壓濾工序管架設(shè)計(jì)淺析

賈 彪

（唐山三友化工工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063305）

氨堿法純堿生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生大量的廢渣液，排放量約9～13m3／t堿。傳統(tǒng)的做法是建設(shè)堿渣排放場(chǎng)，將廢渣液集中儲(chǔ)存，不但占用大量的用地，同時(shí)也容易對(duì)環(huán)境造成不良影響。我公司新增壓濾工序是“三廢資源綜合利用模式”的主要工程，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣液進(jìn)行科學(xué)處理，綜合利用。該工程利用原有氧化塘用地建設(shè)，獨(dú)立于我公司主廠區(qū)以外，與主廠區(qū)相距較遠(yuǎn)。該工序?qū)⒓儔A裝置產(chǎn)生的蒸餾廢液、鹽水精制工序產(chǎn)生的鹽泥等廢渣液做為生產(chǎn)原料，利用壓濾工藝處理后，將分離后得到的產(chǎn)品根據(jù)特性分別予以利用。在壓濾工序生產(chǎn)中所需的原料，如蒸餾廢液、鹽泥，生產(chǎn)過(guò)程中所需的水、蒸汽及各種物料均需通過(guò)管道輸送到本項(xiàng)目區(qū)。生產(chǎn)產(chǎn)生的濾液與澄清桶清液一起收集作為清廢液，通過(guò)管道送往鹽場(chǎng)曬鹽或供給氯化鈣生產(chǎn)企業(yè)提取氯化鈣，鹽泥濾液則通過(guò)管道送回純堿廠鹽水車(chē)間作為化鹽水循環(huán)利用。在廠區(qū)中各類(lèi)管道就像人體中的血管聯(lián)系著各個(gè)重要的裝置，把它們組成一體，共同生產(chǎn)。而管架作為各類(lèi)管道的支承結(jié)構(gòu)，保證了各種管道的穩(wěn)定運(yùn)行，可見(jiàn)管架是廠區(qū)的一個(gè)重要組成部分，它的設(shè)計(jì)就變得尤為重要，需要進(jìn)行細(xì)致的分類(lèi)和計(jì)算。

1 管架分類(lèi)

管架根據(jù)管道工藝要求和受熱后變形的特點(diǎn)可分為固定管架和活動(dòng)管架；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為獨(dú)立式管架、管廊式管架、吊索式管架、跨越式管架及特種管架；根據(jù)結(jié)構(gòu)特性可分為剛性管架、柔性管架、半鉸接管架、雙向活動(dòng)管架、振動(dòng)管架、托吊架等；根據(jù)管架材料可分為鋼筋混凝土管架、鋼結(jié)構(gòu)管架及鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)組合管架。隨著科技的進(jìn)步，規(guī)范的完善，對(duì)管架的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。壓濾工序所使用的管架種類(lèi)繁多，固定管架采用空間剛架形式，活動(dòng)管架采用了剛性管架和柔性管架兩種形式。因?yàn)閴簽V工序生產(chǎn)過(guò)程中的鹽泥等物料存在大量的Cl－，并且生產(chǎn)環(huán)境濕度很大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有很強(qiáng)的腐蝕性，考慮到結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要求，除跨路桁架和位于墻上的三角托架采用鋼結(jié)構(gòu)外，其余管架均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。管架的安全等級(jí)一般為二級(jí)，無(wú)一級(jí)管架（支承輸送高度有害和易發(fā)生災(zāi)害介質(zhì)的管道的管架為一級(jí)），管架抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，鋼筋混凝土管架固定管架抗震等級(jí)為三級(jí)，活動(dòng)管架為四級(jí)。

2 管架設(shè)計(jì)

2.1 管架設(shè)計(jì)依據(jù)

進(jìn)行管架設(shè)計(jì)前所必需的資料有：工藝資料、地質(zhì)資料、氣象資料及地震資料等，其中工藝資料包括管線(xiàn)或管架平面布置圖、必要的管線(xiàn)橫斷面圖及縱斷面圖、管道荷載（管道重量、介質(zhì)重量、管道壁的最高最低計(jì)算溫度、固定管架上管道水平推力、作用方向及其他荷載）及其他管道資料。根據(jù)資料、管架特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則制定合理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 管架荷載

管架荷載包括垂直荷載、水平荷載及特殊荷載。

對(duì)于管道直徑大于300mm的管道，應(yīng)考慮一般不超過(guò)0.3kN／m2的積灰荷載。寒冷地區(qū)，當(dāng)管壁溫度在0℃以下應(yīng)考慮冰雪荷載Sk＝μrS0d。水平荷載風(fēng)荷載計(jì)算ωk＝μsμzω0dld。并不是所有管架都需要進(jìn)行水平推力計(jì)算，當(dāng)所有支承的管道符合下列條件之一時(shí)，管道的水平推力可不計(jì)算：1）常溫管道，介質(zhì)溫度不超過(guò)40℃；2）管道根數(shù)在10根以上，介質(zhì)的最高溫度不超過(guò)130℃；3）主要熱管的重量與全部管道重量的比值不超過(guò)0.15。中間管道分為剛性中間管道和柔性中間管道分別計(jì)算水平推力。管道與管架之間具有相互制約的作用，管道對(duì)管架除荷載作用外，還應(yīng)考慮對(duì)管架的約束作用。

設(shè)計(jì)管架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行荷載組合，并取其最不利組合進(jìn)行管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 管架計(jì)算

2.3.1 梁柱計(jì)算

不同管架的結(jié)構(gòu)特征決定了不同管架的計(jì)算模型和方法?；顒?dòng)管架一般為獨(dú)立式管架，基本假定為：按單片平面管架進(jìn)行內(nèi)力分析，梁柱連接為剛接，柱與基礎(chǔ)連接為固接；半鉸接管架基本假定為：按單片平面管架進(jìn)行內(nèi)力分析，梁柱連接為剛接，柱與基礎(chǔ)縱向連接為半鉸接，橫向連接為固接；固定管架基本假定為：固定管架通常采用四柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁柱連接為剛接，柱與基礎(chǔ)連接為固接，通常按單片平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析等。下面以壓濾工序某剛性管架為例。

設(shè)計(jì)資料：雙層H型鋼筋混凝土管架，混凝土強(qiáng)度C30，下層高度3 000mm，上層高度1 500 mm，平面內(nèi)寬度3 000mm，根據(jù)計(jì)算高度和長(zhǎng)細(xì)比限制假定柱截面400×400mm，梁截面300×400 mm。管道荷載按照均布荷載進(jìn)行考慮，上層梁均布荷載q1＝7 632N／m，下層梁均布荷載q2＝5 675 N／m，上層主動(dòng)管質(zhì)量9 000N，工藝專(zhuān)業(yè)提交變形△Z＝50mm，下層主動(dòng)管質(zhì)量4 800N。基本風(fēng)壓ω0＝0.4kN／m2。風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值及平面內(nèi)內(nèi)力已完成計(jì)算，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征判別及管架平面外內(nèi)力分析。

圖1 荷載簡(jiǎn)圖

結(jié)構(gòu)特征判別：

管架位移反彈力pf＝3ECI△／H3，其中C30混凝土EC＝3.0×104N／mm2，α＝主動(dòng)管質(zhì)量／全部管線(xiàn)質(zhì)量＝9 000／（7 632×3＋5 675×3）＝0.23。根據(jù)α查表得Kq＝0.33，△＝Kq△Z＝0.33×50＝16.5mm，I＝ （400×4003）／12，經(jīng) 計(jì) 算 pf＝117 333N。

管架摩擦力pm＝pf上＋pf下＝3 954N

pm／pf＝0.034＜1，屬于剛性管架。

平面外內(nèi)力計(jì)算：

梁（下）：水平彎矩設(shè)計(jì)值為 My＝ωl2／8＝630×1.2×32／8＝850.5N·m

水平剪力設(shè)計(jì)值為Vy＝630×1.2×3／2＝1 134N

梁（上）：水平彎矩設(shè)計(jì)值為 My＝ωl2／8＝984×1.2×32／8＝1 328.4N·m

水平剪力設(shè)計(jì)值為Vy＝984×1.2×3／2＝1 771.2N

柱彎矩設(shè)計(jì)值為：My＝756×1.2×3×4.5／2＋562×1.2×3×3.0／2＝9 158.4N·m

剪力設(shè)計(jì)值為：V＝756×1.2×3／2＋562×1.2×3／2＝2 372.4N

2.3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

管架基礎(chǔ)一般采用獨(dú)立式鋼筋混凝土基礎(chǔ)?；A(chǔ)埋深需在冰凍線(xiàn)以下，且不得小于700mm。當(dāng)存在相鄰建筑物時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)相鄰建筑物的影響。管架基礎(chǔ)的埋深不應(yīng)大于原有建筑基礎(chǔ)埋深，當(dāng)埋深大于原有基礎(chǔ)時(shí)，兩基礎(chǔ)應(yīng)保持一定凈距，數(shù)值應(yīng)根據(jù)原有建筑荷載大小、基礎(chǔ)形式和土質(zhì)情況而定，一般應(yīng)符合△H／ι≤0.5～1.0（△H 為相鄰建筑物基礎(chǔ)底面標(biāo)高之差，ι為相鄰兩建筑物基礎(chǔ)邊緣的最小距離）。如不能滿(mǎn)足要求需采取臨時(shí)加固等施工措施，或加固原有建筑物基礎(chǔ)。地基承載力特征值可由荷載試驗(yàn)或其它原位測(cè)試、公式計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法綜合確定，當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m或埋置深度大于0.5m時(shí)，從荷載試驗(yàn)或其它原位測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值還應(yīng)進(jìn)行修正。管架基礎(chǔ)一般為雙偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)基礎(chǔ)偏心距超出基礎(chǔ)核心范圍時(shí)，基礎(chǔ)與地基土之間便出現(xiàn)了部分脫離，因此應(yīng)根據(jù)受壓區(qū)的實(shí)際圖形計(jì)算基底壓力，當(dāng)按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積和埋深時(shí)，傳至基礎(chǔ)底面上的荷載效應(yīng)，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)組合考慮。

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中同樣需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)。根據(jù)壓濾工序場(chǎng)地水質(zhì)分析資料可知，本場(chǎng)地地下水位年變幅2.00m左右，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替下有強(qiáng)腐蝕。根據(jù)GB50046－2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，基礎(chǔ)與墊層應(yīng)做好防護(hù)。

2.4 管架設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求及注意問(wèn)題

廠區(qū)里各種管架都有其不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)構(gòu)造要求。裝置區(qū)內(nèi)經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到因管架間距大，管道自身無(wú)法跨越而設(shè)計(jì)的管廊式管架。柱距9～15m宜設(shè)置縱梁式，柱距12～24m宜設(shè)置桁架式。全鋼結(jié)構(gòu)或縱梁、桁架采用鋼結(jié)構(gòu)，柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，不宜大于120m設(shè)置伸縮縫，全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)不宜大于70m設(shè)置伸縮縫。伸縮縫宜采用雙柱，當(dāng)采用單柱時(shí)縱梁應(yīng)設(shè)置可靠的滑動(dòng)支座和滾動(dòng)支座，設(shè)置橢圓孔。當(dāng)柱距大于9m時(shí)，管架兩側(cè)的縱梁應(yīng)在上翼緣設(shè)置縱向的水平支撐，桁架上下弦均應(yīng)設(shè)置水平支撐。每個(gè)溫度區(qū)段兩端設(shè)置柱間支撐，承受管線(xiàn)的不平衡水平推力，柱間支撐與柱連接應(yīng)采用高強(qiáng)螺栓或普通螺栓加焊接。節(jié)點(diǎn)連接一般采用焊接形式。

沿著建筑物或構(gòu)筑物表面敷設(shè)的管道下我們常見(jiàn)的小管架是托架，主要有兩種形式：懸臂托架和三角托架。這種管架上的管道數(shù)量一般不會(huì)很多。托架邊緣與管道焊縫的間距不應(yīng)小于50mm，與需要熱處理的管道焊縫的間距不應(yīng)小于100mm。應(yīng)對(duì)固定端部所利用的原有建筑物或構(gòu)筑物進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3 結(jié) 語(yǔ)

大部分管架處在露天環(huán)境，常年經(jīng)受風(fēng)吹日曬雨淋，因此應(yīng)及時(shí)做好管架的防腐及維護(hù)工作。對(duì)于損壞嚴(yán)重的管架應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換或加固，才可以保證生產(chǎn)的安全。隨著科技的發(fā)展，規(guī)范的完善，管架設(shè)計(jì)從方案的制定到施工圖紙的完成，都將得到更好的規(guī)劃與實(shí)施，這會(huì)使廠區(qū)的管架更加實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀，結(jié)構(gòu)更加合理，能夠更長(zhǎng)久的為生產(chǎn)服務(wù)，同時(shí)也將會(huì)成為廠區(qū)的又一亮點(diǎn)。

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

［2］ GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］ GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］