石化行业管架设计要点分析

2015-11-18刘彦来

山西建筑 2015年20期

刘彦来

(中石化洛阳工程有限公司，河南洛阳 471003)

1 概述

在石油化工、化工厂内管架和管墩是支承全厂工艺生产装置和供热系统管道的主要结构，量大面广;特别是管架，它分布并联系全厂每个生产装置，在厂区内外纵横交叉的管道网，像人体的血管一样，起着重要的作用。对一个大型的石油化工厂而言，全厂的管架长达数公里，其设计的规范性和技术性都很强。充分认识它的重要性，了解它的设计特性，掌握它的基本设计因素，对我们做好系统管架的结构设计，无疑是有很大帮助的。

笔者经过对多个石油化工生产装置中管架设计的比较分析，结合几年设计经历，对石化行业管架的设计有了一定认识，并总结了几点经验教训，在此提出来，希望能跟大家一同探讨，使管架的设计做到经济合理、技术先进、安全可靠。

2 管架的荷载及水平推力计算

管架主要荷载形式有竖向荷载、管道的水平推力、风荷载、地震作用、管道振动荷载等，除管道水平推力外，其他形式荷载规范已有明确论述，依照现行规范，由结构人员自行计算，但管道的水平推力一般由管道专业提供，管道水平推力的作用机理及取值，在设计过程中还有不同的意见。作为结构设计人员来说，了解水平推力的产生是进行管架设计工作的重要前提。

管道的水平推力主要是由于管道受热膨胀产生的，在SH/T 3055—2007 石油化工管架设计规定，当所支承的管道符合下列条件之一时，管道的水平推力可不计算。

1)常温管道，介质的温度不超过40 ℃;

2)管道根数在10 根以上，其中介质的最高温度(温度应包括扫线时的温度)Tmax≪130 ℃;

3)主要热管重量与全部管道重量的比值α≤0.15。

下面就管架中的两个重要组成部分:中间活动管架及固定管架的管道水平推力计算进行简单介绍。

2.1 中间活动管架的管道水平推力

中间活动管架由于柱刚度不同，所受的管道水平推力也有区别，分为刚性中间管架、柔性中间管架，判定的依据可由下式判别:

Fuk≥Fgk为刚性中间管架。

Fuk＜Fgk为柔性中间管架。

其中，Fuk为等效水平推力，作用在柔性中间管架上，由于柱顶变位产生的弹性力标准值，kN;Fgk为轴向水平推力，作用在刚性中间管架上，由于管道膨胀产生的摩擦力标准值，kN。

2.1.1 刚性中间管架水平推力标准值计算

其中，Gk为正常操作时作用在一榀管架横梁上的总垂直荷载标准值，kN;μj为摩擦系数，钢与钢滑动接触时采用0.3;Kj为牵制系数。

2.1.2 柔性中间管架水平推力为柱顶弹性力Fuk标准值

1)钢结构柔性中间管架水平推力标准值按下式计算:

式中:Bs——管道轴向，管架的短期刚度;

Δ——主要热管道膨胀量。

2)钢筋混凝土柔性中间管架水平推力标准值按下式计算:

SH/T 3055—2007 石油化工管架设计规定。

式中:Bs——管道轴向，管架的短期刚度;

Δ——主要热管道膨胀量。

HG/T 20670—2000 化工、石油化工管架管墩设计规定。

式中:n——一榀管架柱子的根数(一般为2);

H——管架柱的高度，当双层管架时，为基础顶至主要热管所在横梁顶面的高度，cm;

Δl——主要热管在所计算的管架顶面处的膨胀量，cm;Δl=α(Tmax－T)L1;

α——钢材的线膨胀系数(每升温1 ℃)，α=1.2×10－5;

Tmax——主要热管受热时的最高温度，℃;

T——管道安装时的温度，℃;

L1——所计算的管架距固定点的距离，cm;

Ff——作用在一榀柔性管架上，由于柱顶变位产生的弹性力标准值，kN;

Ec——混凝土的弹性模量，kN/cm2;

I——一榀管架中一根柱子沿管道纵向的截面惯性矩，cm4。

上述两个现行行业标准提供的计算混凝土结构中间活动管架的刚柔性公式大致上看基本相似，但实际上有着本质的区别。在HG/T 20670—2000 化工、石油化工管架管墩设计规定采用有限元方法将梁柱折合成杆系，那么它所用的单元刚度矩阵中，抗弯刚度用的是EI，而这个EI 和混凝土规范中的短期刚度Bs是有本质区别的，EI 的采用是结构力学的范畴，它考虑的是作为杆件的梁柱本身的抗弯属性，是一种理想状态。而短期刚度Bs是材料力学的范畴，它是由理论和试验相结合的基础上得到的，由试验中梁柱内部的应变和曲率反推导得到的。换而言之，短期刚度和长期刚度是为了计算挠度和裂缝而单独设计出来的。个人认为两个计算公式都能满足工程上的需要，但是SH/T 3055—2007石油化工管架设计规定求解柔性管架水平推力Fuk的公式更接近于实际。

2.1.3 牵制系数Kj

从上述计算管道水平推力的公式来看，管道的牵制系数Kj是一个比较关键的数值，它的大小直接决定了管道水平推力的大小。

管道与管架之间具有相互制约作用，管道对管架除作为荷载作用外，尚应考虑其对管架的约束作用。当中间管架上敷设3 根或3 根以上管道时，中间管架轴向水平推力的牵制系数Kj，必须考虑由于每根管道水平推力不同时出现，及各管道温度不同时升高等因素，对管架变形或摩擦力产生的牵制影响，其牵制作用大小取决于主要热管道质量与全部热管道质量之比a 值的大小)。此处特别需要注意的是计算梁、柱和基础时，a 的取值不同。

1)计算梁时，考虑该层梁上的全部管道重量，并从中选用一根主要热管计算a 值;2)计算柱和基础时，考虑整个管架上的全部管道重量，并从各层主要热管道中选用一根起控制作用的主要热管计算a 值，管架的水平推力作用在主要热管道所在的层。

在SH/T 3055—2007 石油化工管架设计规定中还有两个这样的补充说明:

1)计算柱和基础时，主要热管道所在层与相邻层间距较大时，相邻层管道对主要热管所在层管道的牵制作用减小，此时牵制系数应加大。2)计算柱和基础时，当顶层有较大管道且与下层管道间距较大时，可以分成上下两部分，分别计算水平推力。

此处虽然提醒设计人员注意，当管架上下层间隔较大时，两层管道之间的相互牵制作用减小，但遗憾的是只是模糊指出间隔较大，并未明确指出具体范围，看来此处仍还需要广大设计人员进一步研究，才能使设计工作更加准确。

2.2 固定管架的水平推力

固定管架横梁上的水平推力应包括下列数值:

1)管道补偿器的弹性力标准值∑Fb。当管道膨胀时，补偿器将被压缩变形，由于补偿器的刚度作用，必将产生抵抗压缩变形的反力，这个反力通过管道作用于固定管架上，这就是补偿器的弹性力Fb，此力根据补偿器的种类、管径、介质温度、补偿器布置位置等不同，经管道应力计算后确定，此值由管道专业提供，补偿器的种类有∏形、套筒形、波形、球形等，常用的为∏形。

每一种补偿器的弹性力标准值都不尽相同，具体数值可查看相关标准。

2)关闭阀门时，管道的阀门、弯管及盲板等由介质产生内压力标准值∑Fn。在补偿器的一侧设有闸阀或盲板，如将闸阀关闭，由于闸阀受到气体压力作用，将产生对管道的不平衡内压力Fn，此力应由管道专业提供。

3)中间管架通过管道传给固定管架的反作用力。当中间管架为刚性管架时，等于固定管架至补偿器之间各中间刚性管架的摩擦反力之和∑Fgk，kN;当中间管架为柔性管架时，等于固定管架至补偿器之间各中间柔性管架的位移弹性力之和∑Fuk，kN。

固定管架的水平推力F，一般均由管道专业计算提供∑Fb，∑Fn值，再由结构设计者根据中间活动管架的特征、管道布置具体情况按重载式(端部固定管架)、减载式(中间固定管架)，自行计算出∑Fgk或∑Fuk，相加后组成固定管架的总水平推力F值。对于结构设计者，此处尤其需要注意。

3 系统管架布置

系统管架作为管架设计中的一种形式，是具有自己独特性质的。系统管架由固定管架和中间活动管架组成。由于辅送石化产品的介质温度不同或大气温度的变化，而管道又很长，所以常常产生热胀冷缩的管道位移，为了适应这种热胀冷缩的变形要求，通常每隔一定距离设置固定点，这类管架为固定管架。在两个固定点之间设置若干中间活动管架和一个补偿器，用这样的方法，把管道划分为若干区段，每段管道的热膨胀量，由每段设置的补偿器所吸收。

对于系统管架，长达数公里，管道允许跨距的大小直接决定着管架的数量，管道允许跨距太小造成管架(或横梁)过密，管架费用增高，在管道的强度和刚度能够保证安全和正常运行的前提下，应尽量增大管道的跨距，以降低管架费用。管架布置时固定管架和中间活动管架，宜对称布置，避免在固定管架的两端产生不平衡膨胀力。固定架水平荷载较大时，可设置固定架柱间支撑。中间活动管架应采用刚性管架，避免温度应力将管架破坏。

提管道荷载条件时，应提供管道重(包括管道、内衬、保温层、管道附件)、介质重、固定管架上各管道的水平推力及作用方向、其他荷载(包括管内事故水、试压水、沉积物、预留荷载和平台荷载)，特别注意:预留荷载应控制在可预见的合理范围内，否则容易造成管架结构构件笨重与管架上敷设的管道数量不匹配，并且预留管道荷载过大时，造成管道牵制系数Kj过小，对于现行管架的计算并不是有利的，甚至起到相反的作用，使结构偏于不安全。