石化裝置管道支吊架的設(shè)計(jì)

張 浩

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

管道支吊架是保護(hù)管道的主要構(gòu)件，它與管道的使用壽命息息相關(guān)，熟練地掌握各種支吊架的組成、使用特點(diǎn)，并且能夠科學(xué)合理地對(duì)其選擇對(duì)管道設(shè)計(jì)工作十分重要。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，詳細(xì)的應(yīng)力分析，對(duì)一些重要管道支吊架的選擇提供了有力保障。本文從管道支吊架的基本分類出發(fā)，探討了支吊架使用時(shí)需注意的一般問題。

1 支吊架的分類

支吊架按用途可以簡(jiǎn)單分為以下三類：

(1)承重支吊架(剛性支吊架、可調(diào)剛性支吊架、可變彈簧支吊架、恒力彈簧支吊架)；

(2)限位支架(固定支架、止推支架、導(dǎo)向支架)；

(3)減振支架(防振管卡、阻尼減振器)。

1.1 剛性支吊架

剛性支吊架在工程中應(yīng)用的最多，它的理論剛度可以理解為無窮大，剛性支吊架僅限制管道一個(gè)方向的自由度[1]。它常用于管道在支撐點(diǎn)無向上垂直熱位移和附加位移或支撐點(diǎn)有較小的向下位移和附加位移，但不會(huì)由此在管系中造成較大的管系力的情況下?？烧{(diào)剛性支吊架是剛性支吊架的一種特殊型式，它可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整支吊架的高度，主要用于豎直方向有少量熱位移或附加位移的場(chǎng)合。

1.2 彈簧支吊架

彈簧支吊架可以分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，恒力彈簧支吊架的理論剛度為零，可變彈簧支吊架的理論剛度介于恒力彈簧和剛性支吊架之間，其力學(xué)計(jì)算式符合胡克定律。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會(huì)造成一定的荷載轉(zhuǎn)移，為防止過大的荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應(yīng)控制在25%以下。恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點(diǎn)垂直位移量較大或管系受力要求較苛刻的場(chǎng)合，恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等于6%，以保證支吊點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，支承力的變化很小。

1.3 限位支架

限位支架以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的。當(dāng)管系中的各點(diǎn)發(fā)生位移時(shí)，在管系中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置限位支架，可以控制支撐點(diǎn)某些方向的位移，使管系的位移朝著有利于保護(hù)敏感設(shè)備或有利于熱補(bǔ)償?shù)姆较蜻M(jìn)行。固定支架限制管道支撐點(diǎn)三個(gè)方向的線位移和三個(gè)方向的角位移，導(dǎo)向支架限制管道支撐點(diǎn)兩個(gè)方向的線位移，止推支架限制管道支撐點(diǎn)一個(gè)方向的線位移，它可以代替固定支架用于限制管道的軸向位移。

1.4 防振支架

防振管卡能有效地控制管系的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)，它對(duì)管道施加了較大的剛度，從而增加了支架對(duì)管道的阻尼作用，有效地降低了管系的振動(dòng)，并且它允許管道有一定的軸向位移而使管系不會(huì)因熱脹而破壞。阻尼減振器對(duì)連續(xù)強(qiáng)迫高頻振動(dòng)的抑制效果較差，經(jīng)常用于緩解瞬間激振引起的有阻尼自由振動(dòng)[2]。

2 支吊架的承載情況及基本組成

2.1 支吊架的承載情況

根據(jù)支吊架的類型及其對(duì)管道所起的作用不同，大體上承受如下幾類載荷：

(1)管子及附件重量；

(2)彈簧支吊架預(yù)壓所產(chǎn)生的作用力及其轉(zhuǎn)移至剛性支吊架的荷重；

(3)活動(dòng)支吊架的摩擦力；

(4)管道熱脹冷縮產(chǎn)生的作用力和力矩；

(5)管內(nèi)介質(zhì)的不平衡內(nèi)壓產(chǎn)生的推力；

(6)風(fēng)載荷、雪載荷、地震等偶然載荷。

2.2 支吊架的結(jié)構(gòu)組成

一般情況下，管道支吊架由三部分組成，包括與管子直接接觸的附管部件、與地面、設(shè)備、建構(gòu)筑物等支撐設(shè)施相連的生根部件及連接附管部件和生根部件的中間部分。

2.2.1 附管部件

附管部件與管子直接連接，選用支吊架的時(shí)候首先要考慮附管部件與管子材料及安裝條件的融合性，附管部件與管子可以直接焊接或管卡連接[2]。在選擇兩種連接方式時(shí)應(yīng)注意一些關(guān)鍵問題。

直接焊接結(jié)構(gòu)需注意如下問題：

(1)低溫管道；

(2)合金鋼或有熱處理要求的碳鋼管道；

(3)生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸檢修和高空敷設(shè)且不宜焊接施工的管道；

(4)介質(zhì)溫度≥400℃的高壓管道。

管卡結(jié)構(gòu)需注意如下問題：

(1)保冷管道應(yīng)選用管卡型式，且管卡卡在保冷層的外層；

(2)與不銹鋼管道相連時(shí)，應(yīng)在管子與管卡之間設(shè)置非金屬墊層；

(3)對(duì)于DN≥50的管子，當(dāng)采用管卡承重時(shí)，應(yīng)設(shè)置擋鐵；

(4)當(dāng)管子有保溫時(shí)，管卡與中間連接件相連的部分應(yīng)漏出隔熱層外；

(5)當(dāng)水平管子在工作狀態(tài)下有平面位移時(shí)，管卡宜與吊架配合使用；

(6)成排布置的管道，要注意管卡與相鄰管道的空間；

(7)軸向限位不使用管卡結(jié)構(gòu)。

2.2.2 生根部件與中間連接件

支吊架一般生跟在地面、建構(gòu)筑物的梁或柱、平臺(tái)、設(shè)備本體等部位，生根部位應(yīng)滿足生根點(diǎn)的承載面積、載荷極限和與生根構(gòu)件的連接方式相匹配的要求。

中間連接件起到的是過渡作用，它對(duì)被支撐的管道和生根部位不會(huì)產(chǎn)生直接的影響，一般只需材料本身的物理特性滿足要求即可，所以普通碳鋼比較常用。

3 設(shè)置支吊架的位置

3.1 承重支吊架位置的確定

承重支吊架除滿足本文上述的要求外，還應(yīng)在下列情況下著重考慮：

(1)應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方；

(2)在敏感設(shè)備的附近，宜設(shè)置承重支架[1]；

(3)應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近；

(4)當(dāng)塔的水平管嘴直接安裝DN≥150的閥門時(shí)，應(yīng)在其附近設(shè)承重支架；

(5)沿立式設(shè)備敷設(shè)的豎直管道，應(yīng)在盡可能靠近嘴子處的豎管上設(shè)承重支架；

(6)當(dāng)裝置檢修或建設(shè)施工階段，應(yīng)考慮與其設(shè)備相連管道的穩(wěn)定性，必要時(shí)應(yīng)設(shè)臨時(shí)承重支架。

3.2 限位支架位置的確定

根據(jù)本文前面的描述，限位支架所起的作用是對(duì)管道的線位移和角位移起到一定的限制作用，使管道滿足要求，根據(jù)前面的分類分別討論如下：

3.2.1 導(dǎo)向支架位置的確定

(1)允許管道軸向位移而不允許徑向位移的位置應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架；

(2)水平設(shè)置的π型補(bǔ)償器和波紋管膨脹節(jié)兩側(cè)應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架；

(3)豎直管道較長(zhǎng)時(shí)，為了防止因風(fēng)載荷等引起的管道大幅度振動(dòng)或擺動(dòng)，應(yīng)沿管道分段設(shè)置導(dǎo)向支架；

(4)管道在拐彎處有較大位移并影響到鄰近管道或其它設(shè)施時(shí)，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向支架[2]。

3.2.2 固定支架位置的確定

出于對(duì)管道柔性的考慮，一般情況下要慎重使用固定支架[1]，確定管道固定支架位置時(shí)，應(yīng)使其有利于兩固定點(diǎn)之間管段的自然補(bǔ)償，在下列情況下可以考慮使用固定支架：

(1)選用π形補(bǔ)償器時(shí)，宜將其設(shè)置在兩固定支架的之間的合適位置；

(2)固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(3)生根在地面的調(diào)節(jié)閥組等，在不妨礙熱補(bǔ)償?shù)那闆r下，應(yīng)在一端設(shè)固定支架；

(4)對(duì)于復(fù)雜管系，為了滿足其柔性，可用固定支架將它劃分成幾個(gè)形狀較為簡(jiǎn)單的管段[2]；

(5)固定支架應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動(dòng)、沖擊等載荷或需要限制管道多方向位移的地方[1]；

(6)在裝置分界處宜設(shè)固定支架。

3.2.3 止推支架位置的確定

(1)在熱態(tài)情況下，當(dāng)管系的熱脹方向朝向敏感設(shè)備管咀時(shí)，可在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置逆熱膨脹方向的止推支架；

(2)剛度較大的管道對(duì)設(shè)備、設(shè)備基礎(chǔ)等產(chǎn)生較大推力時(shí)，可在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)止推支架；

(3)在補(bǔ)償器的兩端，裝置邊界線的管道固定點(diǎn)等，止推支架在某些場(chǎng)合可代替固定支架。

3.3 防振支架位置的確定

在使用防振支架時(shí)應(yīng)保證其生根部分應(yīng)有足夠的剛度，且要生根在地面上，以免振動(dòng)傳遞而產(chǎn)生不利的影響，目前防振管卡應(yīng)用較多，防振支架主要應(yīng)用在如下場(chǎng)合：

(1)有地震設(shè)防要求的管道；

(2)可能發(fā)生水擊、兩相流等容易引起振動(dòng)的管道[1]；

(3)有機(jī)械振動(dòng)的管道；

(4)安裝減壓閥等產(chǎn)生壓差的管道。

4 應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)支吊架選擇的修正

本文前面論述的支吊架選擇方法，未經(jīng)過詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算修正。對(duì)于一些有應(yīng)力分析要求的管道，需要通過計(jì)算調(diào)整或者重新選擇支吊架，應(yīng)力分析后如下幾種與支吊架有關(guān)的問題值得我們注意：

(1)支吊點(diǎn)的載荷或垂直位移過大，此時(shí)應(yīng)考慮在支吊點(diǎn)設(shè)置彈簧支吊架，以增加管系垂直方向上的柔性；

(2)限位支架所受水平力過大或二次應(yīng)力超標(biāo)，可能是固定支架或者止推支架的位置選擇不正確，使得管系的柔性不夠，不能吸收本身的變形量[1]；

(3)熱態(tài)水平位移過大，缺少固定點(diǎn)，應(yīng)加固定或者止推支架；

(4)一次應(yīng)力或者冷態(tài)位移過大，此時(shí)應(yīng)該在合理的位置加上支吊架；

(5)設(shè)備受力超標(biāo)，支吊架設(shè)計(jì)不合理，重新選擇。

5 結(jié)語

能夠合理地選擇支吊架體現(xiàn)了管道設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)，除需滿足本文上述所討論的一般要求外，工程實(shí)踐中如下關(guān)于支吊架的問題同樣值得我們思考：

(1)彈簧支吊架確實(shí)能對(duì)管系的柔性起到一定的作用，但彈簧也會(huì)帶來管系不穩(wěn)定、易振動(dòng)、檢修維護(hù)等問題，因此，盡量利用管道自身的柔性吸收位移；

(2)支吊架的自身的防腐、保護(hù)等問題要引起關(guān)注；

(3)對(duì)于同一個(gè)支吊點(diǎn)，如果有不同的支吊架可以選擇，要分析比較最優(yōu)的支吊方式；

(4)要充分核算支吊架的生根空間和承載能力問題，特別是帶有附屬結(jié)構(gòu)的支吊架尤其注意；

(5)支架和吊架相比，由于摩擦力的作用使其更加穩(wěn)定，在多數(shù)情況下優(yōu)選支架，但在少數(shù)情況下，由于吊架生根在管道上側(cè)，為人的通行提供了方便，其次吊架本身允許有一個(gè)擺角，這對(duì)缺少柔性的管系是一個(gè)幫助；

(6)隨著裝置的大型化，大管道的支吊架要充分重視其穩(wěn)定性和抗摩擦能力，對(duì)于一些管道要考慮使用墊板，以防止電 位腐蝕和滿足熱處理的要求;

(7)高壓厚壁管道的支吊架與管道接觸的部位要考慮，以降低應(yīng)力超標(biāo)的可能性；

(8)支吊架的施工同樣要按標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。