石油化工管線支吊架的計(jì)算分析

王 芙

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266000)

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)石化產(chǎn)品種類、質(zhì)量需求的變化，我國(guó)石化行業(yè)的發(fā)展迅猛，在新建項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)的同時(shí)，對(duì)原有的石油化工裝置進(jìn)行改造也越來(lái)越多。連接裝置、罐區(qū)等之間的管廊配套管線也隨之升級(jí)改造。鑒于改造項(xiàng)目的特殊性，支吊架對(duì)管線是否可以安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性更為突出。本文首先介紹了管線支吊架的種類，結(jié)合工程實(shí)例著重闡述了管線撓度的計(jì)算對(duì)支吊架選用的影響，可為石油化工管線設(shè)計(jì)提供參考。

1 石油化工管線支吊架簡(jiǎn)介

在石油化工管線工程的設(shè)計(jì)中，一般需要利用管線自然補(bǔ)償?shù)哪芰Γ侠碓O(shè)置支吊架位置和選擇支吊架類型。按管道支吊架的功能及用途，目前支吊架大致可以分為以下幾種類型：

僅考慮管道支撐應(yīng)力對(duì)支吊架的影響,可以分為支架或支吊架、導(dǎo)向架、限位架、固定支架和減震又或者隔振支架；根據(jù)支吊架的機(jī)械性能則可以分為剛性支架和彈性支架[1]。顧名思義，剛性支架是指在外力的作用下基本沒(méi)有形變的支架。彈性支架則是指在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形的支架，在與設(shè)備管口相連處考慮到沉降的不均勻性，使用較多。

1.1 支吊架的計(jì)算分析

在管線設(shè)計(jì)中尤其是改造工程中，最需要注意的往往是管線的跨度問(wèn)題。新建項(xiàng)目中由于場(chǎng)地較為空曠，可以依據(jù)需要設(shè)置管架或者管墩來(lái)支撐管線的自重和外載等。改擴(kuò)建項(xiàng)目中經(jīng)常受到種種限制，則支吊架的重要性就更為突出了。支吊架的合力運(yùn)用可以避免產(chǎn)生過(guò)量的撓度，在裝置內(nèi)部較為嚴(yán)格，一般將其控制在1.6cm以內(nèi)，以保證管線的振動(dòng)頻率不低于4次/秒；在裝置外部較為寬松，一般將其控制在3.8cm以內(nèi)，以保證管線的振動(dòng)頻率不低于2.55次/秒。

通常,連續(xù)敷設(shè)在管墩或者管架上的管道,其允許跨距(L)應(yīng)按三跨連續(xù)梁承受均布荷載的剛度條件計(jì)算，然后通過(guò)計(jì)算該管線的強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，比較其數(shù)值大小并取兩者中的最小值[1]。

1.1.1 剛度計(jì)算

根據(jù)上述表述，裝置內(nèi)和裝置外的管線跨距應(yīng)分別根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式(1-1)和(1-2)進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1-1)

(1-2)

式中,L1為由剛度條件決定的裝置內(nèi)管道跨距，m；L1＇為由剛度條件決定的裝置外管道跨距，m；Et為管材在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模數(shù)，MPa；I為扣除了管道的腐蝕裕量之后的斷面慣性矩，cm4；q為單位長(zhǎng)度管道的質(zhì)量，kg/m。

1.1.2 強(qiáng)度條件

在不計(jì)算管內(nèi)壓力的條件下，管線跨距應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式(1-3)進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1-3)

式中,L2為按照強(qiáng)度條件計(jì)算出來(lái)的管道跨距，m；W為扣除了管道的腐蝕裕量之后的斷面抗彎模數(shù)，cm3； [σ]為管材的許用應(yīng)力，MPa。

如果考慮到管道內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力值，即當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力的一半時(shí)，裝置內(nèi)部及外部的管道中，由管道的重量荷載和其它的持續(xù)性垂直荷載在管壁中引起的一次軸向應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)改管線額定許用應(yīng)力的一半，即在 的前提下，管線跨距應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式(1-4)進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1-4)

式中,[σ]t為管道材質(zhì)在對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

1.2 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

斷面慣性矩I和斷面抗彎模數(shù)W應(yīng)按照下式(1-5)和(1-6)進(jìn)行計(jì)算[3]：

(1-5)

(1-6)

式中,D0為管道內(nèi)徑，mm；Di為管道內(nèi)徑，mm。

2 工程實(shí)例分析

2.1 實(shí)例簡(jiǎn)介

某石化煉廠的裝置和原料罐區(qū)的改造項(xiàng)目，需要新增一條DN100的碳鋼管線，經(jīng)實(shí)地查看發(fā)現(xiàn)裝置至主管廊之間有一條消防道路，路寬6m；有一跨路桁架連接裝置與主管廊，桁架為單層。管架-1和管架-2間距為10m，目前跨路桁架已經(jīng)布滿管線，余下空間不滿足此管線的鋪設(shè)條件。桁架北側(cè)邊緣位置敷設(shè)有電纜槽盒，北側(cè)外圍無(wú)法在滿足間距要求的情況架設(shè)三角支架以支撐此管線。桁架南側(cè)已有三角支撐且其上已敷設(shè)有DN300的原料管線。管架-1和管架-2之間雖有側(cè)梁連接，但卻無(wú)法作為生根構(gòu)件放置支架，管線本身的跨距卻又不足。原有三角支架的長(zhǎng)度也不滿足將DN100管線增徑的方案。只能借助原有的DN300管線設(shè)置鄰管支架，以提供必要支撐供新增DN100管線跨過(guò)道路，詳見(jiàn)圖1。但DN300的管線是否可以在保證自身安全的條件下給新增管線提供支撐卻需要核算。

圖1 工程實(shí)例圖

2.2 理論模型

2.2.1 無(wú)外力時(shí)管道受力模型

此工程實(shí)例中鑒于客觀條件所限，無(wú)法在原鋼結(jié)構(gòu)梁上增設(shè)支吊架。通過(guò)分析認(rèn)為，此次新增跨路架空敷設(shè)的管線，可以看成為管架-1和管架-2兩端受彈性支撐的梁結(jié)構(gòu)，此種簡(jiǎn)化的力學(xué)模型稱為變形梁模型[4]。如圖1中所示，A、B為橫梁的兩個(gè)端點(diǎn)的支承點(diǎn)，q為單位面積上的承受的均布荷載，包括管線自身重量和介質(zhì)重量等，方向一般為豎直方向[5]，模型詳見(jiàn)圖2所示。

圖2 無(wú)外力時(shí)管道受力模型

2.2.2 僅受外力時(shí)管道受力模型

在原DN300管線上增設(shè)的鄰管支架，放置于管架-1和管架-2連線的中點(diǎn)C的位置，此受力情況可將模型簡(jiǎn)化[5]，詳見(jiàn)圖3所示。

圖3 僅受外力時(shí)管道受力模型

2.2.3 擬合受力模型

管線受到自身均布荷載q和施加于橫梁中心點(diǎn)的集中載荷F的交叉作用影響，將上述兩種受力情形下的中點(diǎn)撓度的數(shù)值相疊加(應(yīng)注意作用力方向不同，引起的管線形變方向的不同。)，變得到二者共同作用時(shí)所產(chǎn)生的撓度值[5]，此情形下的模型詳見(jiàn)圖4所示。

圖4 管道受力擬合模型

2.3 模型數(shù)學(xué)化

2.3.1 無(wú)外力時(shí)管道受力模型數(shù)學(xué)表達(dá)式

此情形下的數(shù)學(xué)表達(dá)式[6]如(2-1)所示：

(2-1)

式中，w1表示管線在本身重量下(包括介質(zhì)重量等)的均布荷載q作用之下產(chǎn)生的撓度。

2.3.2 僅受外力時(shí)管道受力模型數(shù)學(xué)表達(dá)式

此情形下的數(shù)學(xué)表達(dá)式[6]如(2-2)所示：

(2-2)

式中，w2表示管線在集中荷載F作用之下產(chǎn)生的撓度。

2.3.3 擬合受力模型數(shù)學(xué)表達(dá)式

根據(jù)上述分析可以得出合力共同作用下管線的撓度數(shù)學(xué)表達(dá)式[6]，如(2-3)、(2-4)所示：

外力垂直向上時(shí)w=w1-w2

(2-3)

外力垂直向下時(shí)w=w1+w2

(2-4)

3 計(jì)算與分析

因原有的DN300管線提供了垂直向上的力F支撐新增DN100的管線，故其本身受到垂直向下的外力通過(guò)觀察式(2-4)可知，其撓度較未受外力作用時(shí)增大。因新增DN100的管線受到垂直向上的外力F，通過(guò)式(2-3)可知，其撓度較未受外力作用時(shí)減小。

取Fmax代入第2章節(jié)數(shù)學(xué)表達(dá)式中進(jìn)行核算，原有DN300管線的撓度小于3.8cm，滿足安全運(yùn)行要求，則上述方案是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

但本文在擬合自身荷載與外力共同作用下管線撓度的計(jì)算公式時(shí)，采用的外力數(shù)值較實(shí)際情況仍偏大，需要對(duì)此進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，以便后續(xù)工作中在保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品安全的同時(shí)使工程建設(shè)成本進(jìn)一步降低。