化工管道支吊架設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

秦華麗

（廣西北投化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣西南寧 530003）

化工管道系統(tǒng)在現(xiàn)代化工行業(yè)中占據(jù)重要地位，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的部分。管道系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送各種化工原輔料和產(chǎn)品，其穩(wěn)定性和安全性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行至關(guān)重要。支吊架不僅要承受管道自身及管道內(nèi)流體的重力，還要抵抗由于流體流動(dòng)、溫度變化等引起的各種應(yīng)力。因此，管道支吊架設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐問(wèn)題引起了廣大研究者的關(guān)注。

1 化工管道支吊架的重要性

化工管道支吊架在工程項(xiàng)目中扮演著關(guān)鍵角色。作為化工工程的一部分，管道系統(tǒng)承載著各種化學(xué)物質(zhì)，其安全、穩(wěn)定及可靠性對(duì)整個(gè)工程運(yùn)行的成功至關(guān)重要。在這一背景下，合理的支吊架設(shè)計(jì)保證了管道系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。支吊架需要承受管道自身的重量、管道內(nèi)流體的重量及各種外部因素引起的額外荷載。若未考慮到以上因素，可能會(huì)導(dǎo)致支吊架失效，甚至可能引發(fā)管道破裂，形成安全事故。此外，由于化工管道中的流體溫度變化可能很大，管道會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，需要適當(dāng)?shù)闹У跫軄?lái)限制和引導(dǎo)管道的運(yùn)動(dòng)，防止過(guò)度彎曲或扭曲導(dǎo)致疲勞破裂，造成安全事故。所以，化工管道支吊架的設(shè)計(jì)在保障管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和降低維護(hù)檢修成本方面，都起著重要作用[1]。

2 化工管道支吊架基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)原則

2.1 基礎(chǔ)理論

（1）力學(xué)原理

力學(xué)主要分析在不同荷載（包括自重、流體重力、熱膨脹力、風(fēng)荷載、地震荷載等）作用下，支吊架和管道的應(yīng)力、應(yīng)變、變形和位移等。合理的設(shè)計(jì)需要確保在各種可能的工況下，支吊架和管道的應(yīng)力和位移都滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要通過(guò)力學(xué)原理來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面的計(jì)算，這是確保管道支吊架滿(mǎn)足使用要求的重要手段。

（2）材料科學(xué)原理

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要選擇合適的材料來(lái)滿(mǎn)足管道支吊架的各種性能要求，包括材料的強(qiáng)度、韌性、硬度、耐熱性、耐腐蝕性等。例如，材料的強(qiáng)度應(yīng)能滿(mǎn)足支吊架在各種工況下的承載能力要求；材料的韌性應(yīng)能防止支吊架在受到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生破壞；材料的耐熱性和耐腐蝕性應(yīng)能保證支吊架在化工環(huán)境下的耐久性。因此，材料科學(xué)原理的應(yīng)用能夠保證化工管道支吊架的性能和耐久性，提高其使用壽命。

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）安全性原則

設(shè)計(jì)過(guò)程中須保證支吊架具有足夠的安全性，包括承載能力、穩(wěn)定性和耐久性等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)支吊架產(chǎn)生影響的荷載，如管道和流體的重力、溫度變化產(chǎn)生的膨脹力、地震荷載和風(fēng)荷載等，以及可能的腐蝕環(huán)境。同時(shí)，還應(yīng)確保支吊架設(shè)計(jì)滿(mǎn)足所有相關(guān)的安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以防止可能的安全事故。

（2）經(jīng)濟(jì)性原則

設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)優(yōu)化支吊架的結(jié)構(gòu)和材料選擇，以減少材料使用量，降低制造和安裝成本。此外，設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮到支吊架的維護(hù)和檢修成本，以實(shí)現(xiàn)支吊架的整體經(jīng)濟(jì)性。

（3）可行性原則

可行性原則要求化工管道支吊架的設(shè)計(jì)在技術(shù)上是可實(shí)施的，設(shè)計(jì)方案應(yīng)能夠在現(xiàn)有的技術(shù)條件和設(shè)備條件下制造和安裝。此外，還應(yīng)考慮到支吊架的使用和維護(hù)，保證設(shè)計(jì)方案在實(shí)際操作中的可行性。這一原則需要設(shè)計(jì)者有足夠的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的深入了解，以確保設(shè)計(jì)方案的實(shí)施性[2]。

3 化工管道支吊架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.1 管架跨距的確定

（1）管架跨距的計(jì)算

管架跨距的計(jì)算是支吊架設(shè)計(jì)的重要組成部分，需要依據(jù)管道材料、直徑、工作壓力、工作溫度等參數(shù)，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。計(jì)算過(guò)程中需考慮到管道在各種工況下的應(yīng)力和變形，以確保管道在支吊架的承托下能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。適當(dāng)?shù)墓芗芸缇嗄苡行У販p少因管道過(guò)度彎曲或變形引起的疲勞破裂?；す艿拦芗艿淖畲罂缇嘁话憧蓮摹痘す苈吩O(shè)計(jì)手冊(cè)》中查到。

（2）水平管道導(dǎo)向架間距

對(duì)于水平管道，導(dǎo)向架間距的確定關(guān)鍵在于平衡管道的穩(wěn)定性。過(guò)大的間距可能導(dǎo)致管道在重力和內(nèi)壓作用下產(chǎn)生過(guò)大的撓度，從而影響管道的使用壽命和安全性；過(guò)小的間距則會(huì)增加導(dǎo)向架的數(shù)量和成本。因此，需要根據(jù)管道的直徑、材料、工作壓力和溫度等合理確定導(dǎo)向架間距。

（3）垂直管道的管架間距

垂直管道的管架間距需要根據(jù)管道的直徑、材料、工作壓力和溫度，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范確定。由于垂直管道的自重和流體重力主要沿管道軸線(xiàn)方向作用，所以相比水平管道，其管架間距可以適當(dāng)大一些。然而，過(guò)大的間距可能會(huì)導(dǎo)致管道在地震或風(fēng)荷載等外部力作用下產(chǎn)生過(guò)大的撓度，因此，需要適當(dāng)?shù)拇怪惫艿拦芗荛g距[3]。

3.2 管架載荷的確定

作用在管架上的荷載按其性質(zhì)可分為兩大類(lèi)，即靜荷載和動(dòng)荷載。

（1）靜載荷計(jì)算

靜載荷是化工管道支吊架設(shè)計(jì)中的重要因素，主要包括管道自重、管道內(nèi)流體的重力，以及附加在管道上的設(shè)備或構(gòu)件的重力。靜載荷的計(jì)算需要考慮到管道的材料、壁厚、直徑、長(zhǎng)度及管道內(nèi)流體的密度。

（2）動(dòng)載荷計(jì)算

動(dòng)載荷包括管系因地震、風(fēng)壓、安全閥排氣管道的反作用力、調(diào)節(jié)閥的推力、水擊、流體脈動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等因素引起的各類(lèi)動(dòng)荷載。實(shí)際工作中，對(duì)于動(dòng)載荷的計(jì)算通?？紤]以下幾個(gè)重要因素：管道內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)、管道系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、環(huán)境因素及應(yīng)急情況。在動(dòng)載荷的計(jì)算過(guò)程中，需要以科學(xué)的理論和方法為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工況，準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)動(dòng)載荷。

3.3 管架的設(shè)置及選用

（1）管架分類(lèi)

化工管道支吊架按照其功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定支架、滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架、限位支架和彈簧支吊架等。固定支架用于固定管道位置和方向，承受管道的全部重力、內(nèi)壓力和溫度引起的膨脹力?；瑒?dòng)支架主要用于承受管道的垂直荷載，同時(shí)允許管道在水平方向上滑動(dòng)。導(dǎo)向支架用于控制管道在某一方向的位移。限位支架通常設(shè)置在管道的彎頭或轉(zhuǎn)角處，用于限制管道的軸向或側(cè)向位移。彈簧支吊架用于承受變動(dòng)的載荷，可自動(dòng)調(diào)整其高度以適應(yīng)管道的熱膨脹。

（2）管架設(shè)置要求

管架的承載能力應(yīng)能滿(mǎn)足承受管道的所有荷載，包括靜荷載和動(dòng)荷載；其結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)合適，以適應(yīng)管道的尺寸和形狀，保證管道的穩(wěn)定性；管架的位置應(yīng)能確保管道的均勻支撐，避免因管道的局部過(guò)載或不均勻受力導(dǎo)致的疲勞破裂；對(duì)于有位移的管道，管架應(yīng)具有相應(yīng)的位移能力，以適應(yīng)管道的熱膨脹或其他位移。在設(shè)置管架時(shí)，還應(yīng)考慮到管架的安裝、檢查和維護(hù)的便利性。

3.4 架體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

在化工管道支吊架設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算決定著支吊架的穩(wěn)定性與可靠性。需要充分考慮靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷及環(huán)境因素產(chǎn)生的附加載荷，保證在極端工況下支吊架的完整性和功能。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算需依照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保安全和效率的要求得以滿(mǎn)足。針對(duì)支吊架的桿件、連接部位、基礎(chǔ)等各部分進(jìn)行詳細(xì)分析，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

（2）材料選擇

支吊架的材料選擇直接影響其強(qiáng)度、剛度、耐久性，以及制造和維護(hù)成本。常用的支吊架材料包括各種鋼材、鑄鐵、不銹鋼、復(fù)合材料等。在選擇材料時(shí)，需要根據(jù)管道的工作環(huán)境、荷載情況，以及支吊架的使用和維護(hù)要求進(jìn)行綜合考慮。

3.5 考慮環(huán)境影響因素

（1）溫度變化

溫度的變化會(huì)引起材料的線(xiàn)性膨脹或收縮，從而導(dǎo)致管道和支吊架的位移和應(yīng)力的變化。溫度變化對(duì)支吊架的影響既可能是周期性的，如日照引起的日溫差，也可能是長(zhǎng)期的，如季節(jié)性溫度變化。因此，支吊架設(shè)計(jì)必須考慮到溫度變化，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如設(shè)置足夠的補(bǔ)償器，以允許管道的熱膨脹和收縮。

（2）腐蝕性環(huán)境

支吊架的材料、結(jié)構(gòu)和防護(hù)措施都需要考慮到腐蝕的影響。例如，對(duì)于位于海邊或含有腐蝕性化學(xué)品的環(huán)境，支吊架的材料就需要具備良好的耐腐蝕性。在極端的腐蝕環(huán)境下，可能需要使用特種的耐腐蝕材料或者采用特殊的防腐措施，如防腐涂層或陰極保護(hù)。

3.6 典型管架設(shè)計(jì)

（1）塔類(lèi)管道管架設(shè)計(jì)

在塔類(lèi)管道的支吊架設(shè)計(jì)中，必須強(qiáng)調(diào)考慮管道的高度和空間布局。由于塔內(nèi)流體的溫度和壓力變化顯著，相應(yīng)地，塔類(lèi)管道需應(yīng)對(duì)顯著的熱膨脹，這就要求支吊架具備良好的位移能力。同時(shí)，塔類(lèi)管道還面臨著風(fēng)載等的挑戰(zhàn)，因此，其管架必須擁有出色的剛度和強(qiáng)度。從塔頂或塔側(cè)出口的管道，應(yīng)盡量在靠近設(shè)備接管口處設(shè)立第一個(gè)管架，而且為固定承重架，一般在承重架的下面設(shè)導(dǎo)向架。塔設(shè)備管架見(jiàn)圖1。

圖1 塔設(shè)備管架

（2）往復(fù)機(jī)泵管道管架設(shè)計(jì)

往復(fù)機(jī)泵進(jìn)出口管道會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，這就對(duì)支吊架設(shè)計(jì)提出了新的要求。振動(dòng)可能導(dǎo)致管道的動(dòng)載荷增大，甚至可能引發(fā)管道的疲勞破裂。為應(yīng)對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)加入特殊的阻尼器或彈簧架以減小振動(dòng)的影響。應(yīng)避免管架生根在樓面上或梁上或墻上，以避免把管道的振動(dòng)傳遞給建筑物；也不要把管架生根于設(shè)備上；一般將管道固定于生根在地面基礎(chǔ)上的牢靠的型鋼架上，并且地面基礎(chǔ)應(yīng)是獨(dú)立的。

（3）安全閥管道管架設(shè)計(jì)

安全閥管道的支吊架設(shè)計(jì)必須保證在管道內(nèi)壓力超過(guò)允許值時(shí)，安全閥能迅速打開(kāi)，釋放壓力。面對(duì)突然的壓力變化，支吊架需要具備堅(jiān)實(shí)的強(qiáng)度和剛度。在安全閥開(kāi)啟時(shí)，高速排放會(huì)產(chǎn)生極大的反沖力，其支吊架設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備良好的抗動(dòng)載能力，一般安全閥出口的水平管道設(shè)承重的滑動(dòng)架或固定架，立管設(shè)導(dǎo)向架，具體見(jiàn)圖2。

圖2 安全閥管道管架

（4）熱力管道方形補(bǔ)償器管架設(shè)計(jì)

對(duì)于工作溫度較高的熱力管道，熱膨脹問(wèn)題尤為突出。因此，其方形補(bǔ)償器的支吊架設(shè)計(jì)要有足夠的位移能力，以適應(yīng)管道的熱膨脹和收縮。例如，在設(shè)計(jì)蒸汽輸送管道的支吊架時(shí)，一般在兩個(gè)固定架的中間設(shè)置方形補(bǔ)償器，通常會(huì)在方形補(bǔ)償器的中間設(shè)滑動(dòng)架，兩邊適當(dāng)位置設(shè)導(dǎo)向架，以滿(mǎn)足膨脹位移的需求，具體見(jiàn)圖3。

圖3 方形補(bǔ)償器管架

3.7 管架設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題

（1）是設(shè)計(jì)的實(shí)用性，支吊架的設(shè)計(jì)應(yīng)符合管道的實(shí)際使用條件，例如流體的種類(lèi)、溫度、壓力等。設(shè)計(jì)者需要全面理解并考慮影響因素對(duì)支吊架設(shè)計(jì)的影響，避免在設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)度理想化或簡(jiǎn)化問(wèn)題，以免影響支吊架的實(shí)用性。

（2）設(shè)計(jì)者還需關(guān)注支吊架的類(lèi)型選用，根據(jù)不同物料、溫度、壓力等情況及規(guī)范要求，在管道的適當(dāng)位置設(shè)置固定架、導(dǎo)向架、滑動(dòng)架、彈簧架等，對(duì)于蒸汽、導(dǎo)熱油等溫度較高的管道管架還需通過(guò)應(yīng)力計(jì)算后核實(shí)管架的設(shè)置位置和形式是否合適。

（3）支吊架的設(shè)計(jì)還需要考慮到環(huán)境影響因素，例如溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素會(huì)影響到支吊架的性能和壽命，因此，設(shè)計(jì)者需要對(duì)環(huán)境因素有充分的了解，將其考慮進(jìn)支吊架的設(shè)計(jì)中，保證支吊架在實(shí)際環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐用性。

3.8 符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

化工管道支吊架的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)主要包括《石油化工管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3073—2016、《恒力彈簧支吊架》NB/T 47038—2019、《可變彈簧支吊架》NB/T 47038—2013、《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》HG/T 21629—2021、《化工管路設(shè)計(jì)手冊(cè)》等，它們?yōu)榛す艿乐У跫艿脑O(shè)計(jì)提供了明確的指導(dǎo)，保證了其設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，同時(shí)也為支吊架的使用提供了保障，確保管架在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)詳細(xì)閱讀并充分理解規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)方案的合規(guī)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

化工管道支吊架的設(shè)計(jì)具有理論和實(shí)際的深遠(yuǎn)影響。理論基礎(chǔ)源于力學(xué)和材料科學(xué)原理，同時(shí)受到安全性、經(jīng)濟(jì)性和可行性原則的指導(dǎo)。設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)涵蓋了管架跨距、載荷、設(shè)置及選用，以及架體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并須兼顧環(huán)境影響因素。此外，典型管架設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)問(wèn)題的識(shí)別和解決，都在實(shí)踐中證實(shí)了設(shè)計(jì)的重要性。遵守相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。在科技日新月異的今天，化工管道支吊架的設(shè)計(jì)將不斷發(fā)展和完善，為化工行業(yè)的發(fā)展提供更加安全的保障。