中間柱式管道支架設(shè)計方法研究

王璞璇

（航天環(huán)境工程有限公司，天津 300301）

管道敷設(shè)可分為地面以上和地面以下兩大類，地面以下敷設(shè)即直埋敷設(shè)和地溝敷設(shè)，地面以上敷設(shè)即通常所說的架空敷設(shè)。架空敷設(shè)具有便于施工、操作、維修以及較為經(jīng)濟的特點，是管道敷設(shè)的主要方式。按照支撐結(jié)構(gòu)高度的不同，架空敷設(shè)分為低支架敷設(shè)、中支架敷設(shè)和高支架敷設(shè)。管道支架系統(tǒng)設(shè)計對能否實現(xiàn)管道敷設(shè)的安全可靠性、經(jīng)濟性和使用壽命等方面的優(yōu)化設(shè)計起到重要作用。管道支架根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為獨立式管道支架和組合式管道支架。獨立式管道支架包括固定支架、剛性管道支架、柔性管道支架、半鉸接管道支架、雙向活動管道支架（搖擺管道支架）；獨立式管道支架按外形分有單層T型、單層門型、雙層、雙層H型以及平面、空間、塔架等形式，如圖1所示。組合式管道支架，為減少管道支架數(shù)量、加大管道支架之間距而采用縱粱式、桁架式、拉桿式、懸索式、吊索式等聯(lián)系結(jié)構(gòu)把各自的獨立的管道支架聯(lián)系起來，形成一個支承管道的管道支架系統(tǒng)，如圖2所示。工程中一般根據(jù)廠區(qū)的地形圖、構(gòu)選型，同時對目前工業(yè)管道重遇到的相似設(shè)計提供理論計算方法依據(jù)，有助于確保工程設(shè)計的可靠性。

1 管道支架結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

管道支架設(shè)計需要結(jié)合管道的管道運行后的受力狀態(tài)、輸送介質(zhì)的溫度、工作壓力、管材的線膨脹系數(shù)等實況現(xiàn)象，同時考慮鋼材耗量和制作安裝的成本，確定出管架安裝的實際位置、管架結(jié)構(gòu)、管架類型等設(shè)計方案。一般利用管道自身剛度，將各自獨立的管道支架聯(lián)接起來的管道支架系統(tǒng)，作柱式管道支架。該工程中管架結(jié)構(gòu)材料梁與柱為鋼結(jié)構(gòu)材料，自然條件為室內(nèi)管道，無風(fēng)荷載，無地下水。

1.1 荷載計算

管道荷載分為垂直荷載及水平荷載，該次設(shè)計支撐的是輸送到設(shè)備中的管道。管路與設(shè)備位置關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖1 獨立式管架

圖2 組合式管架

（1）垂直荷載計算。垂直荷載分為永久荷載和可總平面圖布置圖、水文地質(zhì)資料、氣象條件、地下電纜、給排水管道、熱力管道及動力管道等資料通過管道敷設(shè)方式規(guī)劃出管道系統(tǒng)布置圖，管架是管道的支承結(jié)構(gòu)，因此管道支架的正確設(shè)計是管道實現(xiàn)功能的保障。

圖3 管路與設(shè)備位置關(guān)系三維示意圖

文章以某工程實況中的脫硫廢水來水管道處的支架設(shè)置為例，通過管道荷載受力分析計算，給出了一種在滿足管道系統(tǒng)整體穩(wěn)定性要求下的單柱管架結(jié)構(gòu)選型設(shè)計方案，通過該設(shè)計方案實現(xiàn)了管道支架位置選取和結(jié)變荷載。永久荷載分為管道、內(nèi)襯、保溫層、管道附件重，管道內(nèi)介質(zhì)重，管架自重；可變荷載分為平臺上活動荷載，掛內(nèi)沉積物、試壓水重，積灰荷載，冰雪荷載。該工程垂直荷載計算結(jié)果如表1所示。表1中：①管道附件包括3個90°彎頭、8個板式平焊鋼制法蘭、8個六角螺栓帶螺母。單個90°彎頭質(zhì)量取0.39kg，此重量未考慮襯膠重量[1]；單個板式平焊鋼制法蘭質(zhì)量取2.5kg[2]；單個六角螺栓帶螺母重量取0.156kg。②管內(nèi)介質(zhì)為脫硫廢水，漿液密度一般控制在1017～1150kg/m[3]。該次校核按照最大密度計算介質(zhì)重量。③可變荷載實況只存在試壓水重，采用了工藝水進行試壓，水重為4.72kg。④橫梁為槽鋼10號，截面面積為12.748cm[4]。

式中：ρ為管道重輸送介質(zhì)密度；Q為管道中的介質(zhì)流量；∑F為作用在總流上所有外力的合力。

總流的動量方程在徑向方向（x）和軸向方向（y）上的投影分別如下：

式中：Q=10m3/h；β1、β2為動量修正系數(shù)，即實際動量與按斷面平均流速計算的動量的比值，其值大

表1 管道垂直荷載標準值統(tǒng)計

（2）水平荷載計算。管道作用于管架上的水平推力，是由于管道熱變形引起的?；顒庸芗艹惺芩酵屏Φ拇笮⊥浣Y(jié)構(gòu)形式有關(guān)，如管架能適應(yīng)管道的熱要求而位移，則受力較小，不適應(yīng)管道熱變形要求則受力較大。水平荷載分為縱向（管道軸向）和橫向（管道徑向）。縱向荷載包括管道補償器反彈力、管道的不平衡內(nèi)壓力、活動管道支架的管道摩擦力、活動管道支架的位移反彈力；橫向受力分為風(fēng)荷載、拐彎管道或支管的水平推力、管道橫向位移的摩擦力。

第一，拐彎管道的水平推力計算。該次設(shè)計存在由泵抽取的脫硫廢水對管道拐彎處水平推力。該工程中地坑泵出水壓0.09MPa，最大流速1.36m/s。管道水平受力計算方法需計算彎頭處水流對管道的水平作用力[5]。Rx和Ry是水流對彎管管道的水平力，則Rx’和Ry’是彎管對水流的反作用力，如圖4所示。p1、p2分別為兩個斷面的形心處的相對壓強，那么作用在這兩斷面上的總壓力分別為；作用在控制內(nèi)的水流重力，因與所求水平推力垂直，故不考慮。

總流的動量方程如下：

圖4 彎管對水流的反作用力示意圖

于1（1.02～1.05），常取1，該工程取值1。則：

第二，管路作用到管道支架的摩擦力計算。摩擦力計算公式如下：

式中：pm為摩擦水平推力，N；μ為摩擦系數(shù)，鋼與鋼接觸取0.3[6]；q為管路的單位重量，q=183.81N/m；l為該管路支架間的管段長度，l=2.06m。

第三，位移反彈力計算。位移反彈力計算公式如下：

求得位移反彈力：

1.2 管道支架結(jié)構(gòu)特征判別

圖5 管架位置示意圖

1.3 鋼結(jié)構(gòu)管架柱的計算長度

鋼結(jié)構(gòu)橫向管架柱的計算長度按式（7）計算。

式中：μ為管架柱計算長度系數(shù)，取值為1.16；H為柱高度。

求得：H0=2.784m。

管架柱的允許長細比：

式中：H0為管架柱的計算長度，cm；i為最小回轉(zhuǎn)半徑，cm，取，h=100mm，10號槽鋼尺寸。

求得：長細比=72.3200，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

2 結(jié)論

文章通過工程實況中管道支架實際受力，分析選出適合該管道系統(tǒng)的中間管道支架結(jié)構(gòu)類型，確保實現(xiàn)管道的正確支撐以及管道的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)工程設(shè)計質(zhì)量失誤造成的經(jīng)濟損失和安全性隱患。在實際管道系統(tǒng)中，除文中存在的荷載外，還會存在風(fēng)、地震以及補償器等引起的荷載影響，為了更好地實現(xiàn)理論設(shè)計指導(dǎo)，還需要進一步研究擴展較為復(fù)雜情況下的實況，以便提供更為全面的設(shè)計依據(jù)。