石化装置管道支吊架的设计

张 浩

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510620)

管道支吊架是保护管道的主要构件，它与管道的使用寿命息息相关，熟练地掌握各种支吊架的组成、使用特点，并且能够科学合理地对其选择对管道设计工作十分重要。随着计算机的发展，详细的应力分析，对一些重要管道支吊架的选择提供了有力保障。本文从管道支吊架的基本分类出发，探讨了支吊架使用时需注意的一般问题。

1 支吊架的分类

支吊架按用途可以简单分为以下三类：

(1)承重支吊架(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)；

(2)限位支架(固定支架、止推支架、导向支架)；

(3)减振支架(防振管卡、阻尼减振器)。

1.1 刚性支吊架

刚性支吊架在工程中应用的最多，它的理论刚度可以理解为无穷大，刚性支吊架仅限制管道一个方向的自由度[1]。它常用于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移或支撑点有较小的向下位移和附加位移，但不会由此在管系中造成较大的管系力的情况下。可调刚性支吊架是刚性支吊架的一种特殊型式，它可以在一定范围内调整支吊架的高度，主要用于竖直方向有少量热位移或附加位移的场合。

1.2 弹簧支吊架

弹簧支吊架可以分为可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架，恒力弹簧支吊架的理论刚度为零，可变弹簧支吊架的理论刚度介于恒力弹簧和刚性支吊架之间，其力学计算式符合胡克定律。与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的荷载转移，为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控制在25%以下。恒力弹簧支吊架适用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受力要求较苛刻的场合，恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。

1.3 限位支架

限位支架以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的。当管系中的各点发生位移时，在管系中适当的位置设置限位支架，可以控制支撑点某些方向的位移，使管系的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于热补偿的方向进行。固定支架限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的角位移，导向支架限制管道支撑点两个方向的线位移，止推支架限制管道支撑点一个方向的线位移，它可以代替固定支架用于限制管道的轴向位移。

1.4 防振支架

防振管卡能有效地控制管系的高频强迫振动，它对管道施加了较大的刚度，从而增加了支架对管道的阻尼作用，有效地降低了管系的振动，并且它允许管道有一定的轴向位移而使管系不会因热胀而破坏。阻尼减振器对连续强迫高频振动的抑制效果较差，经常用于缓解瞬间激振引起的有阻尼自由振动[2]。

2 支吊架的承载情况及基本组成

2.1 支吊架的承载情况

根据支吊架的类型及其对管道所起的作用不同，大体上承受如下几类载荷：

(1)管子及附件重量；

(2)弹簧支吊架预压所产生的作用力及其转移至刚性支吊架的荷重；

(3)活动支吊架的摩擦力；

(4)管道热胀冷缩产生的作用力和力矩；

(5)管内介质的不平衡内压产生的推力；

(6)风载荷、雪载荷、地震等偶然载荷。

2.2 支吊架的结构组成

一般情况下，管道支吊架由三部分组成，包括与管子直接接触的附管部件、与地面、设备、建构筑物等支撑设施相连的生根部件及连接附管部件和生根部件的中间部分。

2.2.1 附管部件

附管部件与管子直接连接，选用支吊架的时候首先要考虑附管部件与管子材料及安装条件的融合性，附管部件与管子可以直接焊接或管卡连接[2]。在选择两种连接方式时应注意一些关键问题。

直接焊接结构需注意如下问题：

(1)低温管道；

(2)合金钢或有热处理要求的碳钢管道；

(3)生产中需要经常拆卸检修和高空敷设且不宜焊接施工的管道；

(4)介质温度≥400℃的高压管道。

管卡结构需注意如下问题：

(1)保冷管道应选用管卡型式，且管卡卡在保冷层的外层；

(2)与不锈钢管道相连时，应在管子与管卡之间设置非金属垫层；

(3)对于DN≥50的管子，当采用管卡承重时，应设置挡铁；

(4)当管子有保温时，管卡与中间连接件相连的部分应漏出隔热层外；

(5)当水平管子在工作状态下有平面位移时，管卡宜与吊架配合使用；

(6)成排布置的管道，要注意管卡与相邻管道的空间；

(7)轴向限位不使用管卡结构。

2.2.2 生根部件与中间连接件

支吊架一般生跟在地面、建构筑物的梁或柱、平台、设备本体等部位，生根部位应满足生根点的承载面积、载荷极限和与生根构件的连接方式相匹配的要求。

中间连接件起到的是过渡作用，它对被支撑的管道和生根部位不会产生直接的影响，一般只需材料本身的物理特性满足要求即可，所以普通碳钢比较常用。

3 设置支吊架的位置

3.1 承重支吊架位置的确定

承重支吊架除满足本文上述的要求外，还应在下列情况下着重考虑：

(1)应布置在靠近集中载荷的地方；

(2)在敏感设备的附近，宜设置承重支架[1]；

(3)应设在弯管和大直径三通式分支管附近；

(4)当塔的水平管嘴直接安装DN≥150的阀门时，应在其附近设承重支架；

(5)沿立式设备敷设的竖直管道，应在尽可能靠近嘴子处的竖管上设承重支架；

(6)当装置检修或建设施工阶段，应考虑与其设备相连管道的稳定性，必要时应设临时承重支架。

3.2 限位支架位置的确定

根据本文前面的描述，限位支架所起的作用是对管道的线位移和角位移起到一定的限制作用，使管道满足要求，根据前面的分类分别讨论如下：

3.2.1 导向支架位置的确定

(1)允许管道轴向位移而不允许径向位移的位置应设置导向支架；

(2)水平设置的π型补偿器和波纹管膨胀节两侧应设置导向支架；

(3)竖直管道较长时，为了防止因风载荷等引起的管道大幅度振动或摆动，应沿管道分段设置导向支架；

(4)管道在拐弯处有较大位移并影响到邻近管道或其它设施时，应在适当位置设置导向支架[2]。

3.2.2 固定支架位置的确定

出于对管道柔性的考虑，一般情况下要慎重使用固定支架[1]，确定管道固定支架位置时，应使其有利于两固定点之间管段的自然补偿，在下列情况下可以考虑使用固定支架：

(1)选用π形补偿器时，宜将其设置在两固定支架的之间的合适位置；

(2)固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(3)生根在地面的调节阀组等，在不妨碍热补偿的情况下，应在一端设固定支架；

(4)对于复杂管系，为了满足其柔性，可用固定支架将它划分成几个形状较为简单的管段[2]；

(5)固定支架应设置在需要承受管道振动、冲击等载荷或需要限制管道多方向位移的地方[1]；

(6)在装置分界处宜设固定支架。

3.2.3 止推支架位置的确定

(1)在热态情况下，当管系的热胀方向朝向敏感设备管咀时，可在适当的位置设置逆热膨胀方向的止推支架；

(2)刚度较大的管道对设备、设备基础等产生较大推力时，可在适当的位置设止推支架；

(3)在补偿器的两端，装置边界线的管道固定点等，止推支架在某些场合可代替固定支架。

3.3 防振支架位置的确定

在使用防振支架时应保证其生根部分应有足够的刚度，且要生根在地面上，以免振动传递而产生不利的影响，目前防振管卡应用较多，防振支架主要应用在如下场合：

(1)有地震设防要求的管道；

(2)可能发生水击、两相流等容易引起振动的管道[1]；

(3)有机械振动的管道；

(4)安装减压阀等产生压差的管道。

4 应力分析结果对支吊架选择的修正

本文前面论述的支吊架选择方法，未经过详细应力计算修正。对于一些有应力分析要求的管道，需要通过计算调整或者重新选择支吊架，应力分析后如下几种与支吊架有关的问题值得我们注意：

(1)支吊点的载荷或垂直位移过大，此时应考虑在支吊点设置弹簧支吊架，以增加管系垂直方向上的柔性；

(2)限位支架所受水平力过大或二次应力超标，可能是固定支架或者止推支架的位置选择不正确，使得管系的柔性不够，不能吸收本身的变形量[1]；

(3)热态水平位移过大，缺少固定点，应加固定或者止推支架；

(4)一次应力或者冷态位移过大，此时应该在合理的位置加上支吊架；

(5)设备受力超标，支吊架设计不合理，重新选择。

5 结语

能够合理地选择支吊架体现了管道设计人员综合素质，除需满足本文上述所讨论的一般要求外，工程实践中如下关于支吊架的问题同样值得我们思考：

(1)弹簧支吊架确实能对管系的柔性起到一定的作用，但弹簧也会带来管系不稳定、易振动、检修维护等问题，因此，尽量利用管道自身的柔性吸收位移；

(2)支吊架的自身的防腐、保护等问题要引起关注；

(3)对于同一个支吊点，如果有不同的支吊架可以选择，要分析比较最优的支吊方式；

(4)要充分核算支吊架的生根空间和承载能力问题，特别是带有附属结构的支吊架尤其注意；

(5)支架和吊架相比，由于摩擦力的作用使其更加稳定，在多数情况下优选支架，但在少数情况下，由于吊架生根在管道上侧，为人的通行提供了方便，其次吊架本身允许有一个摆角，这对缺少柔性的管系是一个帮助；

(6)随着装置的大型化，大管道的支吊架要充分重视其稳定性和抗摩擦能力，对于一些管道要考虑使用垫板，以防止电 位腐蚀和满足热处理的要求;

(7)高压厚壁管道的支吊架与管道接触的部位要考虑，以降低应力超标的可能性；

(8)支吊架的施工同样要按标准要求执行。