化工装置管道支吊架设计浅析
2015-07-04代红兵
代红兵
【摘 要】配管设计既要满足工艺的要求还要考虑设备、机泵、管道及其组成件的受力情况。选择合理的支架类型与尺寸规格，是保证管道系统长期安全运转的关键。
【关键词】支架类型；支架选型；注意事项
概述
管道支架的设置对于管道设计来说是一项极为重要的工作，尤其对于那些高温高压、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要，同时能够有效的降低管道对机械设备产生较大的附加载荷，防止因管道的震动，位移等原因造成的泄露、爆炸等事故的发生，可以有效的保护管道和设备管口，保障化工装置的正常生产运行。
一、管道支吊架的分类及支架选用和设置
1.管道支吊架的分类
按支架的功能管道支吊架分为承重支吊架、限制性支吊架、恒力弹簧支吊架、防振支架。承重支吊架：支吊管道的重量；进一步分为：刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架、恒力弹簧支吊架。恒力弹簧支吊架：用于垂直位移大或希望保持管道在冷热状态下支吊点的荷载变化率不大于6%的场合。
可变弹簧支吊架：有位移且允许荷载变化率大于6%的场合。限制性支吊架进一步细分为：固定支架（用于在固定点处不允许有线位移和角位移的场合；限位支架（用于限制某一方向位移的场合）；导向支架（用于允许管道有轴向位移但不允许有横向位移的场合。在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制；垂直管路上的导向支架，除能限制管路的位移外，并能防止管路振动，但不承受管路重量，导向架一般设置在应力管线上，由应力专业对应力管系经过计算后给出。防振支架：用于限制或缓和往复式机泵进出口管道和由地震、风压、水击、安全阀排出反力引起的管系振动。防震支架按名称分为减振装置、阻尼装置。
2、管道支架选用和設置
2.1管道支架选用原则
（1）管道支架的选用应根据管道支承点处所承受的各类荷载大小及其方向、位移情况、工作温度、是否隔热、管道材质、生根位置、限位或防振要求等综合考虑，选用具有足够强度和刚度的支架。
（2）设计时应尽量选用标准管卡、管托和管吊。
（3）针对那些常常需要拆卸、检修的化工管道应安置卡箍管托，不适宜选用焊接管托；对一些薄壁管道管托宜选用管夹型。
（4）焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊省钢材且制作简单、施工方便。除下列情况外应尽量选用焊接型的管托和管吊：管内介质温度等于或高于400℃的碳素钢材质的管道；输送冷冻介质的管道；输送浓碱液的管道；合金钢材质的管道；生产中需要经常拆卸检修的管道；架空敷设且不易施工焊接的管道。
（5）对于不绝热的管道，无特殊情况一般不设管托，直接放置在管支架上，但对大直径薄壁管道宜在管道底部衬托加强板保护。
（6）在腐蚀较大的地方设置支吊架时，为保证安全起见选用高一级荷载支架。
（7）在选择管道支架过程中材料选择是否得当会对其造成一定影响，碳钢镀锌需设置绝缘垫板，不锈钢管道管夹从经济方面考虑常常选用碳钢管夹，碳钢与不锈钢之间加绝缘垫板。
（8）水平敷设在支架上的有隔热层的管道应设置管托，当管道热胀量超过100mm时，应选用加长管托，以免管托滑到管架梁下；当隔热层厚度≤80mm时，管托高度为100mm、当隔热层厚度>80mm时，管托高度为150mm、当隔热层厚度>130mm时，管托高度为200mm。
（9）为防止管道过大的横向位移和可能承受的冲击荷载一般在下列情况应设置导向支架：
a.在长距离输送物料的管廊上，如果没有设置膨胀弯，在设置两个滑动架后应该设置一个导向架。
b.管廊上管道方向发生改变后应在相应的位置上设置导向架。
c.塔顶输送下来的物料管线，第一个支架以后的支架都应该设置为立管上的导向架。DN>150的管道支架应该设置为四个方向的导向架，以防止管道因风荷载产生的摇晃。
d.横向位移过大可能影响邻近管道时，固定支架之间的距离过长，可能产生横向不稳定时；
e.为防止法兰和活接头泄漏要求管道不宜有过大的横向位移时；
f.“Π”型补偿器两侧的管道上应设导向支架，其位置距补偿器弯头宜为管道公称直径的40倍；
g.安全阀出口高速放空管道和可能产生振动的两相流管道。
2.2敏感设备（泵、压缩机）、罐管架设计
（1）泵入口处应该安置可调支架（运行中的泵在常温下可以不用设置）假如有必要可以依据应力分析结果在安装弹簧支吊架。泵附属管道应尽量成组布置以便安装支架，未经泵制造厂许可不得在泵底座上安装支架；在泵出口管道上，在距泵出口最近拐弯处设置支吊架；对于大型机泵的高温进出口管道，为减轻泵管口受力而设置的支架应尽量使约束点和泵管口之间的相对热伸缩量最小。
（2）在进行吸入过程的往复式压缩机或者排除管道或者其它剧烈振动的化工管道，应该独立安置管卡型支架（支架位于管架上或者是地面的管墩上），避免把振动传达到构建筑物的梁柱上。一般压缩机出入口管道均为应力管道应由应力专业计算后加相应的支架。
（3）除振动外，应尽量利用建筑物、构筑物的梁柱的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的面积和形状应满足生根构件的要求，必要时应减少跨距以降低生根点的荷载。
（4）承重支架应安装在靠近设备管口处，以减少管口受力。如果管道重量过重，一个承重支架承重有困难时，可增设一个弹簧承重支架。
（5）沿直立设备（塔、罐）布置的立管应设置承重支架和导向支架。承重支架应设置在靠近设备管口处，以减少管口受力。当管道垂直荷载过大时，为降低承重支架生根点处塔体的局部应力，可在垂直管中间增设弹簧支架分担垂直荷载。在承重支架之下，按一定间距设导向支架，防止风荷载等引起的横向位移，需要注意的是最下面的导向支架距管道拐弯处的距离至少为1/3垂直管道的导向支架间最大间距。
（6）由于罐基础沉降支架需做到金属软管后，且靠近软管。
3、管道支架设计注意事项
3.1.管道运行工况
管道支架的设计不仅要考虑正常操作条件，还要考虑开工、停车、除焦、再生和蒸汽吹扫等各种工况。
3.2.管道支架的生根
管道支架的生根部位应具有足够的强度和刚度，对于所有生根在建筑物的支吊架，应将其生根点设置在立柱等承重构件上。
3.3.支架拉杆的长度
当管道支架选用吊架形式时，需要注意的是吊杆不能太短，防止管道发生水平热位移后吊杆过度偏斜，而产生较大的水平力，影响管道的柔性。
3.4.弹簧支架的设计
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。当支架荷载较大，单个弹簧不能满足要求时，可选用两个相同规格的弹簧并联安装使用；施工单位可根据水压试验的荷载确定是否在弹簧支、吊架附近添加临时支吊架，以保护弹簧支吊架。
3.5.管道支吊架应在管道的允许跨距内设置，并符合下列要求：
a.尽量使设备管口受力减小，如支架靠近设备管口，对管口不会产生较大的热胀弯矩；
b.在集中荷载大的管道组成件附近设承重架；
c.设在弯管和大直径三通式分支管附近；
d.宜利用建筑物、構筑物的梁、柱等设置支吊架的生根构件；
e.设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位，（例如考虑维修方便，使拆卸管段时不需做临时支架）
f.做柔性分析的管道，支架位置根据分析结果决定，并考虑支撑的可能性。
g.低温化工管道（操作温度小于且等于零下20℃）的管架不适宜与钢结构直接接触，应该在钢结构和管架间垫隔冷块或保冷管托，以避免钢结构产生冷脆现象而遭到破坏。
h.非应力管道的调节阀顺介质流向的第一个支架应该设置为固定架，应力管线支架形式按应力分析结果加。
3.6支架生根件焊在需整体热处理设备上时，应向设备专业提出所用垫板的条件；不得用高温管道、低温管道、振动管道和蒸汽管道支撑其他管道；直接与设备管口相接或靠近设备管口的公称直径等于或大于150mm的水平安装阀门应考虑支撑。
3.7三通处亦应视导出支管的荷重情况考虑装设支吊架，输送冷介质的管路不得与支吊架直接焊接。
3.8管路允许跨度的大小取决于它自身的强度、刚度、以及所要求的敷设坡度。管路的允许跨度可根据介质输送的特征按强度或刚度条件选定，不能机械的取小者为准。另外敷设在管廊上的保冷管道应考虑好管间距，以防相邻管道因间距过近保冷管托加不上。
3.9弹簧支架、减振支架和阻尼支架，应考虑在支架周围留有足够的维护空间。
3.10在很多情况下都强制设置固定支架，目的是保护管道避免发生撕裂、震动等情况的发生。一般情况下，下列几种情况必须设置固定架：
a.在长距离输送的管廊上，有膨胀弯的管线，两个膨胀弯之间必须设置一个固定架，目的是使两个固定架之间的管道应力能够全部消失在膨胀弯上。装置出入口和外管网相连接的管段，其固定支架的设置，应和外管统一考虑。
b.塔顶输送下来的管线，第一个支架应该设置为固定架，以缓解管口的受力情况。支架应设置在封头焊缝下方大于200mm的地方。
3.11弹簧支架：可变弹簧支吊架为了方便安装起见，一般出厂时均带定位销。弹簧支架安装前应检查弹簧支吊架指针位置，确保指针指向安装荷载，并核对弹簧的基础数据待水压试验完成后，装置开车前取下定位销。
总结
综上所述可知，管道支架的类型较多，应根据各种要求选择出合理的支架形式、尺寸规格和相匹配的布置方式，确保整个管道系统的安全、实用、美观、经济合理性。另外，作为设计人员，应具备良好的设计理念，充分了解与掌握设计意图以及生产要求，结合实际情况加以分析，不断的总结，开拓思路，以将自身的设计水平全面提高。
参考文献：
[1]《弹簧支吊架在管道设计上的应用》，马雁，石油化工环境保护，第4期
[2]《化工管路》下，化学工业部化工工艺配管设计技术中心站组织编写，化学工业出版社，1989年。
[3]《石油化工装置工艺管道安装设计手册》（第四版第一篇设计与计算）张德姜，王怀义，刘绍叶主编，中国石化出版社。
[4]《石油化工管道柔性设计规范》SH/T3041-2002，马金国唐永进张发有
[5]《工业金属管道设计规范》GB50316-2000（2008年版）
