支吊架在石油化工管道中的合理設計

李萌萌

摘 要：管道支吊架是保護化工管道的主要構件，它與管道的力學分析息息相關，因此在滿足應力分析的基礎上合理有效的選擇支吊架對管道設計人員是一項十分重要的工作。本文介紹了支吊架的結構組成、作用、應用場合及應力分析給我們的啟示等問題，最后結合實際情況闡述了支吊架在使用中存在的一些問題。要把管線和支吊架做為一個系統問題來處理，只有把這個系統做好了，在滿足工藝要求的前提下，管道設計才是優化的。

關鍵詞：化工管道;支吊架;分類方法;管道設計

1 支吊架的分類

支吊架按用途可以簡單分為以下三類：（1）承重支吊架（剛性支吊架、可調剛性支吊架、可變彈簧支吊架、恒力彈簧支吊架）;（2）限位支架（固定支架、止推支架、導向支架）;（3）減振支架（防振管卡、阻尼減振器）。

1. 1 承重支吊架

1. 1. 1 剛性支吊架

剛性支吊架在工程中應用的最多，它的理論剛度可以理解為無窮大，剛性支吊架僅限制管道一個方向的自由度。它常用于管道在支撐點無向上垂直熱位移和附加位移或支撐點有較小的向下位移和附加位移，但不會由此在管系中造成較大的管系力的情況下。可調剛性支吊架是一般剛性支吊架的一種特殊型式，它可以使支吊架的高度在一定范圍內得到調整，用于有少量豎直方向的熱位移或附加位移的場合。

1. 1. 2 彈簧支吊架

彈簧支吊架可以分為可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，恒力彈簧支吊架的理論剛度為零，可變彈簧支吊架的理論剛度系介于恒力彈簧和剛性支吊架之間，其數值等于彈簧產生單位變形所需要的力。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會造成一定的荷載轉移，為防止過大的荷載轉移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應控制在 25%以下。恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點垂直位移量較大或管系受力要求較苛刻的場合，恒力彈簧的恒定度應小于或等于6%，以保證支吊點發生位移時，支承力的變化很小。

1. 2 限位支架

限位支架是以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的的支架。當管系中的各點發生位移時，在管系中適當的位置設置限位支架，可以控制支撐點的位移或某些方向的位移，使管系的位移朝著有利于保護敏感設備或有利于熱補償的方向進行。

1. 3 減振支架

防振管卡能有效地控制管系的高頻強迫振動，應用之后，管道的剛度變大，支架對管道的阻尼作用也隨之增加，從而能降低管系的震動，并且它允許管道有一定的軸向位移而使管系不會因熱脹而破壞。阻尼減振器對連續強迫高頻振動的抑制效果較差，經常用于緩解瞬間激振引起的有阻尼自由振動。

2 支吊架的承載情況及其結構組成

2. 1 支吊架的承載情況

根據支吊架的類型及其對管道所起的作用不同，大體上承受如下幾類載荷：（1）管子及附件重量;（2）彈簧支吊架預壓所產生的作用力及其轉移至剛性支吊架的荷重;（3）活動支吊架的摩擦力;（4）管道熱脹冷縮產生的作用力和力矩;（5）管內介質的不平衡內壓產生的推力;（6）風載荷、雪載荷、地震等偶然載荷。上述每一種載荷都對支吊架本身起著關鍵的作用，在選擇時要充分考慮它們的存在。

2. 2 支吊架的結構組成

管道支吊架由三部分組成，既與管子直接接觸的附管部件、生根部件及中間部分。

2. 2. 1 附管部件

附管部件與管子直接連接，選用支吊架的時候我們必須考慮附管部件與管子材料及安裝條件的融合性，附管部件與管子可以直接焊接或管卡連接。在選擇兩種連接方式時應注意一些關鍵問題：直接焊接結構在如下工況下應禁止使用：（1）低溫管道;（2）高空敷設的合金鋼或有熱處理要求的碳鋼管道;（3）生產中需要經常拆卸檢修和高空敷設且不宜焊接施工的管道;（4）吊架支撐，且管內介質溫度≥400 ℃的碳素鋼管道。管卡結構應注意如下問題：（1）保冷管道應選用管卡型式，且管卡卡在保冷層的外層;（2）與不銹鋼管子相連時，應在管子與管卡之間設置非金屬墊層;（3）當在 DN≥50 的管子應用管卡時，應附屬有擋鐵;（4）當管子有保溫時，隔熱層不應遮擋管卡與中間連接件相連的部分;（5）當水平管子在工作狀態下有平面位移時，管卡宜與吊架配合使用;

2. 2. 2 生根部件

根據裝置總平面及管道布置的要求，支吊架一般生根在地面、建構筑物的梁或柱、平臺、設備本體等部位，無論生根在哪個部位都應滿足生根點的承載面積、載荷極限和與生根構件的連接方式等要求。

2. 2. 3 中間連接件

中間連接件起到的是過渡作用，它對被支撐的管子和生根部位不會產生直接的影響，一般只需材料本身的特性滿足要求即可，所以普通碳素鋼比較常用。例如，當某些中間連接件與高溫的被支撐管子或被生根設備較近時，材料應適應高溫的要求，當中間連接件為一些專用定型件時，其材料尚應符合定型部件的加工標準需要。

3 設置支吊架的位置

3. 1 管道允許基本跨距

管道的基本跨距是指管道相鄰兩承重支架之間的距離，此距離要保證管道既不會失穩，更不會發生強度破壞。對于水平連續敷設的管道，工程上以三跨連續梁作為計算模型，并按承受均布載荷分別根據剛度條件計算和強度條件校核其最大允許跨距，取二者中的較小值。不同管徑基本跨距的數值我們可以查閱相關資料直接選用，對于未端管道和水平拐彎管道按照基本跨距取相應的比例即可。

3. 2 承重支吊架位置的確定

承重支吊架除滿足基本跨距要求外，還應在下列情況下著重考慮：（1）應布置在靠近集中載荷的地方;（2）在敏感設備的附近，宜設置承重支架;（3）大直徑管道三通下應設置承重支架;（4）當有較大重量閥門與設備水平方向嘴子直接相連時，應在靠近嘴子處設置承重支架;（5）與立式設備嘴子相連接的管道，為減小設備嘴子承重，應在靠近嘴子處設置承重支架;（6）當裝置檢修或改造時，應考慮管道上附屬閥門，相連接的設備移走時管道的承重支撐。

3. 3 限位支架位置的確定

3. 3. 1 導向支架位置的確定

（1）水平走向管道，若距離較長，應根據管徑在水平管道適當位置設置導向支架;（2）不允許管道有徑向位移的位置，應設置導向支架;（3）管道波紋管和自身的 π 彎兩端，應設置導向支架;（4）立管長度較長時，外界自然風或管系內部介質流動會引起管道的震動，長期震動會造成管道焊口疲勞破壞，為避免這種情況的發生，應根據立管的長度和管徑大小，分段設置導向支架;（5）管道在走向改變的情況下，若走向改變處有較大熱位移，且和相鄰管道或結構等碰撞時，應在走向改變后適當位置設置導向支架。

3. 4 防振支架位置的確定

在使用防振支架時應保證其生根部分應有足夠的剛度，并且盡量生根在地面上，避免生根在其它結構上，以免振動傳遞而產生不利的影響，目前防振管卡應用的比較多，防振支架主要應用在如下場合：（1）有地震設防要求的管道;（2）可能發生水擊、兩相流等容易引起振動的管道;（3）有機械振動的管道。

4 管道應力分析對支吊架選擇作用

對于一般的管道，我們使用本文前面的方法，再結合工程實際經驗進行支架選擇，但是對于一些高溫高壓的大直徑管道，通過應力軟件進行詳細分析后，我們發現原有的支吊架需要做出調整或者重新選擇，這說明了分析前我們選擇的支吊架不合理，這對支吊架的選擇有著深刻的啟示。通過對一次應力及二次應力的理解，在通常的情況下，應力分析后會產生如下幾種與支吊架有關的問題值得我們注意：（1）支吊點的載荷或垂直位移過大，此時應考慮在支吊點設置彈簧支吊架，以增加管系垂直方向上的柔性;（2）限位支架所受水平力過大或二次應力超標，可能是固定支架或者止推支架的位置選擇不正確，使得管系的柔性不夠，不能吸收本身的變形量;（3）熱態水平位移過大，缺少固定點，應加固定或者止推支架;（4）一次應力或者冷態位移過大，此時應該在合理的位置加上支吊架;（5）設備受力超標，支吊架設計不合理，重新選擇。

參考文獻：

[1]易良英. 淺談工程中常用管道支撐的作用及分類[J]. 中國石油和化工標準與質量，2016，36（18）：50-51.