減小管廊固定點推力的方法探討

符瑋佳

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

隨著石油化工及煤化工生產裝置規模的逐步擴大，外管廊上高溫、大尺寸管道屢見不鮮，這類管道因管徑或壁厚較大，在進行管道布置時若考慮不周，不僅管系的穩定性差，往往也會對管廊固定點產生較大的推力，最終造成結構設計困難,管廊柱尺寸巨大,比例失調,影響美觀。如何減小管道對管廊的推力已經成為管廊設計中需要重點考慮的一項內容。

根據《化工工程管架、管墩設計規范》GB 51019-2014中4.3.1條所述，當活動管架(不包括支承有振動管道的管架和跨越式管架)所支承的管道符合下列條件之一時，可忽略水平推力：①常溫管道，介質的溫度不超過40℃；②管道根數在10根以上，且最高溫度低于130℃；③主要熱管道重量與全部管道重量之比小于0.15。因此，本文主要以高溫火炬、蒸汽管線為例，探討幾種在外管設計中常見的減小固定點推力的方法。

1 減小固定點推力常用方法

目前在進行管廊設計時，通常會提前規劃火炬及主要蒸汽管線的布置，其中，采用低摩擦滑動管托，以及通過方形補償器來減小管道對固定點推力的方法在設計中都比較常見。此外，蒸汽管線還能通過設置旋轉補償器、冷緊等方法來降低其對管廊固定點的推力。

1.1 方形補償器

方形補償器適用范圍廣、制造簡單方便、安裝方向靈活,既可以在水平方向進行安裝，又可以設置在垂直方向，有較大的補償能力。通過彎頭變形吸收管道自身所產生的熱應力，從而降低管道對固定點的推力。其運行可靠，使用期限等于管道使用年限，且不需要設置檢修平臺。缺點是對空間要求比較大，設置在大尺寸蒸汽管道上的立體方形補償器(見圖1)，需要考慮上翻或下翻彎頭所占用的空間，往往對管廊層間距要求苛刻。而火炬管線為避免液袋，常采用平面方形補償器(見圖2)，且一般都需要在管廊外立柱子支撐，尤其是在大型煤化工項目中，多根火炬管道共架敷設放在同一層，管道兩端固定點推力大，對結構要求高。

圖1 立體方形補償器

圖2 平面方形補償器

在滿足管線應力的基礎上，增加方形補償器的外伸臂長度在一定程度內可有效減小管道對兩端固定點的推力。在管道設計中，一般優先考慮采用該方法來減小管線推力到一個理想值或者所能達到的極限值。

1.2 旋轉補償器

旋轉補償器常用于蒸汽管道。它不但可以補償長距離直線管段，也能利用管道的自然轉角、高差等實現補償，具有補償量大、布置靈活、耐高壓、無內壓推力等優點。與其他補償器相比，旋轉補償器大大減小了管道對固定點的推力，減少了管道上固定支架的設置數量，降低了工程造價；同時，也能夠改善管系的應力情況，增加管系運行的安全性，具有優越的性能[1]。旋轉補償器兩端附近均設置彎頭，管廊層間距應滿足配管需求，再者因其允許的熱變形位移量大，也需在變形方向預留較大的空間。對于位移量較大的位置，還要考慮管托加長或偏裝。

本著安全、經濟、合理的原則，部分高溫、大尺寸蒸汽管線采用旋轉補償器(見圖3)，避免了管線因膨脹量過大，方形補償器密集，或固定點受力過大的現象。對于火炬管線，考慮到坡度設計困難且物料成分復雜，故不建議使用。

圖3 蒸汽管線上使用的旋轉補償器

1.3 管道冷緊

冷緊是在管道設計時預先使管道變形，使之產生所要求的初始位移和應力，以平衡初始位移和最終位移狀態下的應力值。通過冷緊，使管道在冷態下承受一定的拉力，以抵消管道熱膨脹的位移，降低管道在初期運行工作狀態下的熱脹應力和對固定點的推力。

當冷緊值取管道由冷態至操作溫度的膨脹量的一半時，冷態和熱態的荷載相同。隨著溫度的升高，管道由于冷緊而產生的拉應力經過無應力狀態至壓應力狀態，冷態和熱態各只有一半的荷載作用在固定點上。《電廠動力管道設計規范》GB 50764-2012中9.5.2規定，設計溫度在430℃及以上的管道宜進行冷緊，冷緊比不宜小于0.7；當需要減小管道在工作狀態下對設備的推力和力矩時，可進行冷緊。冷緊有效系數，對工作狀態取2/3.對冷狀態取1。

冷態時，固定點受力取下者中較大值

熱態時固定點受力

式中，γ為冷緊比；F為按全位移量和常溫下鋼材彈性模量計算的對固定點的作用力；E為鋼材常溫下的彈性模量；Eh為鋼材熱態時的彈性模量；σh為鋼材熱態時的基本許用應力；σf為按全位移量和常溫下鋼材彈性模量計算的管道熱脹許用應力范圍，σf=f(1.25σc+0.25σh)；σc為鋼材冷態基本許用應力；f為交變次數的應力降低系數[2]。

外管設計中，管道冷緊常與方形補償器相結合。對于高溫蒸汽管道，當使用方形補償器且膨脹量較大時，可考慮通過冷緊吸收熱位移，同時也在一定程度上降低了管線對固定點的推力。通過合理的設計計算，管道冷緊并無太大的缺點，但隨著管徑的增大，預制過程愈加困難。

1.4 低摩擦滑動管托的選用

隨著管徑、壁厚的增大，管道的摩擦力對固定點的影響愈發的明顯。管道摩擦力

P=μqL

式中，P為管道摩擦力，N；μ為管托與管架摩擦系數；q為管道單位長度的設計荷重，N/m；L為管道長度，m。

根據上述公式可以得出，通過減小管托與管架的摩擦系數可降低管道的摩擦力。減小摩擦系數的一般做法是選用低摩擦滑動管托，原理是在管托底部增加聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯板與鏡面不銹鋼板組成滑動摩擦副。在應力計算時，普通滑動管托摩擦系數通常取0.3，增加了摩擦副后可按0.1考慮。

對于大尺寸高溫火炬管道來說，選用低摩擦滑動管托減小其對固定點的推力具有一定的必要性。近年的大型煤化工、石化項目中，越來越多的大尺寸、高溫蒸汽與熱火炬管道選擇使用低摩擦滑動管托，這也是未來的發展方向。

1.5 大拉桿橫向型波紋補償器

大拉桿橫向型補償器是由兩個相同的波紋管及端管、端板和拉桿組成的撓性部件。通過波紋管的角偏轉可吸收管道的橫向位移。

當縱向管段的內壓推力使兩側直管段縱向伸長時，大拉桿承受內壓推力起固定作用，避免補償器的波紋軟管伸長拉破。這時，補償器的中間管段和波紋管不承受內壓軸向力。當橫管段因溫度變化或因內壓推力產生位移時，大拉桿組成的矩形結構可以作為平行四邊形變形，這時補償器兩端波紋管發生相反的變形，使橫管段在橫向自由位移，吸收了應力(見圖4)[3]。

圖4 大拉桿橫向型波紋補償器工作原理示意圖

大拉桿橫向型波紋補償器具有結構簡單、補償能力強、可吸收各方向橫向熱膨脹、無橫向內壓推力等優點。在外管設計中，采用該補償器可有效地減小管道對固定點的推力，通常在L彎處使用。

目前火炬管線是否能使用波紋補償器尚存在爭議，根據《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》SH 3009-2013，7.2.1條文解釋可以看出，改造項目不完全否定這種可能。火炬管道使用波紋補償器的問題在于風險，當管道存在積液時，它極易損壞。國內曾發生過幾起因波紋補償器引起的火炬氣排放管道失穩脫架、斷裂事故。目前也不乏有些在火炬管道上設置波紋補償器且運行狀態良好的項目，但是能否常規使用還有待于觀望。可以說設計合理、施工規范、產品自身質量好，波紋補償器的使用壽命相對較長，如果不能保證，勿要冒風險隨意選用。

1.6 其它方法

除了上述方法外，在設計時首先還要考慮錯開管道固定點的位置，減少不同管道集中對某固定柱的推力。其次，通過固定點兩側管道的對稱布置也能抵消對中間固定點的大部分推力。另外非火炬、且有較大推力的管道可根據實際情況，選擇布置在管廊較低層，從而減小推力帶來的彎矩效應，起到優化結構設計的作用。再者可通過將推力大的管線與推力小、重量大的管線布置在同一層，增大牽制力，從而減小固定點的整體推力。

L彎處的固定點一般是管廊上受力比較大的位置。當固定點位置確定時，L彎對固定點的推力一定，有時可通過增大固定點另一側推力來抵消部分L彎造成的推力。如圖5，L彎長臂L1對固定點A向左的推力大，可縮短A點左側方形補償器的外伸臂長，增大左側管線對A點向右的推力，左右兩方向推力的合力減小，即整體上減小了該點的推力。

圖5 L彎處固定點

2 工程實例分析

某煤化工改造項目局部南北向老管廊3m寬，現考慮加層。部分新增管線由該管廊南端送入，經此管廊送至各裝置，管線參數見表1。

表1 新增管線參數

由于火炬、蒸汽管線熱位移較大，中途需考慮熱補償，綜合計算后，取中間段92m長做一組補償(南側固定柱A，北側固定柱B)，其余兩端自由膨脹。由于B柱的南北兩側均有大量管線接入管廊西側氣柜，導致此處無法做斜撐加固管架，經結構專業核算，要求盡量將此處新增軸向推力降至2t(約19600N)以下，側向推力小于1t(約9800N)，以滿足原有管架的推力要求。

2.1 初步方案

2.1.1 加壓煤氣、火炬管線布置思路

因PG和NF管線有坡度要求，不允許有液袋，且PG管線在B柱北側接入管廊西側氣柜，火炬管線在B柱北側30米處向東送至老廠火炬，決定將PG管線布置在NF西側。PG管線溫度不高，可只在A柱固定，B柱附近自由膨脹。

NF管線在A、B柱固定，做一組方向補償器即可解決熱膨脹問題。由于管廊寬度較窄，不能滿足補償器外翻的支撐要求，需要在管廊東側靠近AB柱中間的位置增加柱子支撐。通過手算熱膨脹量，查補償線算圖以及現場地管位置，確定管架外伸6.5m。

2.1.2 蒸汽管線布置思路

以A、B柱為固定點，粗算LPS1管線92m膨脹量約為200mm，考慮跟火炬管線一同做一組方形補償器，B柱北側自由膨脹。

2.1.3 固定點推力計算

綜合上述考慮， PG管線對固定點的推力可忽略，通過CAESAR II軟件分別計算NF、LPS1管線在B柱的受力情況，結果見表2。此處軸向力以向北為正，側向力以向西為正。

表2 初步應力計算結果 (N)

結論：側向推力小于9800N滿足結構要求，軸向推力大于19600N不滿足要求。

2.2 方案優化

2.2.1 增加方形補償器外伸臂長

優化：在滿足支撐的前提下，將NF管線補償器外伸臂長增加1.5m，LPS1增加2m。B柱管線應力計算結果見表3。

表3 增加方形補償器外伸臂長后的應力計算結果 (N)

結論：側向推力滿足結構要求，軸向推力減小，但依然不滿足要求。

2.2.2 火炬管線采用低摩擦滑動管托

B柱管線應力計算結果見表4。

表4 火炬管線采用低摩擦滑動管托后的應力計算結果 (N)

結論：推力基本滿足結構要求。

2.2.3 蒸汽管線采用冷緊

優化：在蒸汽方形補償器兩側進行冷緊。冷緊比選用0.7。B柱管線應力計算結果見表5。

表5 蒸汽管線冷緊后的應力計算結果 (N)

結果：推力滿足結構要求，且有余量。

2.3 結果討論

根據第一次應力計算結果可以看出，火炬管線自身的推力就已經超出了要求，所以,本問題的關鍵點在于如何降低火炬管線的推力。通過加長方形補償器外伸臂以及采用低摩擦滑動管托的方法就能使火炬管線推力降至2t以下。而蒸汽管線還可通過冷緊，進一步降低對固定點的推力，使總推力明顯小于要求值，增大結構的富余量。

通過調整方形補償器的尺寸來改變固定點受力是一種比較簡便、經濟的方法，在設計中通常優先考慮。除上述方法之外，也可嘗試減小蒸汽管線固定點間距、使用旋轉補償器等方法。若均不能滿足要求，則需考慮改變管廊方案，將新增的東側柱子改至西側。因為西側有較大空間，允許火炬管線補償器外伸臂伸的更長，但此時需要煤氣管線一同翻出，所以不做第一方案考慮。

3 結語

在新建項目中，外管廊固定點推力一般都滿足設計要求，但因在設計初期，受上游條件制約，配管研究、管架布置考慮得并不全面，固定柱受力大小考慮得比較保守，后期可能在經應力復核后，需要不斷修改管道布置，才能滿足結構受力要求。本文旨在提供一些思路，能在設計初期多考慮，合理優化配管。而一些老廠改造項目中，固定點推力不夠的問題就顯得比較突出，這時往往需要采用一種或多種方法組合來解決管道推力超出問題。但具體采用哪種方法則要根據實際情況，如管道特性、空間、業主要求等來決定。