管道及支吊架間距選擇差異研究

曹傳勝，唐暢

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040）

1 前言

目前，國家提出“碳達峰、碳中和”目標：力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。電力行業(yè)是中國最大的煤炭消耗和碳排放部門，控制電力行業(yè)煤炭消費總量對于中國實現(xiàn)雙碳目標意義重大。我國存量煤電需要從碳達峰、碳中和大局出發(fā)，因地制宜推進供熱改造、余熱利用，提高能源利用效率。

設(shè)計院進行煤電站供熱改造設(shè)計時，涉及到市政熱網(wǎng)、工業(yè)管道等的設(shè)計，將首先面臨不同行業(yè)規(guī)范的差異帶來的設(shè)計差異。本文以管道壁厚選型及支吊架間距選擇為例，探討不同行業(yè)規(guī)范所帶來的差異，以便設(shè)計人員合理分析使用。

在管道選型計算中，管道壁厚的計算尤為重要，壁厚的選取關(guān)系到管道系統(tǒng)運行的安全性。王品賢等針對長輸原油管道，研究分析了中國、俄羅斯、美國和加拿大管道設(shè)計標準中管道壁厚計算方法的差異以供設(shè)計參考。劉曉紅等針對石化行業(yè)對國內(nèi)外管道壁厚設(shè)計差異進行了對比研究。已有文獻中關(guān)于電力行業(yè)與其他行業(yè)管道壁厚計算差異的對比研究很少。本文以電力行業(yè)動力管道，石化工業(yè)管道，市政熱力管道等國家、行業(yè)規(guī)范為依據(jù)，分析不同的規(guī)程規(guī)范所帶來的管道壁厚選擇差異。

在管道支吊架的布置設(shè)計中，應選取合適的支吊架間距，以保證管道的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。高曉頻等對電力行業(yè)及石化行業(yè)管道支吊架間距計算標準進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)因行業(yè)特點和相關(guān)數(shù)據(jù)取值不同，造成管道支吊架間距計算值差異較大，但論文中引用的多個規(guī)范現(xiàn)已作廢。本文基于最新規(guī)范，對比了電力行業(yè)、市政行業(yè)、石化行業(yè)等關(guān)于支吊架間距的計算規(guī)定，以研究不同行業(yè)中支吊架間距選擇之間的差異，達到設(shè)計經(jīng)濟性與安全性的目的。

2 管道壁厚選擇研究

2.1 國家標準GB/T 20801-2020

本規(guī)范適用于公稱壓力小于或等于PN420的工業(yè)金屬管道的設(shè)計。規(guī)范同時規(guī)定：本規(guī)范不適用于GA類長輸管道、GB類公用管道、GCD類動力管道等。

規(guī)范條文6.1規(guī)定，直管的內(nèi)壓設(shè)計中，當t＜D/6 時，直管的計算壁厚t按式（1）計算，取用壁厚按式（2）計算：

式中定義了焊件的縱向焊接接頭系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)φ，以及焊縫接頭強度降低系數(shù)W。C1是材料厚度負偏差，C2是腐蝕、沖蝕裕量，C3是機械加工深度，Δ是厚度圓整值。

關(guān)于計算壁厚，本規(guī)范計算方法與其他標準規(guī)范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012給出的計算方法基本相同。

關(guān)于取用壁厚，本規(guī)范中未考慮對口加工余量的影響，這與適用電力行業(yè)的規(guī)范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016不同，因此，相對而言，本規(guī)范管道取用壁厚會小于電力行業(yè)管道取用壁厚。

2.2 國家標準GB 50764-2012與行業(yè)標準DL/T 5054-2016

GB 50764-2012標準適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)輸送蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等介質(zhì)的管道設(shè)計。DL/T 5054-2016規(guī)范適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)汽水金屬管道設(shè)計，不適用于給排水管道、消防水管道和直接空冷機組大口徑薄壁拍攝管道的設(shè)計。關(guān)于管道壁厚計算的規(guī)定，DL/T 5054-2016與GB 50764-2012一致。

管子的計算壁厚按下式計算：

式中，ω是焊縫接頭強度降低系數(shù)，C是腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，C1是直管壁厚負偏差附加值。管子的取用壁厚，應計入對口加工裕量，計入對口加工裕量的取用壁厚應符合下列規(guī)定：對于以外徑乘以壁厚標識的管子，宜取用壁厚大于或等于計算壁厚加0.5倍外徑正偏差值。管子的管徑偏差應取用相應的管子產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定值。

以上，可知電力行業(yè)規(guī)范規(guī)定了管道壁厚選擇中應考慮焊縫接頭強度降低系數(shù)以及對口加工裕量。

2.3 行業(yè)規(guī)范CJJ 34-2010

本規(guī)范適用于供熱熱水介質(zhì)設(shè)計壓力小于或等于2.5MPa，設(shè)計溫度小于或等于200℃；供熱蒸汽介質(zhì)設(shè)計壓力小于或等于1.6MPa，設(shè)計溫度小于或等于350℃的下列城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)的設(shè)計：（1）以熱電廠或鍋爐房為熱源，自然源至建筑物熱力入口的供熱管網(wǎng)；（2）供熱管網(wǎng)新建、擴建或改建的管線、中繼泵站和熱力站等工藝系統(tǒng)。

規(guī)范條文9.0.3規(guī)定，地上敷設(shè)和管溝敷設(shè)供熱管道的許用應力取值、管壁厚度計算、補償值計算及應力驗算應按現(xiàn)行行業(yè)標準《火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5366），而標準DL/T 5366-2014[12]中規(guī)定的管道壁厚計算方法與國家標準GB 50764-2012與行業(yè)標準DL/T 5054-2016一致。因此市政行業(yè)熱力管道規(guī)范CJJ 34-2010中的壁厚計算與電力行業(yè)保持一致。

2.4 行業(yè)規(guī)范SH/T 3059-2012

本規(guī)范適用于石油化工裝置中公稱壓力不大于PN420（CL2500）、設(shè)計溫度不超過材料允許使用溫度范圍的管道組成件的選用。

本規(guī)范條文8.2.1 受內(nèi)壓直管的壁厚計算應符合下列規(guī)定：當直管的計算壁厚t小于管子外徑D0的1/6時，直管的計算壁厚應按式（5）計算，管子的名義壁厚應按式（6）計算：

式中,定義了焊縫系數(shù)φ，以及焊縫接頭強度降低系數(shù)W。C1是材料厚度負偏差，C2是腐蝕、沖蝕裕量，C3是機械加工深度，C4是厚度圓整值。該式考慮了焊縫強度降低系數(shù)，但是未考慮對口加工裕量，這與電力行業(yè)規(guī)范不同。

表1內(nèi)容對比了標準規(guī)范GB/T 20801.3-2020、GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012中關(guān)于管道壁厚的選擇公式，如表1所示，其中對于焊縫接頭強度降低系數(shù)而言，以上規(guī)范均已考慮；對于對口加工裕量，GB/T 20801.3-2020、SH/T 3059-2012未予考慮。整體而言，電力行業(yè)管道壁厚的選取相對大于其他工業(yè)管道。因此，在電力設(shè)計院擴展業(yè)務至其他行業(yè)管道設(shè)計時，應相應選取相應行業(yè)的設(shè)計規(guī)范，力求達到管道設(shè)計的安全性與經(jīng)濟性。

表1 各標準規(guī)范中壁厚計算公式差異對比

3 管道支吊架間距計算分析

3.1 國家標準GB/T 17116.1-2018

本標準適用于圓截面金屬管道的支吊架裝置。本標準為2018版本，被代替版本是GB/T 17116.1-1997。在兩個版本的標準總則中，都明確指出：“除符合本標準的規(guī)定外，還應符合各類管道有關(guān)的國家現(xiàn)行規(guī)范的要求?！?/p>

條文6.14規(guī)定，近似水平布置的管道應控制一定的支吊架間距，以保證管道不產(chǎn)生過得的撓度、彎曲應力和剪切力。水平直管道的支吊架間距應滿足下列要求：

（1）強度條件：應控制管道自重產(chǎn)生的彎曲應力，使管道的持續(xù)外載當量應力在允許的范圍內(nèi)；支吊點之間水平直管的最大自重彎曲應力αmax計算公式是：

單跨簡支梁：

三等跨連續(xù)梁：

（2）剛度條件：應控制管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，使管道在安全范圍內(nèi)使用并能滿足疏水和介質(zhì)排放的要求。對于可能產(chǎn)生振動或有抗地震要求的管道，還應根據(jù)其振因控制管道的撓度，使管道的固有頻率值在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。支吊點之間水平直管的最大自重彎曲撓度和固有頻率fn計算公式是：

單跨簡支梁：

三等跨連續(xù)梁：

水平直管的支吊架間距應取按強度條件和剛度條件求得的支吊架間距的較小值。

以上即為GB/T 17116.1-2018給出的支吊架間距計算條文。在該規(guī)范的1997版中，曾說明“許用應力值不宜大于16MPa，彎曲撓度值不宜大于2.5mm”，但在2018年的版本中，已經(jīng)刪除上述取值規(guī)定。因此GB/T 17116.1-2018條文中并未給出許用應力的范圍，也未給出彎曲撓度取值范圍。

3.2 國家標準GB 50316-2008版本

本標準適用于公稱壓力小于或等于42MPa的工業(yè)金屬管道及非金屬襯里的工業(yè)金屬管道的設(shè)計。規(guī)范同時規(guī)定：本規(guī)范不適用于電力行業(yè)的管道、長輸管道、城鎮(zhèn)公用管道等。

條文10.2.7規(guī)定，水平管道支吊架最大間距應滿足強度和剛度條件。強度條件是控制管道自重彎曲應力不應超過設(shè)計溫度下材料許用應力的一半。剛度條件是限制管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，一般管道設(shè)計撓度不應超過15mm。裝置外管道的撓度允許適當放寬，但不應超過38mm。敷設(shè)無坡度的蒸汽管道，其撓度不宜超過10mm。其他有特殊要求的管道需采用更小的撓度值時，可按國家現(xiàn)行標準執(zhí)行。

本標準并未具體給出強度條件和剛度條件的計算間距公式，僅給出了最大彎曲應力和最大彎曲撓度的取值，且這兩個值的大小均遠大于電力行業(yè)規(guī)范相關(guān)的取值規(guī)定，下面將詳細分析。

3.3 國家標準GB 50764-2012

本標準適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)輸送蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等介質(zhì)的管道設(shè)計。

條文10.2中規(guī)定，水平管道支吊架間距，應滿足強度條件和剛度條件的要求。

（1）強度條件：

（2）剛度條件：

條文規(guī)定水平直管最大彎曲應力為16MPa，最大彎曲撓度為2.5mm，這兩個值的取值遠小于GB 50316-2008和SH/T 3073-2016中的取值。本標準并未考慮管道固有頻率等因素。

3.4 行業(yè)規(guī)范DL/T 5054-2016[9]

本規(guī)范適用于火力發(fā)電廠范圍內(nèi)汽水金屬管道設(shè)計，不適用于給排水管道、消防水管道和直接空冷機組大口徑薄壁拍攝管道的設(shè)計。

條文8.2中規(guī)定，水平直管的支吊架允許間距應按管道強度條件及剛度條件來確定，取兩個條件確定的支吊架間距的較小值。

（1）強度條件要求，單跨管道按簡支梁計算，管道自重引起的最大彎曲應力不應大于16Mpa：

按照強度條件，只考慮管道自重均布荷載的水平直管道的允許支吊架間距應按下式計算：

（2）剛度條件應按單跨管道簡支梁計算，其最大撓度值不應大于2.5mm：

按照剛度條件，只考慮管道自重均布荷載的水平直管道的允許支吊架間距應按下式計算：

從以上條文可知，DL/T 5054-2016與GB 50764-2012所采用的計算公式和取值均相同。

3.5 行業(yè)規(guī)范SH/T 3073-2016

本規(guī)范適用于石油化工鋼制管道支吊架的設(shè)計。

條文6.1規(guī)定，水平管道支吊架的最大間距應滿足強度和剛度條件。強度條件是控制管道自重彎曲應力不應大于設(shè)計溫度下材料許用應力的一半；剛度條件是限制管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，裝置內(nèi)管道的撓度不應大于15mm；裝置外管道的撓度不應大于38mm；敷設(shè)無坡度的蒸汽管道的撓度不宜大于10mm。該規(guī)定與GB 50316-2008一致，且最大彎曲應力和最大彎曲撓度取值遠大于電力行業(yè)規(guī)定。

條文6.2規(guī)定，連續(xù)水平敷設(shè)的管道，其允許跨距應按三跨距連續(xù)梁承受均布荷載的剛度條件和強度條件計算，并取兩者中的較小值。

（1）按剛度條件計算時，裝置內(nèi)的管道跨距應按公式（19）計算，裝置外的管道跨距應按公式（20）計算：

（2）按強度條件計算時，不考慮內(nèi)壓的管道跨距應按公式（21）計算，考慮內(nèi)壓的管道跨距應按公式（22）計算：

條文6.3規(guī)定，對于不允許積液并帶有坡度的管道，管道跨距除滿足以上強度和剛度要求外，還應滿足公式（23）的要求：

以上即為石油化工行業(yè)管道支吊架間距計算規(guī)定。石油行業(yè)管道間距剛度條件與強度條件計算按三跨連續(xù)梁計算，這與電力行業(yè)（DL/T 5054-2016）按單跨計算不同?？箯潝嗝嫦禂?shù)、管子截面慣性矩是以管子扣除腐蝕裕量和負偏差后為基準的，這與其他標準不同。

3.6 美國標準ASME B31.1-2016

本標準適用于基于典型的發(fā)電站、工業(yè)和公共設(shè)施電廠、地熱系統(tǒng)、集中及區(qū)域供熱和冷卻系統(tǒng)的管道。

本標準中表121.5給出了DN25至DN600的水、蒸汽、燃氣、空氣管道的建議最大支吊架間距。其要求管道的最高溫度不超過700℉（400℃），彎曲應力不超過2300psi（15.86MPa），彎曲撓度不超過0.1in（2.5mm）。該規(guī)定中關(guān)于對最大彎曲應力和最大彎曲撓度的規(guī)定，與GB 50764-2012及DL/T 5054-2016基本一致。

3.7 支吊架間距實例計算

本文以相同參數(shù)下，不同規(guī)格的水管道和蒸汽管道為例，分別按照電力行業(yè)規(guī)范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行業(yè)規(guī)范SH/T 3073-2016相關(guān)規(guī)定，計算得到強度和剛度條件下的支吊架間距，如表2所示。由表2可知，對蒸汽管道和水管道而言，石化行業(yè)規(guī)范所得間距與電力行業(yè)規(guī)范所得間距差距較大。強度條件下，前者是后者的1.95倍；剛度條件下，裝置內(nèi)管道前者是后者的1.86倍，裝置內(nèi)管道前者是后者的2.29倍。

表2 支吊架間距計算表格

因此，電力行業(yè)與其他行業(yè)的支吊架間距選取存在差異。電力行業(yè)設(shè)計院在擴展業(yè)務至其他行業(yè)時，應因地制宜，選取相應行業(yè)的標準規(guī)范，力求保證設(shè)計的安全性與經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

本文以不同行業(yè)涉及的標準規(guī)范中管道壁厚及支吊架間距選擇為例，探討不同行業(yè)標準和規(guī)范所帶來的差異，主要結(jié)論如下：

（1）在管道壁厚計算中，工業(yè)管道規(guī)范GB/T 20801.3-2020，石化行業(yè)規(guī)范SH/T 3059-2012、電力行業(yè)規(guī)范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016、以及市政行業(yè)規(guī)范CJJ 34-2010均考慮了焊接強度減低系數(shù)的影響，其計算壁厚計算公式基本相同。

（2）選取管道取用壁厚時，工業(yè)管道規(guī)范GB/T 20801.3-2020、石化行業(yè)規(guī)范SH/T 3059-2012未予考慮對口加工裕量；而電力行業(yè)規(guī)范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016考慮了對口加工裕量的影響。

（3）GB/T 17116.1-2018給出了支吊架間距的計算公式，但并未給出強度條件下的最大彎曲應力和剛度條件下的最大彎曲撓度取值。

（4）工業(yè)管道標準GB 50316-2008及石化行業(yè)規(guī)范SH/T 3073-2016給出的最大彎曲應力和最大彎曲撓度取值與電力行業(yè)標準存在差異。

（5）本文按照電力行業(yè)規(guī)范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行業(yè)規(guī)范SH/T 3073-2016相關(guān)規(guī)定，計算得到強度和剛度條件下的支吊架間距，可知石化行業(yè)規(guī)范所得間距與電力行業(yè)規(guī)范所得間距差距較大。強度條件下，前者是后者的1.95倍；剛度條件下，裝置內(nèi)管道前者是后者的1.86倍，裝置內(nèi)管道前者是后者的2.29倍。

（6）“雙碳”背景下電力設(shè)計院轉(zhuǎn)型擴展到其他行業(yè)時，在選取管道壁厚及支吊架間距時，應合理分析使用相應設(shè)計規(guī)范，以求達到設(shè)計的安全性與經(jīng)濟性。