石油化工裝置管道支吊架的設計

王良（中國寰球工程公司華北規劃設計院 河北 涿州 072751）

管道支吊架是管道系統的重要組成部分， 其設計是管道設計中的重要環節。 通過設置支吊架實現對管系變形的控制，減小管道的二次應力和對設備的推力，以保證管系的正常運行，往復運動機械可以通過設置合適的支吊架來達到減小管道振動的目的[1]。

一、選用支吊架應遵循的原則

剛性支吊架，主要用于管道無垂直位移的部位。 例如：滑動支架或管托，滾動支架或管托、假管支架，由生根結構吊桿、管卡或吊耳組成的剛性吊架等。 可調剛性支吊架，高度或長度可少量調節，主要用于管道無垂直位移，但要求安裝誤差嚴格的場合或管道有少許垂直位移的部位，例如泵前入口管支架；帶花蘭螺母的吊架等。 彈簧支吊架，或可變彈簧支吊架，主要用于管道有垂直位移的部位，支架受力與彈簧被壓縮或拉伸量有關。

(1) 將管子固定在支架上，不允許發生任何方向的位移，這種支架稱為固定支架。 固定支架的作用是為了均勻分配補償器之間管道的熱伸長，保證管道在支架上不發生移動；固定支架受力較為復雜， 除了承受管道重量外， 還承受著管道軸向壓力的反力、熱脹冷縮的水平推動力及活動支架的水平摩擦力。

(2)將管子敷設在支架上，當管子熱脹冷縮時可與支架發生相對位移，這種支架稱為活動支架。 活動支架分為滑動支架、滾動支架、 導向支架。 滑動支架是指管子與支架間相對運動為滑動。滑動支架摩擦力較大，但制作簡單，應用廣泛。U 形螺栓固定的低滑動支架，適用于熱伸長量較小的室內不保溫管道，滾動支架是在管道滑托與支架之間加入滾柱或滾珠， 使管子與支架間相對運動為滾動運動，從而使滑動摩擦力變為滾動摩擦力，這種支架稱為滾動支架。滾動摩擦力小于滑動摩擦力。特點是摩擦阻力小，適用于管徑較大、介質溫度較高且無橫向位移的管道。

(4)在管道有軸向位移的支架，兩側加裝型鋼擋塊，使管道在作軸向運動時不致偏離管道的軸線，這種支架稱為導向支架。 適用于管道作軸向位移而不偏離管軸線的管道上。

(5)在垂直熱位移較大，或由于支吊架處的熱脹力過大可能造成管道應力或設備受力超標時， 以及支吊點載荷過大使支吊架難以承受時， 需采用彈簧支吊架。 轉動機器管口附近的管道上，不宜采用恒力彈簧支吊架[2]。

(6) 剛性支吊架用于沒有垂直位移或垂直熱位移很小的場合。

二、石油化工裝置管道支吊架位置的確定

近似水平布置的管道應控制一定的支吊架間距， 以保證管道不產生過大的撓度、彎曲應力和剪切應力，特別要考慮管道上諸如法蘭、閥門等部件集中載荷的作用。 垂直管道支吊架也應控制間距，防止管道由于各種載荷組合作用而產生過應力。 水平直管道的支吊架間距應滿足下列要求。 1)強度條件。 應控制管道自重產生的彎曲應力，使管道的持續外載當量應力在允許范圍內。一般鋼管道的自重應力不宜大于16MPa。2)剛度條件。 應控制管道自重產生的彎曲撓度，使管道在安全范圍內使用并能正常疏、放水。 管道的相對撓度應小于管道疏放水時實際坡度的1/4。 對于可能產生振動或有抗地震要求的管道， 還應根據其振因控制管道的撓度，使管道的固有頻率值在適當的范圍內。 一般鋼管道的彎曲撓度不宜大于2.5mm[3]。

一般選用的彈簧，其荷載變化率應小于25%。 當選用彈簧的荷載變化率＞25%時，可選用兩個彈簧串聯。串聯彈簧應選用最大荷載相同的彈簧，每個彈簧的荷載相同，總的位移量按每個彈簧的最大壓縮量的比例進行分配。 通常確定管道的允許跨距是以剛度條件計算，用強度條件校核。 取兩者中的小值。 按剛度條件計算時，假定管道為一單自由度振動系統(對水平管道僅考慮上下振動)，為使管道在輕微的外力作用下不發生明顯振動，裝置內管道的固有振動頻率不宜低于4Hz， 裝置外管道不宜低于

2.55Hz。

三、石油化工裝置管道支吊架的設計

(1)按允許的最大跨度設置支吊架外，尚應在下列位置設支吊架。 ①當管系與設備相連接時，應在適當位置設置支吊架，以減少其受力和力矩。 ②當管系中有閥門或小型管道設備等集中荷載時， 應靠近集中荷載處以減少偏心荷載和彎矩。 ③彎管附近、大直徑管三通或分支管處附近。 ④帶有垂直管段的管系，宜在垂直管段上部或下部設承重支架，當垂直管段較長時，中間應按規定間距設導向支架； 在水平敷設的管段轉向垂直管段拐彎處附近的支吊架，應根據支點的垂直位移量設置彈簧支吊架[4]。

(2)應盡可能利用建筑物、構筑物的梁柱作為支吊架的生根點，但應核算生根點所能承受的荷載，必要時可減少跨距以降低生根點的荷載。

(3)對于復雜的管系，為簡化應力分析，宜用固定支架將管系分割成可自補償的若干個管段(必要時加人工補償)，在兩固定支架間設承重支吊架或導向支架。

(4)與設備連接的管道，其支吊架的位置應設在不妨礙設備的檢修和閥門操作、 且在檢修設備或移走設備時不需設臨時支吊架的地方。

需要經常拆卸維修、清掃的部位不得設置焊接型支吊架。

結論

管道支吊架是管道的支架、吊架、管托等管道支承結構的簡稱。 正確選擇管道支吊架的型式和合理的位置確定是管道安拿運行的保證。 通常評價管道設計，不僅要看其布置合理、美觀、操作、檢修方便并具有一定的柔性，同時也要看支吊架型式與位置的恰當。 因此，管道支吊架設計是管道設計的重要組成部分。

[1] 殷海峰. 管道支吊架分析法設計中若干問題的研究[J].中國高新技術企業，2012(21)：108-109.

[2] 劉美榮. CAESARⅡ在煉化裝置配管設計中的應用[J]. 石油化工設計，2012(02)：210-212.

[3] 張利，李巖，魏韜. 石化管道應力分析及支吊架設計綜述[J]. 化工設計通訊，2009(01)：67-68.

[4] 張芳. 管道支架的設計[J]. 山西化工，2006(01)：102-103.