石油化工装置管道支吊架的设计

王良（中国寰球工程公司华北规划设计院 河北 涿州 072751）

管道支吊架是管道系统的重要组成部分， 其设计是管道设计中的重要环节。 通过设置支吊架实现对管系变形的控制，减小管道的二次应力和对设备的推力，以保证管系的正常运行，往复运动机械可以通过设置合适的支吊架来达到减小管道振动的目的[1]。

一、选用支吊架应遵循的原则

刚性支吊架，主要用于管道无垂直位移的部位。 例如：滑动支架或管托，滚动支架或管托、假管支架，由生根结构吊杆、管卡或吊耳组成的刚性吊架等。 可调刚性支吊架，高度或长度可少量调节，主要用于管道无垂直位移，但要求安装误差严格的场合或管道有少许垂直位移的部位，例如泵前入口管支架；带花兰螺母的吊架等。 弹簧支吊架，或可变弹簧支吊架，主要用于管道有垂直位移的部位，支架受力与弹簧被压缩或拉伸量有关。

(1) 将管子固定在支架上，不允许发生任何方向的位移，这种支架称为固定支架。 固定支架的作用是为了均匀分配补偿器之间管道的热伸长，保证管道在支架上不发生移动；固定支架受力较为复杂， 除了承受管道重量外， 还承受着管道轴向压力的反力、热胀冷缩的水平推动力及活动支架的水平摩擦力。

(2)将管子敷设在支架上，当管子热胀冷缩时可与支架发生相对位移，这种支架称为活动支架。 活动支架分为滑动支架、滚动支架、 导向支架。 滑动支架是指管子与支架间相对运动为滑动。滑动支架摩擦力较大，但制作简单，应用广泛。U 形螺栓固定的低滑动支架，适用于热伸长量较小的室内不保温管道，滚动支架是在管道滑托与支架之间加入滚柱或滚珠， 使管子与支架间相对运动为滚动运动，从而使滑动摩擦力变为滚动摩擦力，这种支架称为滚动支架。滚动摩擦力小于滑动摩擦力。特点是摩擦阻力小，适用于管径较大、介质温度较高且无横向位移的管道。

(4)在管道有轴向位移的支架，两侧加装型钢挡块，使管道在作轴向运动时不致偏离管道的轴线，这种支架称为导向支架。 适用于管道作轴向位移而不偏离管轴线的管道上。

(5)在垂直热位移较大，或由于支吊架处的热胀力过大可能造成管道应力或设备受力超标时， 以及支吊点载荷过大使支吊架难以承受时， 需采用弹簧支吊架。 转动机器管口附近的管道上，不宜采用恒力弹簧支吊架[2]。

(6) 刚性支吊架用于没有垂直位移或垂直热位移很小的场合。

二、石油化工装置管道支吊架位置的确定

近似水平布置的管道应控制一定的支吊架间距， 以保证管道不产生过大的挠度、弯曲应力和剪切应力，特别要考虑管道上诸如法兰、阀门等部件集中载荷的作用。 垂直管道支吊架也应控制间距，防止管道由于各种载荷组合作用而产生过应力。 水平直管道的支吊架间距应满足下列要求。 1)强度条件。 应控制管道自重产生的弯曲应力，使管道的持续外载当量应力在允许范围内。一般钢管道的自重应力不宜大于16MPa。2)刚度条件。 应控制管道自重产生的弯曲挠度，使管道在安全范围内使用并能正常疏、放水。 管道的相对挠度应小于管道疏放水时实际坡度的1/4。 对于可能产生振动或有抗地震要求的管道， 还应根据其振因控制管道的挠度，使管道的固有频率值在适当的范围内。 一般钢管道的弯曲挠度不宜大于2.5mm[3]。

一般选用的弹簧，其荷载变化率应小于25%。 当选用弹簧的荷载变化率＞25%时，可选用两个弹簧串联。串联弹簧应选用最大荷载相同的弹簧，每个弹簧的荷载相同，总的位移量按每个弹簧的最大压缩量的比例进行分配。 通常确定管道的允许跨距是以刚度条件计算，用强度条件校核。 取两者中的小值。 按刚度条件计算时，假定管道为一单自由度振动系统(对水平管道仅考虑上下振动)，为使管道在轻微的外力作用下不发生明显振动，装置内管道的固有振动频率不宜低于4Hz， 装置外管道不宜低于

2.55Hz。

三、石油化工装置管道支吊架的设计

(1)按允许的最大跨度设置支吊架外，尚应在下列位置设支吊架。 ①当管系与设备相连接时，应在适当位置设置支吊架，以减少其受力和力矩。 ②当管系中有阀门或小型管道设备等集中荷载时， 应靠近集中荷载处以减少偏心荷载和弯矩。 ③弯管附近、大直径管三通或分支管处附近。 ④带有垂直管段的管系，宜在垂直管段上部或下部设承重支架，当垂直管段较长时，中间应按规定间距设导向支架； 在水平敷设的管段转向垂直管段拐弯处附近的支吊架，应根据支点的垂直位移量设置弹簧支吊架[4]。

(2)应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支吊架的生根点，但应核算生根点所能承受的荷载，必要时可减少跨距以降低生根点的荷载。

(3)对于复杂的管系，为简化应力分析，宜用固定支架将管系分割成可自补偿的若干个管段(必要时加人工补偿)，在两固定支架间设承重支吊架或导向支架。

(4)与设备连接的管道，其支吊架的位置应设在不妨碍设备的检修和阀门操作、 且在检修设备或移走设备时不需设临时支吊架的地方。

需要经常拆卸维修、清扫的部位不得设置焊接型支吊架。

结论

管道支吊架是管道的支架、吊架、管托等管道支承结构的简称。 正确选择管道支吊架的型式和合理的位置确定是管道安拿运行的保证。 通常评价管道设计，不仅要看其布置合理、美观、操作、检修方便并具有一定的柔性，同时也要看支吊架型式与位置的恰当。 因此，管道支吊架设计是管道设计的重要组成部分。

[1] 殷海峰. 管道支吊架分析法设计中若干问题的研究[J].中国高新技术企业，2012(21)：108-109.

[2] 刘美荣. CAESARⅡ在炼化装置配管设计中的应用[J]. 石油化工设计，2012(02)：210-212.

[3] 张利，李岩，魏韬. 石化管道应力分析及支吊架设计综述[J]. 化工设计通讯，2009(01)：67-68.

[4] 张芳. 管道支架的设计[J]. 山西化工，2006(01)：102-103.