)度和材料的選原則。

[1] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京:中國(guó)石化出版社，2003.

[2] 蔡爾輔.石油化工管道設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3] 張德姜,趙勇.石油化工工藝管道設(shè)計(jì)與安裝[M].北京:中國(guó)石化出版社，2001.

[4] 鄭茂鼎.管道支架的設(shè)計(jì)及計(jì)算[M].北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1994.

Design of Support and Hanger in Several Typical Chemical Plant Installations

YANG Dong
（Guangxi Gonglian Industrial Engineering Consulting & design Ltd.， Nanning 530003， China）

Pipe support and hanger was the important part of pipeline system. Design of support and hanger in pipeline engineering should be properly follow the principles of methods and selection. For several typical chemical plant pipes， according to design experience and stress analysis theory， some issues which required attention about pipeline arrangement and support and hanger design were presented.

chemical plant; piping arrangement; support and hanger; stress analysis

TQ 055.8

B

1671-9905(2012)07-0060-04

2012-04-10