管道設計中支吊架的正確設置

1、管道設計中支吊架的正確設置彭進摘要：在煉油廠工藝裝置及系統(tǒng)管道設計中，進行支吊架設置的設計時，應使支 吊架間距不超過管道剛度允許值和滿足柔性要求，嚴格遵循正確設置支吊架的方 法和選用原則，列舉了 9條具體選用原則，對可變彈簧支架的選用方法也進行了 詳盡的敘述。止匕外，還介紹了支吊架對管道產(chǎn)生的一次應力和二次應力所起的作 用，并以同一管道選用不同支架類型的應力分析計算，說明在管道設計中正確設 置支吊架的重要性。主題詞：管線支架管吊設計類型位置應力應用CORRECT INSTALLATION OF SUPPORTS & HANGERSIN PIPING DESIGNPeng JinLuoyang

2、Petrochemical Engineering Corporation (Luoyang,Henan471003)Abstract Wheninstalling 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 of t

3、he piping system.Meanwhile,it should strictly compile the correct method and selection principles for support and hanger installation.Nine specific selection principles together with the selection method for variable spring supports were described in detail.Effects of supports and hangers on both pr

4、imary and secondary stresses of the pipe were also introduced.The 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,des

5、ign,allocation,stress,application管道設計應力分析的目的是確保管系安全可靠，它是涉及多種學科的綜合性 技術(shù)，也是管道設計的基礎。在進行管道應力分析時，除做到管道布置滿足要求 并安排合理外，還應合理設置支吊架。正確設置管道支吊架是一項十分重要的技 能，支吊架位置布置合理，選型得當，不僅可使管道整齊美觀，而且也可達到經(jīng) 濟合理和運行安全的目的。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已定管系的受力狀態(tài)的影響很大，主要有以下 兩個方面。首先，是對管系的應力分布狀態(tài)、最大應力值、管系的端點作用力和力矩有 影響，因為這種管系端點的荷載將會傳遞到與該管端相連接的設

6、備上。因此，支 吊架設置得當，能改善管系中的應力分布和端點受力 （力矩）狀況。顯然，管系的 柔性不但受到管系形狀的影響，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。對同一個管系存在著多種支吊架設置方案，不同的設置 型式將反映出不同的應力分布、應力值及端點受力。因此，在進行管道設計時， 為使管系具有足夠的柔性，除了應注意管系走向和形狀外，支架位置和型式也是 相當重要的。管道支吊架位置的確定應遵循 5個原則嚴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)，

7、以控制其撓度不超限。一般連續(xù)敷設的管道允許跨距(L)應按三跨連續(xù)梁承受均布荷載時的剛度條件計算，按強度條件校驗，取兩者中的最小值。剛度條件根據(jù)管段不應在輕微外界撓力作用下發(fā)生明顯振動的要求，裝置內(nèi)管道的固有振動頻率不宜低于4次/秒，裝置外管道的固有振動頻率不宜低于2.55次/秒,相應管道允許撓度在裝置內(nèi)為1.6 cm,在裝置外為3.8 cm,它們的跨距應按式(1) 和式(2)計算3 /F- /Z/lO-265J ”式中：L1 裝置內(nèi)管道由剛度條件決定的跨距，m；L 1 裝置外管道由剛度條件決定的跨距，成Et 管材在設計溫度下的彈性模數(shù)，MPaI 管道扣除腐蝕裕度后的斷面慣性矩，CR4；q管道的

8、質(zhì)量，kg/m。1.1.2 強度條件在不計算管內(nèi)壓力的條件下，跨距應按式(3)計算式中：L2按強度條件計算的管道跨距，mW-一管道扣除腐蝕裕度后的斷面抗彎模數(shù),cm3;管材的許用應力，MPa考慮管道內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向應力達到許用應力值，即軸向應力達到許用應力的二 分之一時，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 一次軸向應力不應超過額定許用應力的二分之一，即=0.5 6t的前提下,其跨距L2應按式(4)計算式中：(T t管材在設計溫度下的許用應力，MPa滿足管系對柔性的要求盡量利用管道的自支承作用，少設置或不設置支架。要利用管系的自然補償 能力合理分配支架點和選擇支架類型。控制

9、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地面、設備或建、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）;從對管道應力的作用考慮又可分為支架或支吊架、限位架、導向架、固定支架和減振 或隔振支架；按支吊架的力學性能又可分為剛性支架、彈性支架和包力支架皿。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)剛性支架可義彈簧架包力彈簧支架無垂直位移的場合無垂直位移，但要求安裝誤差嚴格的場合

10、有少量垂直位移的場合垂直位移較大或要求支吊架的砂載變化不能太大的場合限制用于限制、控制和約束管道在任一方向的固定架固定點處不允許后線位架義形限位架軸向限位架導向架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處需要限制管道軸向線位移的場合允許管道肩軸向位移，不允許肩橫向位移的場合用于限制或緩和往復式機泵進出口管道一減減振和由地震、風載、水擊、安全閥排出反力需要減振的場合支架等引起的管道振動彈簧減需要彈簧減振的場合2管道支吊架的力學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于 常溫時的荷載而言的。彈

11、簧支吊架的荷載變化率為且P20 ,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 對于工作荷載而言的。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迫位移時，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，不會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(實際上一般為7%-8%

12、),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，ri=r2=0。管道支吊架選用原則有如下9點：(1)選用管道支吊架時，應按照支承點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)設計時應盡可能選用標準管卡、管托和管吊，以加快建設進度。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；架空敷設且不易施工焊接的管道。(4)

13、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置導向管托：安全閥出口的高速放空管道和可能產(chǎn)生振動的兩相流管道；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的架空敷設管道應選用加長管托，以免管托落到管架 梁下。(6)支架生根焊在鋼制設備上時，所用墊板應按設備外形成型。當碳鋼設備壁 厚大于38 mmM,應取得設備專業(yè)的同意；止匕外，當支架生根在合金設備上時， 墊板材料應與設備材料相同并應取得

14、設備專業(yè)的同意。(7)對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、標高和荷載情況。(8)下述工況應選可變彈簧：當管道在支承點處有向上垂直位移，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；當管道在支承點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)生的荷載變化率應不大于 25% 當選用的一個彈簧的變形量不能滿足要求時，可串聯(lián)安裝兩個彈簧；串聯(lián)的兩個彈簧，承受的荷載應相同，總位移量按每個彈簧的最大壓縮量的比例進行分配； 當實際荷載超過選用彈簧規(guī)格表中最大允許荷載時，可選用兩個或兩個以上的彈簧并聯(lián)

15、安裝；并聯(lián)彈簧應選用同一型號的彈簧，按并聯(lián)彈簧數(shù)平均分配荷載。(9)當管道在支承點有垂直位移且要求支承力的變化范圍在8%Z內(nèi)時，管系應采用恒力彈簧支架。3管道支架在應力分析中的作用在管道設計中不考慮支吊架限制管道在振動或抗震中的作用時，一般支吊架 有3種作用。管道的承重管道設計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，控制管系的一次應力在許用范圍內(nèi)。一次應力的大小是衡量管系能否安全運 行的標準之一。若一次應力過大，管系可能會受到破壞。由管道的內(nèi)壓和外載產(chǎn) 生的一次應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，便可確定各個管道的管徑。管道設計

16、時不能任意改變工藝流程圖 上規(guī)定的管徑，而管道的一次應力和支承端承受荷載的大小卻可通過設置支吊架 來加以調(diào)整。因此，管道支吊架的設置對管系一次應力的大小有著直接的關(guān)系。 當水平管道上支吊架太少時，不僅會使一次應力增大，同時也會使管道的撓度增 大，以至超過許用值，而不利于管系的安全運行。調(diào)節(jié)管系二次應力/端點推力管道支吊架的第二個重要作用是調(diào)節(jié)管系的二次應力 /端點推力。一般來說, 管道承受荷載所產(chǎn)生的一次應力是非自限性的，具值不超過管材的許用應力即認 為是可靠的，而對于由管系在熱變形過程中受阻所引起的自限性的二次應力需用 熱脹許用應力范圍來判斷（熱態(tài)與冷態(tài)應力的代數(shù)差稱為應力范圍），通常熱脹許

17、 用應力范圍不應大于式（5） ：1計算所得的數(shù)值（T A=f（1.25 （T c+0.25 （T h）（5）式中：6 A熱脹許用應力范圍，MPa（Th, （Tc熱態(tài)和冷態(tài)管材的許用應力，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)整和改善管系的應力分布狀態(tài)，使管系適應變形的需要，并使管系端點推力在許用范圍內(nèi)是十分重要的。同時，還可選擇某種類 型的支架（或限位架）以限制管系在某個方向的位移，從而減少設備管嘴的受力（或 應力），以保護設備，尤其是那些敏感設備，如壓縮機、汽輪機和機泵的管嘴等。在利用支吊架調(diào)節(jié)管道的應力/端點推力時，管道設計中充分利用或消除

18、剛性 支架（固定支架除外）的杠桿效應是十分重要的。由于管道是一個剛度足夠大的彈性體，如設計中不是按簡支梁條件來分配管 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 方都會產(chǎn)生杠桿效應。以下是在設計中利用或消除支架杠桿效應的例子。在實際配管設計中，經(jīng)常使用支吊架以減少機泵進出口管道對機泵等設備進 出口管嘴的受力，有時必須消除由于支架產(chǎn)生杠桿效應的影響，其情況如圖1所示。圖1配管示意圖為了達到上述要求，一般在靠近設備處設置支架 A。在一般條件下，設備的 剛性是很大的，所以在進行管道應力計算時，將設備作為一個剛性體來處理。此 時，在設備E點處將產(chǎn)生一個數(shù)值較大的力 F,產(chǎn)生

19、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平衡，當距離EA的數(shù)值很小時，力F的值必 然很大，故當初考慮減小設備受力的目的就達不到。如果適當移動A點（杠桿支點） 的位置，則可調(diào)節(jié)力F的大小。此外，若允許支點 A略微下沉，則可消除由于吊 零分配荷載在A點引起的杠桿效應，彎矩 M就會大幅度地減小，從而使力 F也大 大地減小。將A點下沉的方法是利用管道的重力，對剛性支架給定間隙或?qū)傂?支架改用彈性支吊架或恒力支架。但在實際配管中，由于計算出的A點位移（下沉） 值在施工中是難于保證的，故在 A點處使用彈性支吊架或恒力支架為宜，也可用 可調(diào)支架。消除管道布置不當造成的荷載轉(zhuǎn)移如前例所示，

20、管道支吊架在柔性設計和應力分析中有著特殊作用。根據(jù)對管 道支吊架的分析，通常為了滿足一次應力/撓度的要求，要增加支吊架數(shù)量，以減 少管道的受力，但從降低二次應力這一方面出發(fā)，則要求減少支架對管道的約束， 使管系盡可能地自由變形，以降低二次應力/熱推力，考慮到經(jīng)濟、美觀及場地等 限制條件，也要求減少管道支吊架的設置。因此，在管道設計或應力分析中，考 慮如何合理而適當?shù)卦O置支吊架是很重要的。非剛性支吊架在管道應力分析中的 特殊作用是用以消除管系因布置不當而造成的荷載，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，滿足應力/推力的要求等，下面舉一個簡單的管 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 mrrX 6mn道，材質(zhì)為碳素鋼，操作溫度為300 C, 壓力2.0 MPa?，F(xiàn)設定B點處分別使用剛性支架和彈性支架，并對兩個方案分別 計算。方案1假設A和C點為固定點，B點上使用一個約束。在常溫下，由 W+P1+F(SUS算一次應力的工況)產(chǎn)生的一次應力最大值為 98.54 MPa二次應 力(EXP)最大值為158.45 MPa, B點處熱荷載