石油化工管道支架设计分析

王静波

（云南省化工研究院有限公司，云南 昆明 650228）

工业管道是指生产企业为生产、运输各种物料所需的管子。按用途可分为工艺管道、公用工程管道及其他辅助管道。管道贯穿了工程设计的全过程。管道像人的血管一样，是整个项目的生命线。特别是石油化工行业的原料、成品、半成品大多是有毒有害、易燃易爆的物质，且处于高温、高压、强腐蚀的环境，在生产过程中，管道支架一旦失稳，将会导致管道物料泄漏，甚至爆炸，引起严重的安全事故和环保事故，危害人民生命财产安全。因此，为保证管道的使用功能和生产安全，结构专业对管道支架的设计工作尤为重要。

国家为了保证石油化工装置的安全生产，也制定了相应的标准、行业规范，如《石油化工建（构）筑物结构荷载规范》《化工设备基础设计规范》《石油化工管架设计规范》《石油化工构筑物抗震设计规范》《石油化工管道支吊架设计规范》等等［1-5］。本文在相应标准和规范的基础上，对石油化工管道支架的设计进行了详细的分析。

1 管道支架设计原则

石油化工管道很多都是架空敷设的。架空管道分独立式支架和管廊式支架。独立式支架：管道直接敷设于支架上，支架与支架之间无水平内件。管廊式支架：管道敷设于水平构件的横梁和支架上，支架与支架之间有水平内件。

独立式支架一般分为单柱式（T形）、双柱式（门形）。单柱式一般为单层，特殊时也可采用双层或多层。双柱式根据需要可分为单层、双层，及多层。

管廊形式分类：1）单柱独立式，管廊宽度较小，大多为单层。2）双柱连系梁式，可以是单层，根据需要了可以设双层和多层。3）纵梁式管廊：管廊之间设有纵梁，根据管道专业要求在纵梁间加次梁和支撑。分单柱和双柱结构，双柱的大多为多层结构。纵梁式管廊合适轴向柱距为6～11 m。如果轴向柱距大于11 m，则管廊的纵连系梁会很大，不是很经济，这种情况适合采用桁架式管廊。4）桁架式管廊适合轴向柱距比较大的情况，一般轴向柱距在11 m以上。

管廊形式分类见图1。

图1 管廊形式分类

管道支架按材料类别又可分为钢筋混凝土凝土结构、钢结构。钢结构管廊施工进度快，安装方便，但耐火性能差，容易锈蚀，维护成本高，还需要定期做防腐、防火涂漆。钢筋混凝土结构管廊的耐久性好，钢性要好，耐火、耐蚀性、维护费用少，但混凝土结构施工周期长，施工精度没钢结构高。有些项目为了加快施工进度和节约成本，管廊柱子设计成钢筋混凝土，而管廊连系梁用钢结构的。

管道支架的设计在选型和选材上应采用具有较好抗震性能的，且材料具有较好的延性，能适应自身和外力引起的变形。管廊用钢结构还是混凝土，要根据项目实际情况而定，主要遵循安全、经济、适用的原则。

管道支架按工艺设计类别又可分为活动支架和固定支架。地震时，固定支架承受地震作用较大。钢筋混凝土固定支架宜采用现浇结构。活动支架可采用装配式结构，但为保证梁、柱节点满足受力要求，钢筋混凝土装配式支架要求梁、柱整体预制。直径较大的管道，固定支架宜采用四柱式钢结构或钢筋混凝土结构。输送剧毒、高温、高压、易燃、易爆等危险介质的管道，其固定支架宜采用四柱式钢结构或钢筋混凝土结构。四柱式固定支架是广泛采用的一种组合式的空间体系，如图2所示。

图2 四柱式固定支架示意图

在地震作用下，半铰接支架在柱脚处会出现破损裂缝，因此在8度和9度设防时，不宜采用处于半固定状态的半铰接支架，而活动支架则宜采用刚性支架。在8度和9度设防时，输送剧毒、高温、高压、易燃、易爆等危险介质的管道，不应将管道本身作为跨越结构的受力构件。

钢筋混凝土固定支架的设计应满足框架抗震等级三级的要求；输送剧毒、易燃、易爆等危险介质的管道在破坏时会产生严重灾害，所以这类管道的钢筋混凝土支架的设计应满足框架抗震等级三级的要求；其他支架设计应满足框架抗震等级四级的要求。

2 管道支架的设计计算

引起管道支架出现安全事故的原因为：1）管道自身变形管道（如补偿器弯头等）及破坏；2）管架沿管道纵向移动引起的纵向力，使管架变形倾斜，及管道从管架上沿落下增加变形，甚至倾倒；3）受地震等外力作用，使管道支架出现梁柱变形、弯曲、倾倒、损伤，甚至倒塌，导致管道滑落地面，出现波形扭曲、破损、断裂；4）地震波使土层变形，导致管道基础倾斜和基础不均匀沉降，也会引起管道开裂、折断等。所以，管道支架应按《构筑物抗震设计规范》［6］进行水平地震作用和作用效应的计算。其中，地震影响系数按多发地震等级确定。

2.1 支架的重力荷载

支架的重力荷载代表值按以下规范确定：

1）可变荷载：①走道活荷载，应采用荷载标准值的50%；②积灰荷载，应采用荷载标准值的50%；③对热管道或冷、热管间隔敷设的多管共架管道，不计入冰、雪荷载；对冷管道，应采用冰、雪荷载标准值的50%。

2）永久荷载：①支架，应采用自重标准值的25%；②管道内介质，应采用自重标准值的100%；③管道（包括保温层、管道附件和内衬），应釆用自重标准值的100%；④管廊式支架上的电缆、电缆架和水平构件，应釆用自重标准值的100%；⑤管道上操作平台，应釆用自重标准值的100%。

2.2 管道支架的计算单元

管道支架的计算单元应符合下列规定：

1）独立式支架的纵向支架顶面，由刚度较大的管道相互连接，形成一个长距离的连续结构，但在补偿器处的纵向刚度比较小，所以计算单元长度应釆用主要管道两补偿器间区段中至中的距离作为纵向计算单元。

管道横向刚度较小，支架之间横向相互影响较小，所以横向计算单元长度取每个支架相邻左右跨中至跨中的距离作为横向计算单元。

2）管廊式支架的纵向计算单元长度应采用结构变形缝之间的距离，横向计算单元长度应采用支架相邻两跨中至中的距离。

管道支架的计算单元如图3、图4所示。

图3 独立式支架的计算单元

图4 管廊式支架的计算单元

2.3 水平地震作用点的位置

敷设有多层或单层管道的支架，都可以按单质点体系计算。水平地震作用点的位置可按下列规定采用：

1）独立式支架。若为上滑式管托的支架（如图5），可以取管道外径的最低点；下滑式管托、铰接管托、固定管托、挡板式管托的支架，可以取在支承管道的横梁顶面；与梁顶埋件焊接的固定支架，可以取在管道的中心处。

图5 各种管托的地震作用位置

2）对管廊式支架，可取在支座的支承面处。

各种管托的构造形式见图5。

2.4 管道的纵向方向验算

当支架和管道有相对滑移时，可滑动的刚性活动支架，需要满足对应的抗震构造措施要求，这种情况在管道滑动的方向可以不进行抗震验算。当该地区抗震设防烈度为8度、9度时，对于柔性活动支架，由于它为了适应管道的变形，承受了支架柱的位移反弹力，所以要求进行抗震验算。抗震设防烈度为8度和9度时，跨度大于24 m管廊式的桁架和支承大直径管道的长悬臂，应进行竖向地震作用的计算。

对于柔性活动支架，在抗震验算中，当管道与支架间的滑动摩擦力大于支架所受纵向水平荷载时，支架所受的纵向水平力为［7］：

Pf＝Kδ

式中：K为支架柱的总侧移刚度，N／m；δ为支架顶的位移，m。

3 管道支架的抗震构造

1）钢筋混凝土支架的柱截面尺寸应大于250 mm，支架梁的截面尺寸应大于200 mm，混凝土强度等级应大于C25；钢筋混凝土支架柱的计算长度与截面最小宽度比为（7度～9度时）：固定支架应小于25，活动支架应小于35。其中，钢筋混凝土支架的箍筋规定：

①柱与柱间支撑相连接的地方，上、下各不小于500 mm范围内，应加密箍筋间距不大于100 mm；②管道支架是双柱式的，从柱顶到最下一层的横梁底部以下大于500 mm 范围内和地面到柱底以上大于500 mm的范围内，箍筋加密间距不应大于100 mm，箍筋直径不应小于8 mm。

2）钢支架柱的长细满足长细比限值表（表1）要求；钢支架钢板材料的宽厚比限值除应满足表2要求外，还应符合现行国家标准GB 50017《钢结构设计规范》中有关弹性阶段设计的规定。

表1 钢支架柱的长细比限值

表2 钢支架板件的宽厚比限值

3）对石化行业的调査发现，当受到较大水平荷载时，一些支架的柱、梁节点和连接件经常出现锚筋拔出现象。所以，在地震区，支架埋件的锚筋必须按计算确定，以避免钢筋“锚固先于构件破坏”情况。

下列情况的支架埋件的锚固长度不应小于30 d，且应符合受拉钢筋的抗震锚固要求，支架埋件锚筋应不小于4ϕ12。

1）抗震设防烈度8度和9度时的支架；2）支架梁、柱铰接处的埋件；3）固定支架和设有柱间支撑的支架。

4）釆用滚动式或下滑式管托的支架，应釆取措施防止管托滑落；敷设于支架横梁上的在顶层的外侧管道，应采取设置防震挡板、防震短柱的措施，防止管道滑落（如图6）。在柱脚处会出现裂缝。为了加强半饺接支架的安全，应采取以下措施：半铰接支架柱根部大于500 mm的高度范围内和柱脚横梁全长的箍筋，直径不应小于8 mm，箍筋间距加密不应大于100 mm；半铰接支架柱在管道纵向的构造配筋，每边不应少于2ϕ16。

图6 防止管道滑落的构造措施

6）支架的悬臂横梁受力情况复杂，横梁为双向受弯并且还受扭，在高烈度下还要受竖地震作用的影响，所以如果要在支架悬臂横梁上敷设管道，那支架悬臂长度不宜大于1.5 m。

7）钢结构单柱固定支架，在外力作用下柱底存在较大弯矩，在抗震设防烈度8度和9度时，为保证安全，应使基础和柱子共同工作，则需釆用刚接柱脚，将柱底内力传递至基础；如果支架受外力很大时，可以釆用埋入式或外包式柱脚。钢支架的梁柱连接宜釆用柱贯通型。

8）四柱式钢结构固定支架，为保证支架在外力作用下的空间整体性，当支架比较高时，应在支架高度范围内的适当位置增设水平支撑；在8度和9度设防时，水平支撑间的间距不大于6 m。当抗震设防烈度为8度、9度时，管道直径较大，则在直接支承管道的横梁平面内，需增加支架的刚度，应设置和四柱相连的水平支撑；当支架较高时，尚应在支架高度中部的适当部位增设水平支撑。

4 结束语

管道支架，作为项目生命线的保障结构，支架结构的设计安全可靠性更为重要。特别是石油化工行业的管道，输送物料大多是危化品，受外力作用或地震时产生的次生灾害，往往比地震直接造成的损失还要大。因此，石油化工管道支架的设计，不但要满足住建部发布的国家标准、规范的要求，而且更要满足石油化工行业的标准、规范的要求。