玻璃鋼管道支架設(shè)計(jì)與應(yīng)用

紀(jì)志遠(yuǎn)，田惠萍

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

玻璃鋼管道應(yīng)用廣泛。在設(shè)計(jì)玻璃鋼管道時，應(yīng)按照規(guī)范及流程，選擇合適的管道跨距、管道支架類型、結(jié)構(gòu)支撐型式，可參考金屬管道的支架設(shè)計(jì)做法，同時應(yīng)進(jìn)行管道應(yīng)力分析計(jì)算。本文將結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)例，對玻璃鋼管道設(shè)計(jì)及支架選型等方面進(jìn)行介紹。

1 玻璃鋼簡介

在玻璃鋼產(chǎn)品從推出到廣泛應(yīng)用期間，玻璃鋼和傳統(tǒng)金屬材料間的區(qū)別越來越明顯。典型的結(jié)構(gòu)材料通常分為四類：金屬、聚合物、陶瓷以及復(fù)合材料，復(fù)合材料基本上是兩種或多種其他結(jié)構(gòu)的組合材料[1,2]。玻璃鋼是一種聚合物（樹脂）和陶瓷（玻璃纖維）的復(fù)合材料，由基材與加強(qiáng)材料組成，其性能特點(diǎn)優(yōu)越，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫、耐火、良好的流動特性等優(yōu)點(diǎn)，尤其在惡劣的海洋環(huán)境中，金屬管道容易受到腐蝕并發(fā)生結(jié)垢，因此需要定期更換和清潔，玻璃鋼材料因其固有的耐腐蝕性，不易結(jié)垢，從長遠(yuǎn)看，在海上設(shè)施使用期間，使用玻璃鋼材質(zhì)可大大降低昂貴的維護(hù)和更換成本。

2 玻璃鋼管道支架跨距設(shè)計(jì)

玻璃鋼管道支架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足跨距要求，但在以下情況下，應(yīng)降低跨距長度，例如：彎矩大的地方、有壓力波動區(qū)域、受加速度、風(fēng)載荷、波浪載荷、爆炸載荷等區(qū)域以及其他動態(tài)載荷區(qū)域。支架跨距應(yīng)避免因重力、介質(zhì)、絕緣材料、防火材料等引起的管道下垂，支架的設(shè)計(jì)應(yīng)避免振動，例如豎直管道、離振動源近處的管道、暴露在振動源附近的管道等。

圖1 玻璃鋼管道支架跨距設(shè)計(jì)圖

如圖1，在流向轉(zhuǎn)變處應(yīng)降低管支架跨距，其中：L1+L2=0.6L，L是經(jīng)計(jì)算的管支架跨距，L1及L2是支架1或支架2到三通和彎頭的距離，應(yīng)注意L與L1+L2都不應(yīng)超過6m。

3 玻璃鋼管道支架型式

管道支架可以對管道進(jìn)行承重、導(dǎo)向限制，管道支架按照其作用分為支撐支架、滑動支架、固定支架。玻璃鋼管道不應(yīng)直接接觸結(jié)構(gòu)物表面（如結(jié)構(gòu)型鋼表面），應(yīng)使用管卡進(jìn)行保護(hù)支撐，在選擇管支架型式時結(jié)構(gòu)支撐所受荷載也應(yīng)一并設(shè)計(jì)考慮[3]。

3.1 滑動支架（U-CLAMP型式）

玻璃鋼管支架與CLAMP之間應(yīng)具有保護(hù)層，型式可參見圖2滑動支架（U-CLAMP型式），應(yīng)注意，此種型式不能承受切向較強(qiáng)的作用力。采用此型式支架應(yīng)注意管道與管卡間要留有小間隙（約3mm）的伸縮縫，以便于玻璃鋼管道熱脹冷縮的運(yùn)動，襯里材料應(yīng)永久固定在CLAMP上。

導(dǎo)向支架的設(shè)計(jì)取決于管道系統(tǒng)的走向及管道的跨距，特別是在壓力泄放、排放管道附近，如果泄壓管道末端有彎頭，則應(yīng)在末端附近設(shè)計(jì)導(dǎo)向支架，避免玻璃鋼管道架空。

圖2 滑動支架（U-CLAMP型式）及實(shí)物對照

3.2 固定支架（承受荷載小型式）

固定支架的作用是將管道固定在支架上，如圖3所示，不允許發(fā)生任何方向的位移，這種支架稱為固定支架[4]。固定支架的作用是為均勻分配管道的熱伸長量，保證管道在支架上不發(fā)生移動，固定支架受力較為復(fù)雜，除了要承擔(dān)管道軸向力、熱脹冷縮的水平推力及活動支架的水平摩擦力，還要保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定。固定支架建議使用雙螺栓、螺母，同時鎖緊（防止過度夾緊）以實(shí)現(xiàn)保護(hù)管道的作用，在管卡及固定SADDLE間的間隙不超過3mm。由于支架存在不穩(wěn)定性，因此此種型式支架不適用于垂直管道[5]。

圖3 固定支架（承受荷載小型式）及實(shí)物對照

3.3 固定支架（承受荷載大型式）

此種型式是為了應(yīng)對較大荷載，它是在3.2節(jié)固定支架的基礎(chǔ)上，增加了上下兩處擋塊來抵抗更大荷載；此型式對結(jié)構(gòu)要求更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)處理，選擇門型或加筋板及斜撐型式結(jié)構(gòu)支撐。如果管道的兩端連接有不受約束的膨脹節(jié)，則必須沿著管道軸向設(shè)置固定支架。

3.4 支撐支架

支撐支架僅用于承擔(dān)玻璃鋼管道的重量，其特點(diǎn)是簡單，具有高度靈活性?？梢栽试S移動位移，但是不建議用于海上FPSO、半潛平臺等浮式設(shè)施，除非設(shè)計(jì)中允許其移動產(chǎn)生相對位移。

圖4 中間支架為固定支架（承受荷載大型式）

圖5 支撐支架及實(shí)物對照

3.5 法蘭支架

法蘭支架如圖6，用于支撐玻璃鋼法蘭，通常用于直管段較短，無法在直管段位置設(shè)計(jì)支撐及導(dǎo)向支架的情況及閥門較重、閥門支撐腿較弱的情況時使用。在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意螺栓數(shù)量應(yīng)充分覆蓋，法蘭下支撐架應(yīng)盡可能短。在受力較大時，應(yīng)加筋板抵抗較大受力。安裝固定到結(jié)構(gòu)之前應(yīng)用螺栓固定到法蘭上。法蘭支撐的型式可以是固定、可以是導(dǎo)向也可僅支撐型式，視實(shí)際情況增加組合支架類型。

圖6 支撐支架及實(shí)物對照

在以下情況下，宜使用彎頭支撐：

（1）獨(dú)立的閥門支架和重型設(shè)備，例如閥門、法蘭和螺栓的重量材料、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，當(dāng)閥門被迫打開/關(guān)閉時，防止管道受到過大的彎曲力矩；

（2）連接軟管、公用設(shè)施站、裝貨站的獨(dú)立法蘭固定支架可以避免軟管連接和拉動時產(chǎn)生的彎矩過大的情況，可以避免因壓力突然釋放產(chǎn)生的作用力造成的損壞；

（3）安全閥后，避免泄放反力產(chǎn)生的壓力泄放對管道造成的破壞。

3.6 特殊支架

在一些特殊區(qū)域及特殊受力位置，例如在可能具有沖擊力的區(qū)域，去承受豎直方向的載荷，為特殊設(shè)計(jì)支架，其下方可配合使用加強(qiáng)處理的鋼性構(gòu)件，如圖8。

圖7 閥門的法蘭支架示意圖

圖8 特殊支架

4 常見問題

在使用過程中常常遇到一些問題，例如在絕緣接頭或膨脹節(jié)的兩側(cè)，管道支架設(shè)計(jì)問題：比如應(yīng)盡量靠近膨脹節(jié)及絕緣接頭設(shè)計(jì)管支架，預(yù)留出安裝及拆卸所需空間等。

如圖1 0 所示，玻璃鋼管道支架應(yīng)位于方便安裝和無障礙位置，不應(yīng)位于穿甲板處，支架最好位于光管上而不是在配件或接頭處，管支架與管件之間應(yīng)留有充足的空間。

圖9 膨脹節(jié)兩側(cè)支架設(shè)計(jì)

圖10 支架空間設(shè)計(jì)及實(shí)物圖

在圖11中列舉了一些錯誤的做法，不應(yīng)使用玻璃鋼管道支架支撐其他管道。

如需要支撐小支管或者分支管時，宜從主管生根，避免因生根于主結(jié)構(gòu)，避免與主管產(chǎn)生相對位移的偏離，同時也避免了振動與疲勞，如圖12中，小支管結(jié)構(gòu)宜生根于主管。

圖11 支架設(shè)計(jì)錯誤做法

圖12 小管支撐位置

支架應(yīng)盡量生根于主梁或主結(jié)構(gòu)或共架生根，但是有些并排的管支架可以選擇圖13的方式，以避免軸向止推支架集中于一點(diǎn)上，使該支架受力過大。

圖13 固定支架位置設(shè)計(jì)

選擇合適的結(jié)構(gòu)支撐也很重要，在圖14中，結(jié)構(gòu)支架較弱，產(chǎn)生了管道失效破壞的情況。

圖14 結(jié)構(gòu)支撐失效實(shí)物圖

總之，按照跨距要求設(shè)計(jì)支架，結(jié)合管道走向調(diào)整跨距，合理設(shè)計(jì)固定支架、導(dǎo)向支架以及承重支架，才能保證玻璃鋼管道長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了玻璃鋼管道支架設(shè)計(jì)、管道跨距及工程中常見問題，為今后玻璃鋼管道設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考，為同行人員提供借鑒依據(jù)。