管道支架设计浅议

邓 宁

（北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陕西 西安 710075）

管道支架设计对于管道设计来说是一项极其重要的工作，尤其对那些高温高压，有毒可燃，强腐蚀性的管道。正确的支架设置可以满足管道强度和刚度的需求，同时能有效的降低管道队机械设备产生的较大的附加荷载，防止因管道的振动，位移等原因造成的泄露，爆炸等事故的发生，有效的保护管道和设备管口，保障化工装置的正常运行。

1 管道支吊架选用

管道支架包括了所有管系支承装置，其结构、形状众多，但就其机能和用途可以为支架（包括管托、滚动支架、管卡、平衡锤支、架弹簧支架等）；吊架（包括钢性吊架、弹簧吊架）；限制性支架和支承装置等等。

1）管道支架的选用应根据管道支承点位置以及荷载大小方向、位移情况、工作温度、绝热、管道材质、生根位置、限位或防振要求等综合考虑,选用适合的支架。支吊架的结构件应具有足够的强度和刚度，并尽量简单。设计时选用标准支架零部件。管道支架需直接与合金钢、不锈钢管道焊接时,其连接构件的材质需与管道材质相匹配。

2）支吊架的间距，应小于或者等于管道的允许跨距，水平敷设在支架上的有隔热层的管道，应设置管托，其滑动面应露在隔热层之外,同时要选用满足管道热位移所需的加长管托。垂直敷设的有隔热层的管道，在支架处应设置能保护隔热层的筋板或支耳等结构。

3）输送介质温度等于或者高于400℃的碳钢管道和合金钢，不锈钢管道以及需要进行焊后热处理的管道应优先选用卡箍式管托、管吊或选用带同类材料垫板的支吊架。架设在高空不易焊接的管道，经常拆卸的管道和衬里管道，宜选用卡箍式管托管吊。保冷管道，应选用保冷管托，管吊。

4）管道无垂直位移或垂直位移很小且允许约束的部位可选用刚性支架。当管道在支承点处不得有任何位移时应选用固定支架，补偿器应设在两固定支架之间，∏型补偿器距固定支架的距离，不宜小于两支架间距的1/3。当管道在支承点处有轴向位移且需限制横向位移时，应选用导向支架，沿立式设备敷设的管道宜设导向支架，并不宜设在弯头和支管连接处。

5）管道在支承点处有位移且荷载变化率大于6%时选用可变弹簧支架,当荷载变化率不大于6%时选用恒力弹簧支架。至于管道在支点处有多少垂直位移才选用弹簧吊架，根据鲁默斯公司规定，支点垂直位移超过2.54mm者要用弹簧支（吊）架，小于此值可不用。例如榆炼制氢装置转化气预热锅炉至中变反应器的转化气管线管径DN300，温度400℃，经过应力专业分析，反应器入口管口附近的管线垂直位移量达到44mm因此需要考虑选用弹簧支架来承受管道荷载,避免管道支撑处脱空或管道变形受到约束,使管道支架处的荷载转移造成管道一次应力增大可能超过材料的许用应力,和使相邻管道支架 （或设备管口）受力超出其荷载允许值,或使管道产生的较大二次应力可能超过许用位移应力范围。

2 管道支吊架位置的确定

管道支架设置除了满足管道最大允许跨度的要求，外还应考虑以下事项：

1）管道支吊架应靠近管系的两端，当管系与设备相接时，应尽量靠近设备管嘴，以减少其受力（和弯矩）。

2）管道集中荷载处、弯管附近，大直径三通式分支管处附近和有法兰等可拆连接处需要考虑设置支架。邻近管道可以考虑合用一个管架。安全阀出口放空管道上通常需要设置刚性支架,以承受安全阀起跳放空时,介质排放对管道产生的反作用力。

3）尽可能利用建筑物、构筑物的梁、柱设支架的生根结构，且其荷载应不能使梁柱弯曲变形，注意的是大型往复式泵、压缩机的进出口管道和其他有振动的大直径管道,需要考虑单独设置生根在地面上的管道支架外。

4）管系有垂直管段时，宜在垂直管段上部或下部设承重支架，垂直管段很长，中间应设导向支架。例如:塔顶气相管道在距上部封头焊接最小150mm处设置承受管道重量的固定支架，其他支架可设为上下滑动的导向支架。

5）需要维护的管道支架,例如弹簧支架、减振支架和阻尼支架等,应考虑在支架周围留有足够的维护空间。同时管道支架不应妨碍管道与设备之间的连接、设备和管道的运行、操作及检修。例如在靠近泵的管道上设置的支架,应满足泵移走时管道不需要设临时支架。同样加氢反应器出口管道上与反应器顶盖上可拆卸段相接的管道需要考虑设承重支架,以便反应器顶盖拆卸时支撑出口管道。

3 管道支吊架的生根

管道支架的生根部位应满足管系的荷载要求，因此需要有一定的强度和刚度。例如支撑在地面上的支架,当管道支架荷载较大,特别弯矩较大或有振动荷载时,超出了标准管架的使用范围时，管道需向结构专业提出条件，由结构专业设计满足荷载要求的支架。同样蒸汽轮机进出口管道上的固定支架和限位支架的生根部位强度不够,就会造成支架达不到预期的固定和限位作用。当管道支架直接生根焊或通过高强度螺栓连接而生根于设备外壁时,其生根部位将产生局部应力,特别是管道支架所承受的荷载较大时,可能造成设备外壁生根部位局部应力过大,对设备的整体稳定性产生影响。管道支架生根焊在钢制设备上时,所用垫板应按设备外形成型,垫板材料与设备材料相匹配；在有衬里设备或管道上的生根件,应在衬里前完成其焊制工作；在需要热处理的设备上的生根件,应在设备热处理前完成其焊制工作。

4 振动管道的支架

装置的管道和设备发生振动的原因主要有：1）流体的不规则流动或流体通过弯管部分由于动能的变化，或由于周期性的外力作用；2）泵、压缩机、透平等回转或往复运动的机械不平衡而引起的机械的振动；3）室外管道和设备受到周期性的风压；4）安全阀和减压阀的急速开放引起的冲击和振动；5)压缩气体和两相流体的湍振。例如往复式压缩机进出口管道支架基础，必须与压缩机基础及建构筑物分开,不在机壳、底座、楼板或平台上生根,应设计成独立支架且支架高度应尽可能低些。振动管道上的管道相邻支架间的距离不应相等，其差值一般取100～200mm；管道支架应设在所有管道拐弯、分支、标高有变化及集中荷载附近，其支架采用特殊的抑震管架；第一个支架应尽量靠近压缩机布置,并采用限位支架来控制管道位移的方向和承受管道对压缩机的作用力和力矩。对于需要率热应力的管道，其管架位置需要经过计算机应力分析后统一考虑。

5 弹簧支架

弹簧支架选用的型式需要考虑支架本身需要的安装空间尺寸、管道和设备布置的要求。可变弹簧支吊架的荷载变化率不应大于25%，当管道荷载超过一个可变弹簧支吊架的最大允许荷载时，可选用两个或两个以上相同型号的可变弹簧并联安装，每个弹簧承受的荷载，应按并联弹簧数平均分配。

6 结语

管道支架设计和管道热应力解析是不可分割的，做支承设计时要考虑经济合理，要满足强度，任何一个管道支架的失效都可能导致管道系统破坏,直接影响管道自身系统。在化工行业的设计工作中不能忽视。

［1］SH/T 3073－2004石油化工管道支吊架设计规范[S].

［2］蔡尔辅.石油化工管道设计[M].化学工业出版社，2004－4－1.