石油化工企业钢结构管架设计探析

2023-04-06周宝如

大众标准化 2023年4期

周宝如

（无锡厚德石化工程设计有限公司，江苏无锡 214000）

石油化工产业成为中国主要的燃料供给，在市场经济蓬勃发展中，占领着关键的发展战略位置，在国家经济发展策略中起到了关键的作用。管架结构在石油化工企业生产过程中发挥着很关键的作用，是企业内部与各种生产设备之间有机相连的主体部分，其结构设计的稳定能力和科学性将影响到石油化工企业的产品稳定性，所以，必须要加大对管架结构的设计与优化，以使得它更加的科学，在企业工业生产过程中起到更大的影响作用。

1 选择钢结构管架建筑材料的原因

钢结构工程一般适用于多层、大跨越、形体复杂多变、负载或吊车起质量大、有很大震动、高热车间、对密封性需要较好、需要能运动及多次安装的结构。简单地讲：大楼、体育中心、歌剧场、路桥、广播电视塔、仓棚、厂区、工人住宅和临时房屋等。这是与钢结构房屋本身的特性相一致的。在石油化工行业中，钢结构适用于热冷换结构、反应器骨架、管架、厂区、泵棚、楼梯间等。文章主要是针对石油化工企业设计管架，在石油化工企业中要时刻注意对管架的维修及拆卸，所以使用钢结构材料作为管道的设计主要材料最为合适，但在设计过程中，要针对钢结构不受高温的特点，仔细对其防火性能着重进行设计。

2 石油化工企业钢结构的设计条件

（1）对管架结构进行设计后的主要依据，是根据有关工艺配管以及对有关的结构应力，专业人员根据对工作的了解后所进行的初步设计。设计要求的科学性与合理性对设计的效果会产生很大的影响。实际工程中往往需要在管道没超过3 m就完成了跨梁，因此管道的长度和其支承情况直接影响管道压力的传导情况。

（2）固定管架的标高。当管架的跨距很大时，即可通过支承桁架实现连接，但是由于钢管设计上有尤其特殊的需求，若用桁架的管子支承，其底部标高就很难达到相关标准。所以，对净空高的特点和需要的情况应注意钢桁架和横梁的高度可能带来的对管线层的冲击。此时，架构设计技术单位必须第一时间对有关专业的主管单位做出反应，并及时执行。与此同时，在工程设计中也必须从外观上明确管子尺寸和管线的总体布局，以防止加大后期工程设计困难。

（3）设计伸缩缝间隙。按照有关规范规定，在进行最大沉降裂缝间距设计时，钢结构建筑物的最大伸缩缝距离不能超过120 m。另外，应重视对固定管架的安装地点的确认，工作应用中通常把两种补偿器合二为一，以确定经济实用性。对于大型管道使用时应尽可能减少伸缩缝的长度，同时增加柱间支承以增强防震功能。

（4）确定与管架柱距离。在进行管架距离设定时，一般设定跨度为9 m，这样就能够降低对管架的距离要求，从而节省了成本。在进行固定架处，通常选择6 m。

3 管架结构设计原则

3.1 依照载荷组合和载荷布置的原则

当进行管道载荷的选择之后，如果组合系数为1∶2，在进行充水时可以采用更大口径的管子来分别充水。并对载荷进行调整，并以1∶1。此外，在进行结果选型时，还要充分考虑操作重量、充水重量和承载力三者中最不利的一个，并充分考虑管道强度、跨度和框架之间的抗拉强度，以合理决定钢材构件的质量使用。

3.2 上部钢结构的选择

若钢管必须承担很大的压力强度，可在使用钢结构前使用Q345B，尽量减少钢的应用。对挠性控制的钢梁，一般选用Q235Bh型钢，其严重变形与纵梁比例确定为1∶4，而严重变形与次梁比例则确定为1∶250。同时也要重视进行对梁设计调整，以提高水平应力的合理传递以及对此梁性能的影响。

3.3 确定支撑

纵梁型管架的管道的水平推动力主要经由气窗传到纵梁，而纵梁的不平衡力主要由柱间支持所承担，管架柱通常不承担水准推动力。柱间支承最常见的形式有X型和人字撑，X型按水平拉杆设计，长细比限值为300，人字撑按照按压拉杆设计，长细比限值为200，而固定式管架纵梁按压弯型钢结构计算，长细比限值为150。柱间支承宜左右同时设有或优先设置于管道推力的水平区域，如果由于条件限制则宜错开开间后设有水准支承，以提高刚性并传递水准推动力，同时为提高固定式管架的总体刚性宜在固定式管架位置设有水准支承。对桁架构件，其钢结构由强度的限制，优先采用Q345B钢，并尽量采用增加悬吊层的方法，来传递竖向应力。

3.4 防护栏杆

建议单侧安装防护栅栏。在钢管顶部通常有2～3级的电缆线管，一般长度都在1 m以下，所以，针对自动扶手焊管应该采用42型号，而对立柱则应该采用L63，因为这样就能够节省了钢筋的用量，同时降低价格成本。

3.5 地基与基础

在实施基础配筋工程的过程中，严格按第一阶段加以管理，并达到最低标准。因为天然地基具有特殊的抗震特性，所以，在抗震时引起的基本损伤主要是冲击损伤。但是，在设计制定中又要小心，即要符合冲切规定，上一阶又要尽可能做得小，在对下一阶段的设计编制中又要重视宽深比的设计，通常为2∶5，这样即既经济又有效。

3.6 防火与耐热

（1）为介质温度低于或超过，自燃时的单个体积温度大于或超过5 m2的易燃液态设备承重的结构、支撑、裙座。

（2）在防爆范围内的高径比，等于或大于8 d总重量等于或大于25 t的非易燃介质装置的最大承载重量，钢框架、支撑结构和裙座。

同时，规范中还要求机械设备承载的钢架构、支撑、裙座、管架等涵盖防火层的部分，须满足以下规范。机械设备承载钢结构：单层架构的梁、柱；多层次架构的楼层为透空的箅子板时，层地板上10 m范围内的梁柱多层架构的楼层为围封式楼层时，各层结构楼板面上的梁、柱；机械设备承重运动钢支撑或加热炉钢支撑：全部框架梁柱：钢裙座外层，未保温隔热部分以及直径超过12 m的裙座外立杆：钢管架：下层主管带的所有横梁、立柱，且高度不得小于4.5 m；上层设有空气冷却管的钢管架，其所有框架梁柱和斜支撑都应当包裹着防火层。喷涂有防火层的钢铁结构，其防火极限也不应当小于2 h。

4 结构选型与结构布置

4.1 结构选型

在钢结构设计的全部重要阶段中，必须被重视的就是“概念设计”，这对构件选择和设计阶段来说特别关键。对于某些无法进行严格理性分析或规范计算所确定的结构问题，应根据从整个构件系统和各构件间的力学相互作用、断裂原因、震害、试验情况以及施工实践中得出的设计思路，从全局的观点来决定构件控制方式的整体设计和细部方法。通过采用概念设计，能够在较早期阶段快速、合理地做出设想、计算结果和选定。而所得构造方法一般便于手算、定义清晰、定量分析精确，并能减少在结构分析阶段中不必的繁杂运算。同样，这也是通过确定用计算机的力量分析计算信息可信与否的重要基础。通过改变结构荷载的方式，可以适应不同的环境条件。一般通过降低散射截面的短向选择次柱，不过这样会使泵管散射截面增大，降低了楼层净高度，顶层边柱也有时会吃不消，此时将次柱支撑到最短的泵管上即可牺牲次柱保住泵管和柱子。

标准中规定，在下列承重结构钢框架、支撑、裙座、管架等上应包覆耐火性能层：钢结构一般有构架、水平支架、网架壳、索膜轻钢结构、塔桅等构造形式。在石油化工企业中，常用的建筑构件形式一般有：钢铁构架一般用来支持水冷却器、换热器、卧式器皿、空气冷却器等化工机械钢一般用来支持油管、电缆仪表槽箱等；门型钢架一般用来大型压缩机站房、泵棚等。这种结构方式的思想和技巧大都成熟。也有部分问题未能克服，如缺乏简便实用的设计方法，比如网壳的设计等。

而钢结构建筑尽管有重量轻、空间大、施工速度快、易于改造等优势，但与钢筋和其他建筑材料相比，同样也会遭受大火所造成的不良影响。和水泥比较，钢铁的防火特性相对较差。钢铁虽然不可燃，但在大火高温作用下，其力学性能钢的抗拉强度在0～250 ℃范畴内，基本无改变，只是当超过300°以上抗拉强度开始降低，500°时抗拉强度只有原来的10.5600时是原有抗拉强度的1/6～1/7，抗拉强度基本丧失殆尽，也就是钢铁的耐火限度在15 min以下为宜。

据一些试验数据统计，钢结构在温度低于300 ℃时，强度提高而塑性减小；在高温超过300 ℃时，强度减小而塑性提高。钢的导热系数大约是普通水泥的40倍，当钢结构外表受热时能量就会迅速到达其内部，加之由于钢结构为单一的材料构成、内部温度分配规律、散射截面形状为薄壁加工状受火面面积大，因此在火灾时发热迅速，根据中国《钢结构设计规范》规定：当钢结构外表的受辐射热温度超过150 ℃以上并在短期内可能发生火灾作用时，就应当采取有效措施，以确保有效期的安全。

4.2 钢结构管架的结构布置

结构的设计要按照结构性质，负荷分配情况和特点等全面考察。通常地说要刚度平衡、动力模型清晰，尽量控制大负荷或移动负载的作用程度，将其通过最直接的路径输送给建筑物。柱间抗侧支撑的布置必须要均匀分布，其形心应尽可能贴近于横向力（风震）的影响线，否则要充分考虑构件的扭曲、构件的抗侧，应为多道防线。如果有的预应力混凝土框架结构，支柱间至少要能分别承担约1/4的总水平应力。

4.2.1 防火要求布置

石油化工企业是国家的特大型企业、生产区储运区内各种塔罐林立，输油管网密布。由于其原油和制品大部分易燃易爆，加之多属高温高压。如果机械设备、管道、阀门漏气，就非常容易着火，火灾风险极大，而一旦支撑的机械部件烧断将可能导致机械设备的全部倒塌，后果不堪设想，所以，用作支撑各种机械设备的钢构架的防火问题显得特别关键。而石油化工产品则因其原料与制品的绝大多数易燃易爆，一经漏气，就非常容易起火，后果不堪设想。所以，作为管架的安装和防火问题显得特别关键。

4.2.2 隔热法

用防火保温材料将钢结构覆盖起来。包裹材质有水泥、轻量型防火水泥或钢丝网膜防火水泥等，其好处是取材简单、价格低廉、表面硬度好、抗冲击、对建筑材料要求不多，但相对笨重。

4.2.3 导热法

即在空心封闭截面宽度中主要是柱间充水，当火灾后钢构将吸收的热能传给水中，再通过水分的挥发而消耗热能或利用循环将热能导走，钢构的工作温度可保持在100 ℃左右，使结构的高温不会再上升到临界温度，这样具有热防护功能。这个技术在实际工程中很难行得通，更不宜用作建筑室外钢结构。

4.2.4 喷涂法

用喷漆工具把耐火油漆直接喷漆到钢结构表面，在火灾时可以产生防火保护层，目前在大型石油化工工厂构架上使用的保护方式，大致有以下两种。

厚涂型的耐火涂层（小时类）涂料厚介于8～50 mm，该类涂层密度较小且传导性传热率低，以涂层自身的隔热性能来增加钢梁的耐火极限，耐火极限可达0.5～3 h。薄涂型耐火涂层B型）涂料最厚在7 mm以内，该种涂层具备良好的装饰性能，可以利用涂层遇到高热后迅速膨胀并发泡，而产生的耐火隔热效果来增加钢梁的耐火极限。它的耐火极限可达到0.5～2 h，因此薄涂型一般应用在建筑室内钢结构上。在中国石油化工领域的主要大火类型是烃族火，而烃类大火和一般建筑火灾的最大不同点就在于上升曲线不同，一般建筑大火的30 min火焰高温只有700～800 ℃，而烃族大火的上升速率很高，经过10 min高温达到了1 000 ℃，此薄涂型耐火涂料尽管涂层薄质轻，但这种涂层的防火极限却很低，在露天应用中存在着老化问题、在潮湿条件下膨胀产生的稳定性问题和在树脂分解时出现烟雾和有害空气的问题。

耐火涂层的设计要求原料需预先进行，禁止采用石棉材料和甲苯等介质。耐火涂层应采用喷漆、刷涂、辊涂、刮涂或擦涂等方式中的一种或多个方式进行，并应在通常的自然状态下干燥硬化。防火涂层一般为碱性或偏碱性。与覆面涂料要互相配合，而底层涂料则要能和其他的防锈漆配套使用。涂料在干时没有刺鼻味道，燃后一般也不会出现烟雾等危害人类身体健康的现象异味。