化工裝置管道支吊架設置原則與管系柔性設計

劉 敏

(湖北省化學工業研究設計院，湖北 武漢 430074)

管道支吊架是管道系統的重要組成部分，它直接影響到管系強度的安全可靠性，在管道布置工程中是必不可少的。所有管道布置都必須借助各種不同形式、不同功能的支吊架來完成。支吊架不僅僅起著支撐管道的作用，即承受管道的垂直載荷，還需要承受各方面的力和力矩，只有這樣，管道和與之相連的設備的安全才能得到保證[1-2]。隨著化工工業的發展，裝置的大型化導致管徑也相應增大，對支吊架的設置要求也越來越高。

1 管道支吊架的分類

根據管道支吊架的作用可以將其分為三大類：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、隔熱或隔聲結構荷載或管道中介質的荷載等。

(2)限制性管架：用以限制和約束因熱脹而引起的管道在任一方向的位移。

(3)減震架：專門用于控制管道的振動，常用于限制和緩和往復式機泵進出口管道和由地震、動載荷包括安全閥排出反力引起的管道振動。

2 管道支吊架布置的基本原則[3]

管道支吊架的位置應考慮以下原則：

(1)除振動管道外，應盡可能利用已有的建構筑、構筑物的梁柱作為支架的生根點，且要核實生根點的構架和所能承載的荷載是否滿足支吊架的生根要求和承載能力。

(2)管道支吊架不應設置在管道與設備連接和檢修的部位。

(3)對于有集中載荷的地方，管道支吊架位置應盡量靠近集中載荷處，以保持管道應力最小。

(4)靠近管系的兩端，當管系與設備相接時，盡可能靠近設備管嘴，以減少其受力。

(5)支吊架應設在彎管和大直徑三通分支管附近。

(6)管系中有較長的垂直管道時，應在垂直管段的上部及下部設承重支架，中間設置導向支架。

(7)對于復雜管系，可用固定支架將其分成幾個簡單的管段，支架位置應考慮有利于兩點之間管段的自然補償。

(8)∏形補償器應設置在兩固定支架之間。∏形補償器與支架之間的距離不宜小于兩支架間距的1/3；水平管道上的∏形補償器兩側應設置導向支架，兩者之間的間距應為32DN～42DN。

(9)當管道直線距離較長且中間無固定點和止推支架，或管道橫向位移過大影響鄰近管道，或安全閥出口的放空管道，或宜產生振動的兩相流管道，應在這些管道上設置導向支架。

(10)在管道的自然補償的位置如彎頭、分支處，不應設導向支架。

(11)應在有可能發生水擊、兩相流等并能引起振動的管道上設置止推支架。

(12)防振支架宜單獨設立，盡量生根于地面的管墩或管架上，以免將振動傳遞到建筑物上。

3 管系的柔性設計

通常情況下，管系的走向并不是以完成有利于管系的柔性來確定的，而是應首先滿足管道與設備的連接位置、支吊架的生根條件、工藝條件、操作條件、安全消防等要求，并在滿足這些要求的基礎上做到盡可能的節省。在這種情況下確定的管系若能滿足柔性的要求，即為最佳方案。如果這種情況下不能滿足柔性的要求，則可適當調整管道的走向或支吊架的類型使其柔性得到滿足。

(1)在管道布置過程中，如碰到介質溫度較高、管道直徑較大、管道壁厚較厚或者與敏感設備相連的管道時，應在滿足其它要求的情況下有意識的關注管系的柔性問題，并在管系走向與結構尺寸上適當予以考慮，盡可能的形成自然補償，從而做到運行可靠，投資又少。

(2)將某些剛性支吊架改為彈簧支吊架可以增加管系的柔性。彈性支架對管系有一定的約束作用，但同時又允許它沿約束方向有一定的位移，因此能緩解支架的約束作用，從而增加管系的變形能力。

(3)通常情況下，設備管口沿著管口方向的剛度較大，而垂直于管口方向的剛度較小。因此可以通過改變管系與設備管口的主要連接方向，沿設備管口剛度較小的方向布置管系的主要熱膨脹方向，在滿足管口受力要求的情況下充分利用設備管口的柔性[4]當然，這種利用設備管口的柔性緩解管系柔性矛盾的潛力很小。

(4)利用補償器增加管系柔性。管道補償器自身剛度較小，可以有效吸收管系的熱膨脹力，達到緩解管系中的應力和對邊界約束的附加力的作用。常見的管道補償器有波形補償器、套管式補償器和球形補償器。對于非工藝管道，當符合下列情況時，可考慮采用柔性管件進行熱補償：受設備布置、空間、支撐條件等限制，無法采用自然補償時；當管系對相連設備管口或支撐結構的推力太大時；對于大直徑管道，采用自然補償并不比用柔性管件補償更經濟時；與有較大不均勻沉降的設備相連接時。

(5)摩擦力對管系柔性的影響。管系中的管線在受熱膨脹時會產生移動，從而造成管線與其接觸面或支撐面之間產生摩擦力，這將會影響管線的熱膨脹，降低管系的柔性。因此當產生的摩擦力較大且會危及到支架的安全時，往往將其承重支架改為滾動支架或自潤滑低摩擦支架等。

4 結論

管道的支吊架設計是伴隨著管道布置進行的。配管工程師在確定管道走向時就應初步考慮可能的支撐點、生根條件和支撐型式，待管系的力學分析完成后再對其進行調整優化，最終使得管道布置既能滿足強度要求又符合管道布置的一般要求。因此管道支吊架的設計應與管道布置及管系力學計算緊密配合、合理調整，才能做出優良的管道設計。