壓濾工序管架設計淺析

賈 彪

（唐山三友化工工程設計有限公司，河北 唐山 063305）

氨堿法純堿生產過程中，產生大量的廢渣液，排放量約9～13m3／t堿。傳統的做法是建設堿渣排放場，將廢渣液集中儲存，不但占用大量的用地，同時也容易對環境造成不良影響。我公司新增壓濾工序是“三廢資源綜合利用模式”的主要工程，對生產過程中產生的廢渣液進行科學處理，綜合利用。該工程利用原有氧化塘用地建設，獨立于我公司主廠區以外，與主廠區相距較遠。該工序將純堿裝置產生的蒸餾廢液、鹽水精制工序產生的鹽泥等廢渣液做為生產原料，利用壓濾工藝處理后，將分離后得到的產品根據特性分別予以利用。在壓濾工序生產中所需的原料，如蒸餾廢液、鹽泥，生產過程中所需的水、蒸汽及各種物料均需通過管道輸送到本項目區。生產產生的濾液與澄清桶清液一起收集作為清廢液，通過管道送往鹽場曬鹽或供給氯化鈣生產企業提取氯化鈣，鹽泥濾液則通過管道送回純堿廠鹽水車間作為化鹽水循環利用。在廠區中各類管道就像人體中的血管聯系著各個重要的裝置，把它們組成一體，共同生產。而管架作為各類管道的支承結構，保證了各種管道的穩定運行，可見管架是廠區的一個重要組成部分，它的設計就變得尤為重要，需要進行細致的分類和計算。

1 管架分類

管架根據管道工藝要求和受熱后變形的特點可分為固定管架和活動管架；根據結構形式可分為獨立式管架、管廊式管架、吊索式管架、跨越式管架及特種管架；根據結構特性可分為剛性管架、柔性管架、半鉸接管架、雙向活動管架、振動管架、托吊架等；根據管架材料可分為鋼筋混凝土管架、鋼結構管架及鋼筋混凝土與鋼結構組合管架。隨著科技的進步，規范的完善，對管架的設計要求也越來越高。壓濾工序所使用的管架種類繁多，固定管架采用空間剛架形式，活動管架采用了剛性管架和柔性管架兩種形式。因為壓濾工序生產過程中的鹽泥等物料存在大量的Cl－，并且生產環境濕度很大，對鋼結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋有很強的腐蝕性，考慮到結構耐久性設計要求，除跨路桁架和位于墻上的三角托架采用鋼結構外，其余管架均為鋼筋混凝土結構。管架的安全等級一般為二級，無一級管架（支承輸送高度有害和易發生災害介質的管道的管架為一級），管架抗震設防類別為丙類，鋼筋混凝土管架固定管架抗震等級為三級，活動管架為四級。

2 管架設計

2.1 管架設計依據

進行管架設計前所必需的資料有：工藝資料、地質資料、氣象資料及地震資料等，其中工藝資料包括管線或管架平面布置圖、必要的管線橫斷面圖及縱斷面圖、管道荷載（管道重量、介質重量、管道壁的最高最低計算溫度、固定管架上管道水平推力、作用方向及其他荷載）及其他管道資料。根據資料、管架特點及設計原則制定合理設計方案進行設計。

2.2 管架荷載

管架荷載包括垂直荷載、水平荷載及特殊荷載。

對于管道直徑大于300mm的管道，應考慮一般不超過0.3kN／m2的積灰荷載。寒冷地區，當管壁溫度在0℃以下應考慮冰雪荷載Sk＝μrS0d。水平荷載風荷載計算ωk＝μsμzω0dld。并不是所有管架都需要進行水平推力計算，當所有支承的管道符合下列條件之一時，管道的水平推力可不計算：1）常溫管道，介質溫度不超過40℃；2）管道根數在10根以上，介質的最高溫度不超過130℃；3）主要熱管的重量與全部管道重量的比值不超過0.15。中間管道分為剛性中間管道和柔性中間管道分別計算水平推力。管道與管架之間具有相互制約的作用，管道對管架除荷載作用外，還應考慮對管架的約束作用。

設計管架結構時，應進行荷載組合，并取其最不利組合進行管架結構設計。

2.3 管架計算

2.3.1 梁柱計算

不同管架的結構特征決定了不同管架的計算模型和方法?；顒庸芗芤话銥楠毩⑹焦芗埽炯俣椋喊磫纹矫婀芗苓M行內力分析，梁柱連接為剛接，柱與基礎連接為固接；半鉸接管架基本假定為：按單片平面管架進行內力分析，梁柱連接為剛接，柱與基礎縱向連接為半鉸接，橫向連接為固接；固定管架基本假定為：固定管架通常采用四柱式鋼筋混凝土結構，梁柱連接為剛接，柱與基礎連接為固接，通常按單片平面框架進行內力分析等。下面以壓濾工序某剛性管架為例。

設計資料：雙層H型鋼筋混凝土管架，混凝土強度C30，下層高度3 000mm，上層高度1 500 mm，平面內寬度3 000mm，根據計算高度和長細比限制假定柱截面400×400mm，梁截面300×400 mm。管道荷載按照均布荷載進行考慮，上層梁均布荷載q1＝7 632N／m，下層梁均布荷載q2＝5 675 N／m，上層主動管質量9 000N，工藝專業提交變形△Z＝50mm，下層主動管質量4 800N?；撅L壓ω0＝0.4kN／m2。風荷載設計值及平面內內力已完成計算，需進行結構特征判別及管架平面外內力分析。

圖1 荷載簡圖

結構特征判別：

管架位移反彈力pf＝3ECI△／H3，其中C30混凝土EC＝3.0×104N／mm2，α＝主動管質量／全部管線質量＝9 000／（7 632×3＋5 675×3）＝0.23。根據α查表得Kq＝0.33，△＝Kq△Z＝0.33×50＝16.5mm，I＝ （400×4003）／12，經 計 算 pf＝117 333N。

管架摩擦力pm＝pf上＋pf下＝3 954N

pm／pf＝0.034＜1，屬于剛性管架。

平面外內力計算：

梁（下）：水平彎矩設計值為 My＝ωl2／8＝630×1.2×32／8＝850.5N·m

水平剪力設計值為Vy＝630×1.2×3／2＝1 134N

梁（上）：水平彎矩設計值為 My＝ωl2／8＝984×1.2×32／8＝1 328.4N·m

水平剪力設計值為Vy＝984×1.2×3／2＝1 771.2N

柱彎矩設計值為：My＝756×1.2×3×4.5／2＋562×1.2×3×3.0／2＝9 158.4N·m

剪力設計值為：V＝756×1.2×3／2＋562×1.2×3／2＝2 372.4N

2.3.2 基礎設計

管架基礎一般采用獨立式鋼筋混凝土基礎?；A埋深需在冰凍線以下，且不得小于700mm。當存在相鄰建筑物時，應考慮對相鄰建筑物的影響。管架基礎的埋深不應大于原有建筑基礎埋深，當埋深大于原有基礎時，兩基礎應保持一定凈距，數值應根據原有建筑荷載大小、基礎形式和土質情況而定，一般應符合△H／ι≤0.5～1.0（△H 為相鄰建筑物基礎底面標高之差，ι為相鄰兩建筑物基礎邊緣的最小距離）。如不能滿足要求需采取臨時加固等施工措施，或加固原有建筑物基礎。地基承載力特征值可由荷載試驗或其它原位測試、公式計算，并結合工程實踐經驗等方法綜合確定，當基礎寬度大于3 m或埋置深度大于0.5m時，從荷載試驗或其它原位測試、經驗值等方法確定的地基承載力特征值還應進行修正。管架基礎一般為雙偏心受壓構件，當基礎偏心距超出基礎核心范圍時，基礎與地基土之間便出現了部分脫離，因此應根據受壓區的實際圖形計算基底壓力，當按地基承載力確定基礎底面積和埋深時，傳至基礎底面上的荷載效應，應按正常使用極限狀態下的荷載效應組合考慮。

在基礎設計過程中同樣需要進行結構耐久性設計。根據壓濾工序場地水質分析資料可知，本場地地下水位年變幅2.00m左右，地下水對混凝土結構有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替下有強腐蝕。根據GB50046－2008《工業建筑防腐蝕設計規范》的要求，基礎與墊層應做好防護。

2.4 管架設計的構造要求及注意問題

廠區里各種管架都有其不同的設計特點構造要求。裝置區內經常會見到因管架間距大，管道自身無法跨越而設計的管廊式管架。柱距9～15m宜設置縱梁式，柱距12～24m宜設置桁架式。全鋼結構或縱梁、桁架采用鋼結構，柱采用鋼筋混凝土結構時，不宜大于120m設置伸縮縫，全鋼筋混凝土結構時不宜大于70m設置伸縮縫。伸縮縫宜采用雙柱，當采用單柱時縱梁應設置可靠的滑動支座和滾動支座，設置橢圓孔。當柱距大于9m時，管架兩側的縱梁應在上翼緣設置縱向的水平支撐，桁架上下弦均應設置水平支撐。每個溫度區段兩端設置柱間支撐，承受管線的不平衡水平推力，柱間支撐與柱連接應采用高強螺栓或普通螺栓加焊接。節點連接一般采用焊接形式。

沿著建筑物或構筑物表面敷設的管道下我們常見的小管架是托架，主要有兩種形式：懸臂托架和三角托架。這種管架上的管道數量一般不會很多。托架邊緣與管道焊縫的間距不應小于50mm，與需要熱處理的管道焊縫的間距不應小于100mm。應對固定端部所利用的原有建筑物或構筑物進行強度和穩定性驗算。

3 結 語

大部分管架處在露天環境，常年經受風吹日曬雨淋，因此應及時做好管架的防腐及維護工作。對于損壞嚴重的管架應及時進行更換或加固，才可以保證生產的安全。隨著科技的發展，規范的完善，管架設計從方案的制定到施工圖紙的完成，都將得到更好的規劃與實施，這會使廠區的管架更加實用、經濟、美觀，結構更加合理，能夠更長久的為生產服務，同時也將會成為廠區的又一亮點。

［1］ SH／T 3055－2007，石油化工管架設計規范［S］

［2］ GB50010－2010，混凝土結構設計規范［S］

［3］ GB50007－2011，建筑地基基礎設計規范［S］