化工装置管道支吊架设置原则与管系柔性设计

刘 敏

(湖北省化学工业研究设计院，湖北 武汉 430074)

管道支吊架是管道系统的重要组成部分，它直接影响到管系强度的安全可靠性，在管道布置工程中是必不可少的。所有管道布置都必须借助各种不同形式、不同功能的支吊架来完成。支吊架不仅仅起着支撑管道的作用，即承受管道的垂直载荷，还需要承受各方面的力和力矩，只有这样，管道和与之相连的设备的安全才能得到保证[1-2]。随着化工工业的发展，装置的大型化导致管径也相应增大，对支吊架的设置要求也越来越高。

1 管道支吊架的分类

根据管道支吊架的作用可以将其分为三大类：承重支吊架、限制性支吊架和防振支架。

(1)承重管架：用以承受包括管道自重、隔热或隔声结构荷载或管道中介质的荷载等。

(2)限制性管架：用以限制和约束因热胀而引起的管道在任一方向的位移。

(3)减震架：专门用于控制管道的振动，常用于限制和缓和往复式机泵进出口管道和由地震、动载荷包括安全阀排出反力引起的管道振动。

2 管道支吊架布置的基本原则[3]

管道支吊架的位置应考虑以下原则：

(1)除振动管道外，应尽可能利用已有的建构筑、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且要核实生根点的构架和所能承载的荷载是否满足支吊架的生根要求和承载能力。

(2)管道支吊架不应设置在管道与设备连接和检修的部位。

(3)对于有集中载荷的地方，管道支吊架位置应尽量靠近集中载荷处，以保持管道应力最小。

(4)靠近管系的两端，当管系与设备相接时，尽可能靠近设备管嘴，以减少其受力。

(5)支吊架应设在弯管和大直径三通分支管附近。

(6)管系中有较长的垂直管道时，应在垂直管段的上部及下部设承重支架，中间设置导向支架。

(7)对于复杂管系，可用固定支架将其分成几个简单的管段，支架位置应考虑有利于两点之间管段的自然补偿。

(8)∏形补偿器应设置在两固定支架之间。∏形补偿器与支架之间的距离不宜小于两支架间距的1/3；水平管道上的∏形补偿器两侧应设置导向支架，两者之间的间距应为32DN～42DN。

(9)当管道直线距离较长且中间无固定点和止推支架，或管道横向位移过大影响邻近管道，或安全阀出口的放空管道，或宜产生振动的两相流管道，应在这些管道上设置导向支架。

(10)在管道的自然补偿的位置如弯头、分支处，不应设导向支架。

(11)应在有可能发生水击、两相流等并能引起振动的管道上设置止推支架。

(12)防振支架宜单独设立，尽量生根于地面的管墩或管架上，以免将振动传递到建筑物上。

3 管系的柔性设计

通常情况下，管系的走向并不是以完成有利于管系的柔性来确定的，而是应首先满足管道与设备的连接位置、支吊架的生根条件、工艺条件、操作条件、安全消防等要求，并在满足这些要求的基础上做到尽可能的节省。在这种情况下确定的管系若能满足柔性的要求，即为最佳方案。如果这种情况下不能满足柔性的要求，则可适当调整管道的走向或支吊架的类型使其柔性得到满足。

(1)在管道布置过程中，如碰到介质温度较高、管道直径较大、管道壁厚较厚或者与敏感设备相连的管道时，应在满足其它要求的情况下有意识的关注管系的柔性问题，并在管系走向与结构尺寸上适当予以考虑，尽可能的形成自然补偿，从而做到运行可靠，投资又少。

(2)将某些刚性支吊架改为弹簧支吊架可以增加管系的柔性。弹性支架对管系有一定的约束作用，但同时又允许它沿约束方向有一定的位移，因此能缓解支架的约束作用，从而增加管系的变形能力。

(3)通常情况下，设备管口沿着管口方向的刚度较大，而垂直于管口方向的刚度较小。因此可以通过改变管系与设备管口的主要连接方向，沿设备管口刚度较小的方向布置管系的主要热膨胀方向，在满足管口受力要求的情况下充分利用设备管口的柔性[4]当然，这种利用设备管口的柔性缓解管系柔性矛盾的潜力很小。

(4)利用补偿器增加管系柔性。管道补偿器自身刚度较小，可以有效吸收管系的热膨胀力，达到缓解管系中的应力和对边界约束的附加力的作用。常见的管道补偿器有波形补偿器、套管式补偿器和球形补偿器。对于非工艺管道，当符合下列情况时，可考虑采用柔性管件进行热补偿：受设备布置、空间、支撑条件等限制，无法采用自然补偿时；当管系对相连设备管口或支撑结构的推力太大时；对于大直径管道，采用自然补偿并不比用柔性管件补偿更经济时；与有较大不均匀沉降的设备相连接时。

(5)摩擦力对管系柔性的影响。管系中的管线在受热膨胀时会产生移动，从而造成管线与其接触面或支撑面之间产生摩擦力，这将会影响管线的热膨胀，降低管系的柔性。因此当产生的摩擦力较大且会危及到支架的安全时，往往将其承重支架改为滚动支架或自润滑低摩擦支架等。

4 结论

管道的支吊架设计是伴随着管道布置进行的。配管工程师在确定管道走向时就应初步考虑可能的支撑点、生根条件和支撑型式，待管系的力学分析完成后再对其进行调整优化，最终使得管道布置既能满足强度要求又符合管道布置的一般要求。因此管道支吊架的设计应与管道布置及管系力学计算紧密配合、合理调整，才能做出优良的管道设计。