管道設(shè)計(jì)中支吊架的正確設(shè)置

1、管道設(shè)計(jì)中支吊架的正確設(shè)置彭進(jìn)摘要：在煉油廠工藝裝置及系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)中，進(jìn)行支吊架設(shè)置的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使 支吊架間距不超過管道剛度允許值和滿足柔性要求，嚴(yán)格遵循正確設(shè)置支吊架 的方法和選用原則，列舉了 9條具體選用原則，對(duì)可變彈簧支架的選用方法也 進(jìn)行了詳盡的敘述。此外，還介紹了支吊架對(duì)管道產(chǎn)生的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力 所起的作用，并以同一管道選用不同支架類型的應(yīng)力分析計(jì)算，說明在管道設(shè) 計(jì)中正確設(shè)置支吊架的重要性。主題詞：管線支架管吊設(shè)計(jì)類型位置應(yīng)力應(yīng)用CORRECT INSTALLATION OF SUPPORTS & HANGERSIN PIPING DESIGNPeng JinLuoya

2、ng Petrochemical Engineering Corporation (Luoyang,Henan471003)Abstract When installing supports and hangers in piping design of petroleum process units and refinerywide system,the space between subhangers should not exceed the allowable value of pipe rigidity and should meet flexibility requirement

3、of the piping ,it should strictly compile the correct method and selection principles for support and hanger specific selection principles together with the selection method for variable spring supports were described in of supports and hangers on both primary and secondary stresses of the pipe were

4、 also importance of correct installation of supports and hangers in piping design were emphasized with an example of stress analysis and calculation for selecting different types of support for the same pipe.Keywords pipe support,hanger,design,allocation,stress,application管道設(shè)計(jì)應(yīng)力分析的目的是確保管系安全可靠，它是涉及多種

5、學(xué)科的綜合 性技術(shù)，也是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行管道應(yīng)力分析時(shí)，除做到管道布置滿足 要求并安排合理外，還應(yīng)合理設(shè)置支吊架。正確設(shè)置管道支吊架是一項(xiàng)十分重 要的技能，支吊架位置布置合理，選型得當(dāng)，不僅可使管道整齊美觀，而且也 可達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行安全的目的。1管道支吊架的位置及類型管道支吊架的位置及其類型對(duì)已定管系的受力狀態(tài)的影響很大，主要有以 卜兩個(gè)方面。首先，是對(duì)管系的應(yīng)力分布狀態(tài)、最大應(yīng)力值、管系的端點(diǎn)作用力和力矩 有影響，因?yàn)檫@種管系端點(diǎn)的荷載將會(huì)傳遞到與該管端相連接的設(shè)備上。因此， 支吊架設(shè)置得當(dāng)，能改善管系中的應(yīng)力分布和端點(diǎn)受力 （力矩）狀況。顯然，管 系的柔性不但受到管系形狀的影響，

6、而更重要的是受支吊架位置和其類型的限 制和約束。其次，支吊架設(shè)置的靈活性，其可變化的范圍較大。支吊架的位置、數(shù)量 和型式選擇往往因人而異。對(duì)同一個(gè)管系存在著多種支吊架設(shè)置方案，不同的 設(shè)置型式將反映出不同的應(yīng)力分布、應(yīng)力值及端點(diǎn)受力。因此，在進(jìn)行管道設(shè) 計(jì)時(shí)，為使管系具有足夠的柔性，除了應(yīng)注意管系走向和形狀外，支架位置和 型式也是相當(dāng)重要的。管道支吊架位置的確定應(yīng)遵循5個(gè)原則。嚴(yán)格控制支吊架間距支架間距尤其是水平管道的承重支架間距不得超過管道的允許跨距（即管 道的最大間距），以控制其撓度不超限。一般連續(xù)敷設(shè)的管道允許跨距（L）應(yīng)按三跨連續(xù)梁承受均布荷載時(shí)的剛度條件計(jì)算，按強(qiáng)度條件校驗(yàn)，取兩者中

7、的最 小值。1.1.1 剛度條件根據(jù)管段不應(yīng)在輕微外界撓力作用下發(fā)生明顯振動(dòng)的要求，裝置內(nèi)管道的 固有振動(dòng)頻率不宜低丁 4次/秒，裝置外管道的固有振動(dòng)頻率不宜低丁次 /秒， 相應(yīng)管道允許撓度在裝置內(nèi)為cm,在裝置外為cm,它們的跨距應(yīng)按式（1）和式 計(jì)算式中：L1裝置內(nèi)管道由剛度條件決定的跨距，mL' 1裝置外管道由剛度條件決定的跨距,e管材在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模數(shù)，MPaI 管道扣除腐蝕裕度后的斷面慣性矩，cm?；q管道的質(zhì)量，kg/m。1.1.2 強(qiáng)度條件在不計(jì)算管內(nèi)壓力的條件下，跨距應(yīng)按式(3)計(jì)算式中：L2按強(qiáng)度條件計(jì)算的管道跨距，m；W-一管道扣除腐蝕裕度后的斷面抗彎模數(shù)，cm

8、3;b管材的許用應(yīng)力， MPa考慮管道內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力值，即軸向應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力的 二分之一時(shí)，裝置內(nèi)外的管道由管道重量荷載及其它垂直持續(xù)荷載在管壁中引 起的一次軸向應(yīng)力不應(yīng)超過額定許用應(yīng)力的二分之一，即b = b “的前提 下，其跨距L2應(yīng)按式(4)計(jì)算火式中：b “一一管材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， MPa滿足管系對(duì)柔性的要求盡量利用管道的自支承作用，少設(shè)置或不設(shè)置支架。要利用管系的自然補(bǔ) 償能力合理分配支架點(diǎn)和選擇支架類型。控制管道縱向和橫向位移有管托的管道縱向位移不宜超過管托長度；并排敷設(shè)的管道橫向位移不得 影響相鄰管道。滿足支吊架生根條件必須具備生根條件的支吊架一般可生根在

9、地面、設(shè)備或建、構(gòu)筑物上管道支吊架的類型按管道支吊架的功能和用途，支吊架可分為 3大類10小類（詳見表1）;從 對(duì)管道應(yīng)力的作用考慮乂可分為支架或支吊架、限位架、導(dǎo)向架、固定支架和 減振或隔振支架；按支吊架的力學(xué)性能乂可分為剛性支架、彈性支架和包力支表1管道支吊架分類表大類小類名稱用途名稱用途承重支架承受管道重量（包括管道自重、保溫層重 量和介質(zhì)重量等）剛性支 架可調(diào)剛 性支架 可變彈 簧架包力彈 簧支架無垂直位移的場合無垂直位移，但要求安裝 誤差嚴(yán)格的場合有少量垂直位移的場合垂直位移較大或要求支 吊架的荷載變化不能太大的場合限制性支架用丁限制、控制和約束管道在任一方向 的變形固定架限位架軸向

10、限位架 導(dǎo)向架固定點(diǎn)處不允許有線位移和角位移的場合限制管道任一方向線位移的場合限位點(diǎn)處需要限制管道軸向線位移的場合允許管道有軸向位移，不允許有橫向位移的場合減振支架用丁限制或緩和往復(fù)式機(jī)泵進(jìn)出口管道 和由地震、風(fēng)載、水擊、安全閥排出反 力等引起的管道振動(dòng)一般減彈簧減需要減振的場合 需要彈簧減振的場合2管道支吊架的力學(xué)效果和選用原則支架的失載率和荷載變化率通常管道支吊架的失載率可用下式表示從式中可看出，失載率是以安裝荷載為基本荷載的，即失載的多少是相對(duì) 丁常溫時(shí)的荷載而言的。彈簧支吊架的荷載變化率為且P2> 0,其基本荷載是在操作溫度下的荷載，所以彈簧支吊架荷載變化是 相對(duì)丁工作荷載而吉的

11、。剛性支架從理論上說，剛性支架的剛度很大，在外力荷載的作用下沒有變形，不過 在某些情況下，如管道的熱脹、冷縮或支架受到沉降等強(qiáng)迫位移時(shí)，剛性支架 有可能失去外力荷載，失載的多少可用失載率來表示。彈性支架彈簧都具有一定的剛度，在外力荷載作用下可以變形 (位移)。彈簧支架在 彈簧工作范圍內(nèi)，管道有小的變形過程時(shí)，不會(huì)完全失去其分配荷載，一般常 指定其荷載變化率范圍為25%從而控制荷載轉(zhuǎn)移量。恒力支架從理論上分析，剛性為零的支架為恒力支架，所以恒力支架的荷載變化率 為零(實(shí)際上一般為7吩8%),在管道的變形過程中，在它的工作范圍內(nèi)不發(fā)生 荷載轉(zhuǎn)移或失載(不考慮構(gòu)件誤差及摩擦損失)時(shí)，1 =2=0。管

12、道支吊架選用原則有如下9點(diǎn)：(1) 選用管道支吊架時(shí)，應(yīng)按照支承點(diǎn)所承受的荷載大小和方向，管道的位 移情況、工作溫度、是否保溫或保冷以及管道的材質(zhì)等條件選用合適的支吊架。(2) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)管卡、管托和管吊，以加快建設(shè)進(jìn)度。盡量采 用制作簡單和施工方便的焊接型管托和管吊以節(jié)省鋼材。(3) 符合下列特殊情況者可采取其他特殊型式管托和管吊：管內(nèi)介質(zhì)溫度 >400C的碳素鋼材質(zhì)的管道；輸送冷凍介質(zhì)的管道；生產(chǎn)中需要經(jīng)常拆卸 檢修的管道；合金鋼材質(zhì)的管道；架空敷設(shè)且不易施工焊接的管道。防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載，以保證管道只沿著軸 向位移，一般在下列條件的管道上設(shè)置導(dǎo)向

13、管托：安全閥出口的高速放空管 道和可能產(chǎn)生振動(dòng)的兩相流管道；橫向位移過大可能影響鄰近管道，以及固 定支架的距離過長而可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定的管道；為防止法蘭和活接頭泄漏 而要求不發(fā)生過大橫向位移的管道；為防止振動(dòng)而出現(xiàn)過大的橫向位移的管 道。(5) 熱脹量超過100 mm的架空敷設(shè)管道應(yīng)選用加長管托，以免管托落到管 架梁下。(6) 支架生根焊在鋼制設(shè)備上時(shí)，所用墊板應(yīng)按設(shè)備外形成型。當(dāng)碳鋼設(shè)備 壁厚大于38 mmW,應(yīng)取得設(shè)備專業(yè)的同意；此外，當(dāng)支架生根在合金設(shè)備上 時(shí)，墊板材料應(yīng)與設(shè)備材料相同并應(yīng)取得設(shè)備專業(yè)的同意。(7) 對(duì)于荷載較大的支架位置需事先與有關(guān)專業(yè)聯(lián)系，并提出支架位置、標(biāo)高和荷載情

14、況。(8) 下述工況應(yīng)選可變彈簧：當(dāng)管道在支承點(diǎn)處有向上垂直位移，使支架 失去其承載功能，該荷載的轉(zhuǎn)移將造成鄰近支架超過其承載能力或造成管道跨 距超過其最大允許值的情況；當(dāng)管道在支承點(diǎn)處有向下的垂直位移，而選用 一般剛性支架將阻擋管道位移的情況；垂直位移產(chǎn)生的荷載變化率應(yīng)不大于 25%當(dāng)選用的一個(gè)彈簧的變形量不能滿足要求時(shí)，可申聯(lián)安裝兩個(gè)彈簧； 申聯(lián)的兩個(gè)彈簧，承受的荷載應(yīng)相同，總位移量按每個(gè)彈簧的最大壓縮量的比 例進(jìn)行分配；當(dāng)實(shí)際荷載超過選用彈簧規(guī)格表中最大允許荷載時(shí)，可選用兩 個(gè)或兩個(gè)以上的彈簧并聯(lián)安裝；并聯(lián)彈簧應(yīng)選用同一型號(hào)的彈簧，按并聯(lián)彈 簧數(shù)平均分配荷載。(9) 當(dāng)管道在支承點(diǎn)有垂直

15、位移且要求支承力的變化范圍在8恕內(nèi)時(shí)，管系應(yīng)采用恒力彈簧支架。3管道支架在應(yīng)力分析中的作用在管道設(shè)計(jì)中不考慮支吊架限制管道在振動(dòng)或抗震中的作用時(shí)，一般支吊 架有3種作用。管道的承重管道設(shè)計(jì)中支吊架的基本作用在于承受管道的自重和外載，避免產(chǎn)生過量 撓度，控制管系的一次應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。一次應(yīng)力的大小是衡量管系能否安 全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)之一。若一次應(yīng)力過大，管系可能會(huì)受到破壞。由管道的內(nèi)壓和 外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力的大小和作用與在管系上的荷載及管道和其配件的截面有 關(guān)。裝置的規(guī)模確定后，便可確定各個(gè)管道的管徑。管道設(shè)計(jì)時(shí)不能任意改變 工藝流程圖上規(guī)定的管徑，而管道的一次應(yīng)力和支承端承受荷載的大小卻可通 過設(shè)

16、置支吊架來加以調(diào)整。因此，管道支吊架的設(shè)置對(duì)管系一次應(yīng)力的大小有 著直接的關(guān)系。當(dāng)水平管道上支吊架太少時(shí)，不僅會(huì)使一次應(yīng)力增大，同時(shí)也 會(huì)使管道的撓度增大，以至超過許用值，而不利于管系的安全運(yùn)行。調(diào)節(jié)管系二次應(yīng)力/端點(diǎn)推力管道支吊架的第二個(gè)重要作用是調(diào)節(jié)管系的二次應(yīng)力 /端點(diǎn)推力。一般來 說，管道承受荷載所產(chǎn)生的一次應(yīng)力是非自限性的，其值不超過管材的許用應(yīng) 力即認(rèn)為是可靠的，而對(duì)于由管系在熱變形過程中受阻所引起的自限性的二次 應(yīng)力需用熱脹許用應(yīng)力范圍來判斷(熱態(tài)與冷態(tài)應(yīng)力的代數(shù)差稱為應(yīng)力范圍)， 通常熱脹許用應(yīng)力范圍不應(yīng)大于式(5)計(jì)算所得的數(shù)值(T A=f (T c+ b h)(5)式中：g

17、 a熱脹許用應(yīng)力范圍，MPa° h, bc熱態(tài)和冷態(tài)管材的許用應(yīng)力， MPaf根據(jù)管道在工作年限內(nèi)伸縮的總循環(huán)次數(shù)確定的應(yīng)力降低系數(shù)。所以，正確選用支吊架，調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布狀態(tài)，使管系適應(yīng)變 形的需要，并使管系端點(diǎn)推力在許用范圍內(nèi)是十分重要的。同時(shí)，還可選擇某 種類型的支架（或限位架）以限制管系在某個(gè)方向的位移，從而減少設(shè)備管嘴的 受力（或應(yīng)力），以保護(hù)設(shè)備，尤其是那些敏感設(shè)備，如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和機(jī)泵 的管嘴等。在利用支吊架調(diào)節(jié)管道的應(yīng)力/端點(diǎn)推力時(shí)，管道設(shè)計(jì)中充分利用或消除剛 性支架（固定支架除外）的杠桿效應(yīng)是十分重要的。由于管道是一個(gè)剛度足夠大的彈性體，如設(shè)計(jì)中不是按簡支

18、梁條件來分配 管道的荷載，而是按照吊零加給定荷載條件分配荷載，那么在任何有剛性支架 的地方都會(huì)產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。以下是在設(shè)計(jì)中利用或消除支架杠桿效應(yīng)的例子。在實(shí)際配管設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用支吊架以減少機(jī)泵進(jìn)出口管道對(duì)機(jī)泵等設(shè)備 進(jìn)出口管嘴的受力，有時(shí)必須消除由于支架產(chǎn)生杠桿效應(yīng)的影響， 其情況如圖1 所示。圖1配管示意圖為了達(dá)到上述要求，一般在靠近設(shè)備處設(shè)置支架 A。在一般條件下，設(shè)備的 剛性是很大的，所以在進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，將設(shè)備作為一個(gè)剛性體來處理。此時(shí)，在設(shè)備E點(diǎn)處將產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值較大的力 F,產(chǎn)生的原因是自A至B段管道 自重產(chǎn)生的彎矩 M需要彎矩FX EA來平衡，當(dāng)距離EA的數(shù)值很小時(shí)，力F的

19、值必然很大，故當(dāng)初考慮減小設(shè)備受力的目的就達(dá)不到。如果適當(dāng)移動(dòng)A點(diǎn)（杠桿支點(diǎn)）的位置，則可調(diào)節(jié)力F的大小。此外，若允許支點(diǎn) A略微下沉，則可消 除由于吊零分配荷載在 A點(diǎn)引起的杠桿效應(yīng)，彎矩 M就會(huì)大幅度地減小，從而 使力F也大大地減小。將A點(diǎn)下沉的方法是利用管道的重力，對(duì)剛性支架給定 間隙或?qū)傂灾Ъ芨挠脧椥灾У跫芑蚝懔χЪ?。但在?shí)際配管中，由于計(jì)算出 的A點(diǎn)位移（下沉）值在施工中是難于保證的，故在 A點(diǎn)處使用彈性支吊架或恒 力支架為宜，也可用可調(diào)支架。消除管道布置不當(dāng)造成的荷載轉(zhuǎn)移如前例所示，管道支吊架在柔性設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析中有著特殊作用。根據(jù)對(duì) 管道支吊架的分析，通常為了滿足一次應(yīng)力/撓度

20、的要求，要增加支吊架數(shù)量， 以減少管道的受力，但從降低二次應(yīng)力這一方面出發(fā)，則要求減少支架對(duì)管道 的約束，使管系盡可能地自由變形，以降低二次應(yīng)力 /熱推力，考慮到經(jīng)濟(jì)、美 觀及場地等限制條件，也要求減少管道支吊架的設(shè)置。因此，在管道設(shè)計(jì)或應(yīng) 力分析中，考慮如何合理而適當(dāng)?shù)卦O(shè)置支吊架是很重要的。非剛性支吊架在管 道應(yīng)力分析中的特殊作用是用以消除管系因布置不當(dāng)而造成的荷載，如采用彈性支吊架或恒力支架來消除剛性支吊架造成的失載，滿足應(yīng)力/推力的要求等，下面舉一個(gè)簡單的管道布置例子，如圖 2所示。圖2配管示意圖某煉油裝置的一根 219 m心6 mn道，材質(zhì)為碳素鋼，操作溫度為30OC , 壓力MPa。現(xiàn)設(shè)定B點(diǎn)處分別使用剛性支架和彈性支架，并對(duì)兩個(gè)方案分別計(jì)方案1假設(shè)A和C點(diǎn)為固定點(diǎn)，B點(diǎn)上使用一個(gè)約束。在常溫下，由 W+P1+F(SUS苗算一次應(yīng)力的工況)產(chǎn)生的一次應(yīng)力最大值為 MPa,二次應(yīng)力 (EXP)最大值為M