核電廠工藝管道支吊架布置分析

摘 要：該文的目的是在管道設(shè)計中合理設(shè)置支吊架的位置和類型，以縮短管道應(yīng)力分析的計算時間，提高工作效率；管道支吊架布置設(shè)計需要考慮到的載荷、載荷工況、支吊架間距、支吊架類型、管道變形等因素，同時也要考慮到管道支吊架對于應(yīng)力分析的影響；文章總結(jié)出在支吊架設(shè)計中的一些經(jīng)驗方法可以借鑒，例如，在壓力和熱載荷作用下，支吊架的位置宜設(shè)置在變形量較小的位置，熱膨脹位移大的位置要釋放約束，宜設(shè)置彈簧支架，在與設(shè)備連接的端點處，一般應(yīng)設(shè)置支吊架對管道進行約束。

關(guān)鍵詞：支吊架 位置 類型

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0085-01

管道系統(tǒng)一般由主管線和支管線組成，并且空間走向復(fù)雜；管道應(yīng)力分析的目的是證明管道在各類工況載荷下，均不發(fā)生某種形式的失效；而管道上的支吊架則是對管道起著承受載荷、限制位移和控制震動等作用。在管道設(shè)計中，合理布置和正確選擇支吊架類型是減小管道應(yīng)力和支吊架載荷的有效方法之一。

1 管道載荷及應(yīng)力分類

1.1 載荷類型

壓力管道承受的載荷主要有：

（1）持久性載荷：永久作用于管道系統(tǒng)載荷，如壓力和重力載荷；

（2）臨時性載荷：短時間作用于管道系統(tǒng)的載荷，如地震、閥門開、關(guān)時的反沖力和壓力升高等；

（3）交變性載荷：大小和方向隨時間發(fā)生變化的載荷，如溫差、熱脹冷縮、端點位移等；

1.2 載荷工況

在應(yīng)力分析過程中，很重要的一步是確定載荷工況，也就是每類載荷工況考慮的載荷組合不同，不同的載荷工況滿足的設(shè)計準則有所不同，在力學(xué)計算中會體現(xiàn)出來。

1.3 應(yīng)力分類

一般，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的載荷不同，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是由于外載荷作用而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，它必須滿足力與力矩的平衡，一次應(yīng)力的基本特征是非自限性，它始終隨所加載荷的增加而增加，超過屈服極限或持久強度，將使管道發(fā)生過度的變形而破壞。二次應(yīng)力是管道由于變形受約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，它本身不與外力平衡。一般管道二次應(yīng)力主要考慮的是由于熱脹冷縮以及其它位移收約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。

2 支吊架

2.1 支吊架類型

支吊架按照性能和用途，可分為三大類，一類是承受管道荷重的支吊架，包括恒力支吊架、滑動支架、剛性支吊架等；一類是限制管道位置的支吊架，包括固定支架、導(dǎo)向支架；一類是控制管道振動的支吊架，包括阻尼裝置等。

2.2 支吊架的布置原則

（1）盡量應(yīng)用標準支吊架，有利于制造、安裝、降低成本。

（2）設(shè)計簡潔，錨固點盡量少。

（3）支吊架的結(jié)構(gòu)要受到空間的限值，所以體積不能過于龐大。

（4）支吊架的設(shè)計要考慮到安裝的可達性性和后期維護的方便。

3 支吊架布置與應(yīng)力分析

管道上支吊架的位置和類型是影響管道應(yīng)力分析的兩個重要因素，它們對管道應(yīng)力分析的影響主要有以下三個方面：

首先，支吊架位置和類型的設(shè)置直接影響到管系的應(yīng)力分布狀態(tài)、最大應(yīng)力點、管系端點應(yīng)力值和力矩值。

其次，支吊架的設(shè)計比較靈活，同樣的管道布置有不同的支吊架設(shè)置方案，不同的方案將會導(dǎo)致管系的應(yīng)力分布也不同，因此，在支吊架的的位置設(shè)置和類型選擇上，應(yīng)該力求最優(yōu)方案。

最后，如果支架位置不合理或者支架類型不合適，導(dǎo)致反復(fù)多次計算。

4 支吊架設(shè)計實例

右圖中管道外徑為219mm，壁厚為6mm，材料為Z2CN1810，設(shè)計壓力為1.1MPa，設(shè)計溫度為180℃，安裝溫度為20℃，水壓試驗壓力為1.2 MPa。節(jié)點516和502處連接設(shè)備，節(jié)點232處設(shè)置的是導(dǎo)向支架，節(jié)點238和242處設(shè)置的是彈簧支架，計算結(jié)果顯示節(jié)點502處力和力矩超過設(shè)備的接管載荷，需要修改支架，經(jīng)過分析，節(jié)點232所在立管比較長，232與238之間的水平管道較短，無法充分釋放立管上由于熱漲變形產(chǎn)生的應(yīng)力，因此可以在節(jié)點232增加約束以承受管道變形產(chǎn)生的應(yīng)力，節(jié)點232處改為限位支架，節(jié)點238和242處改為承重支架，經(jīng)過力學(xué)計算，節(jié)點516和502處的受力滿足設(shè)備載荷要求。（如圖1）

5 結(jié)語

支吊架布置對于管線的應(yīng)力分析有重要的影響，通常，在支吊架布置過程中，需要考慮的因素主要是：管道自身重力，閥門和組件的重力、管道熱膨脹、錨固點位移、內(nèi)外部激勵載荷等。

在壓力和熱載荷作用下，管道系統(tǒng)會產(chǎn)生變形，一般，支吊架的位置設(shè)在變形量小的位置，熱膨脹位移大的位置要釋放約束，可以設(shè)置彈簧支吊架等柔性支架；在與設(shè)備連接的端點處，一般應(yīng)設(shè)置支吊架對管道進行約束，以減少管系對設(shè)備產(chǎn)生較大的力和力矩。

管道應(yīng)力分析是一個反復(fù)的計算過程，這中間要不斷調(diào)整支吊架的設(shè)置，所以，在向力學(xué)專業(yè)提資前，管系中支吊架的設(shè)置是否合理可行很重要。根據(jù)上述經(jīng)驗總結(jié)可以大大減少應(yīng)力計算的時間，提高工作效率。

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