管道及支吊架間距選擇差異研究

曹傳勝，唐暢

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040）

1 前言

目前，國家提出“碳達峰、碳中和”目標：力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，力爭在2060年前實現碳中和。電力行業是中國最大的煤炭消耗和碳排放部門，控制電力行業煤炭消費總量對于中國實現雙碳目標意義重大。我國存量煤電需要從碳達峰、碳中和大局出發，因地制宜推進供熱改造、余熱利用，提高能源利用效率。

設計院進行煤電站供熱改造設計時，涉及到市政熱網、工業管道等的設計，將首先面臨不同行業規范的差異帶來的設計差異。本文以管道壁厚選型及支吊架間距選擇為例，探討不同行業規范所帶來的差異，以便設計人員合理分析使用。

在管道選型計算中，管道壁厚的計算尤為重要，壁厚的選取關系到管道系統運行的安全性。王品賢等針對長輸原油管道，研究分析了中國、俄羅斯、美國和加拿大管道設計標準中管道壁厚計算方法的差異以供設計參考。劉曉紅等針對石化行業對國內外管道壁厚設計差異進行了對比研究。已有文獻中關于電力行業與其他行業管道壁厚計算差異的對比研究很少。本文以電力行業動力管道，石化工業管道，市政熱力管道等國家、行業規范為依據，分析不同的規程規范所帶來的管道壁厚選擇差異。

在管道支吊架的布置設計中，應選取合適的支吊架間距，以保證管道的安全、穩定、經濟運行。高曉頻等對電力行業及石化行業管道支吊架間距計算標準進行了比較分析，發現因行業特點和相關數據取值不同，造成管道支吊架間距計算值差異較大，但論文中引用的多個規范現已作廢。本文基于最新規范，對比了電力行業、市政行業、石化行業等關于支吊架間距的計算規定，以研究不同行業中支吊架間距選擇之間的差異，達到設計經濟性與安全性的目的。

2 管道壁厚選擇研究

2.1 國家標準GB/T 20801-2020

本規范適用于公稱壓力小于或等于PN420的工業金屬管道的設計。規范同時規定：本規范不適用于GA類長輸管道、GB類公用管道、GCD類動力管道等。

規范條文6.1規定，直管的內壓設計中，當t＜D/6 時，直管的計算壁厚t按式（1）計算，取用壁厚按式（2）計算：

式中定義了焊件的縱向焊接接頭系數或鑄件質量系數φ，以及焊縫接頭強度降低系數W。C1是材料厚度負偏差，C2是腐蝕、沖蝕裕量，C3是機械加工深度，Δ是厚度圓整值。

關于計算壁厚，本規范計算方法與其他標準規范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012給出的計算方法基本相同。

關于取用壁厚，本規范中未考慮對口加工余量的影響，這與適用電力行業的規范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016不同，因此，相對而言，本規范管道取用壁厚會小于電力行業管道取用壁厚。

2.2 國家標準GB 50764-2012與行業標準DL/T 5054-2016

GB 50764-2012標準適用于火力發電廠范圍內輸送蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等介質的管道設計。DL/T 5054-2016規范適用于火力發電廠范圍內汽水金屬管道設計，不適用于給排水管道、消防水管道和直接空冷機組大口徑薄壁拍攝管道的設計。關于管道壁厚計算的規定，DL/T 5054-2016與GB 50764-2012一致。

管子的計算壁厚按下式計算：

式中，ω是焊縫接頭強度降低系數，C是腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，C1是直管壁厚負偏差附加值。管子的取用壁厚，應計入對口加工裕量，計入對口加工裕量的取用壁厚應符合下列規定：對于以外徑乘以壁厚標識的管子，宜取用壁厚大于或等于計算壁厚加0.5倍外徑正偏差值。管子的管徑偏差應取用相應的管子產品技術條件規定值。

以上，可知電力行業規范規定了管道壁厚選擇中應考慮焊縫接頭強度降低系數以及對口加工裕量。

2.3 行業規范CJJ 34-2010

本規范適用于供熱熱水介質設計壓力小于或等于2.5MPa，設計溫度小于或等于200℃；供熱蒸汽介質設計壓力小于或等于1.6MPa，設計溫度小于或等于350℃的下列城鎮供熱管網的設計：（1）以熱電廠或鍋爐房為熱源，自然源至建筑物熱力入口的供熱管網；（2）供熱管網新建、擴建或改建的管線、中繼泵站和熱力站等工藝系統。

規范條文9.0.3規定，地上敷設和管溝敷設供熱管道的許用應力取值、管壁厚度計算、補償值計算及應力驗算應按現行行業標準《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》（DL/T 5366），而標準DL/T 5366-2014[12]中規定的管道壁厚計算方法與國家標準GB 50764-2012與行業標準DL/T 5054-2016一致。因此市政行業熱力管道規范CJJ 34-2010中的壁厚計算與電力行業保持一致。

2.4 行業規范SH/T 3059-2012

本規范適用于石油化工裝置中公稱壓力不大于PN420（CL2500）、設計溫度不超過材料允許使用溫度范圍的管道組成件的選用。

本規范條文8.2.1 受內壓直管的壁厚計算應符合下列規定：當直管的計算壁厚t小于管子外徑D0的1/6時，直管的計算壁厚應按式（5）計算，管子的名義壁厚應按式（6）計算：

式中,定義了焊縫系數φ，以及焊縫接頭強度降低系數W。C1是材料厚度負偏差，C2是腐蝕、沖蝕裕量，C3是機械加工深度，C4是厚度圓整值。該式考慮了焊縫強度降低系數，但是未考慮對口加工裕量，這與電力行業規范不同。

表1內容對比了標準規范GB/T 20801.3-2020、GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012中關于管道壁厚的選擇公式，如表1所示，其中對于焊縫接頭強度降低系數而言，以上規范均已考慮；對于對口加工裕量，GB/T 20801.3-2020、SH/T 3059-2012未予考慮。整體而言，電力行業管道壁厚的選取相對大于其他工業管道。因此，在電力設計院擴展業務至其他行業管道設計時，應相應選取相應行業的設計規范，力求達到管道設計的安全性與經濟性。

表1 各標準規范中壁厚計算公式差異對比

3 管道支吊架間距計算分析

3.1 國家標準GB/T 17116.1-2018

本標準適用于圓截面金屬管道的支吊架裝置。本標準為2018版本，被代替版本是GB/T 17116.1-1997。在兩個版本的標準總則中，都明確指出：“除符合本標準的規定外，還應符合各類管道有關的國家現行規范的要求?！?/p>

條文6.14規定，近似水平布置的管道應控制一定的支吊架間距，以保證管道不產生過得的撓度、彎曲應力和剪切力。水平直管道的支吊架間距應滿足下列要求：

（1）強度條件：應控制管道自重產生的彎曲應力，使管道的持續外載當量應力在允許的范圍內；支吊點之間水平直管的最大自重彎曲應力αmax計算公式是：

單跨簡支梁：

三等跨連續梁：

（2）剛度條件：應控制管道自重產生的彎曲撓度，使管道在安全范圍內使用并能滿足疏水和介質排放的要求。對于可能產生振動或有抗地震要求的管道，還應根據其振因控制管道的撓度，使管道的固有頻率值在適當的范圍內。支吊點之間水平直管的最大自重彎曲撓度和固有頻率fn計算公式是：

單跨簡支梁：

三等跨連續梁：

水平直管的支吊架間距應取按強度條件和剛度條件求得的支吊架間距的較小值。

以上即為GB/T 17116.1-2018給出的支吊架間距計算條文。在該規范的1997版中，曾說明“許用應力值不宜大于16MPa，彎曲撓度值不宜大于2.5mm”，但在2018年的版本中，已經刪除上述取值規定。因此GB/T 17116.1-2018條文中并未給出許用應力的范圍，也未給出彎曲撓度取值范圍。

3.2 國家標準GB 50316-2008版本

本標準適用于公稱壓力小于或等于42MPa的工業金屬管道及非金屬襯里的工業金屬管道的設計。規范同時規定：本規范不適用于電力行業的管道、長輸管道、城鎮公用管道等。

條文10.2.7規定，水平管道支吊架最大間距應滿足強度和剛度條件。強度條件是控制管道自重彎曲應力不應超過設計溫度下材料許用應力的一半。剛度條件是限制管道自重產生的彎曲撓度，一般管道設計撓度不應超過15mm。裝置外管道的撓度允許適當放寬，但不應超過38mm。敷設無坡度的蒸汽管道，其撓度不宜超過10mm。其他有特殊要求的管道需采用更小的撓度值時，可按國家現行標準執行。

本標準并未具體給出強度條件和剛度條件的計算間距公式，僅給出了最大彎曲應力和最大彎曲撓度的取值，且這兩個值的大小均遠大于電力行業規范相關的取值規定，下面將詳細分析。

3.3 國家標準GB 50764-2012

本標準適用于火力發電廠范圍內輸送蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等介質的管道設計。

條文10.2中規定，水平管道支吊架間距，應滿足強度條件和剛度條件的要求。

（1）強度條件：

（2）剛度條件：

條文規定水平直管最大彎曲應力為16MPa，最大彎曲撓度為2.5mm，這兩個值的取值遠小于GB 50316-2008和SH/T 3073-2016中的取值。本標準并未考慮管道固有頻率等因素。

3.4 行業規范DL/T 5054-2016[9]

本規范適用于火力發電廠范圍內汽水金屬管道設計，不適用于給排水管道、消防水管道和直接空冷機組大口徑薄壁拍攝管道的設計。

條文8.2中規定，水平直管的支吊架允許間距應按管道強度條件及剛度條件來確定，取兩個條件確定的支吊架間距的較小值。

（1）強度條件要求，單跨管道按簡支梁計算，管道自重引起的最大彎曲應力不應大于16Mpa：

按照強度條件，只考慮管道自重均布荷載的水平直管道的允許支吊架間距應按下式計算：

（2）剛度條件應按單跨管道簡支梁計算，其最大撓度值不應大于2.5mm：

按照剛度條件，只考慮管道自重均布荷載的水平直管道的允許支吊架間距應按下式計算：

從以上條文可知，DL/T 5054-2016與GB 50764-2012所采用的計算公式和取值均相同。

3.5 行業規范SH/T 3073-2016

本規范適用于石油化工鋼制管道支吊架的設計。

條文6.1規定，水平管道支吊架的最大間距應滿足強度和剛度條件。強度條件是控制管道自重彎曲應力不應大于設計溫度下材料許用應力的一半；剛度條件是限制管道自重產生的彎曲撓度，裝置內管道的撓度不應大于15mm；裝置外管道的撓度不應大于38mm；敷設無坡度的蒸汽管道的撓度不宜大于10mm。該規定與GB 50316-2008一致，且最大彎曲應力和最大彎曲撓度取值遠大于電力行業規定。

條文6.2規定，連續水平敷設的管道，其允許跨距應按三跨距連續梁承受均布荷載的剛度條件和強度條件計算，并取兩者中的較小值。

（1）按剛度條件計算時，裝置內的管道跨距應按公式（19）計算，裝置外的管道跨距應按公式（20）計算：

（2）按強度條件計算時，不考慮內壓的管道跨距應按公式（21）計算，考慮內壓的管道跨距應按公式（22）計算：

條文6.3規定，對于不允許積液并帶有坡度的管道，管道跨距除滿足以上強度和剛度要求外，還應滿足公式（23）的要求：

以上即為石油化工行業管道支吊架間距計算規定。石油行業管道間距剛度條件與強度條件計算按三跨連續梁計算，這與電力行業（DL/T 5054-2016）按單跨計算不同。抗彎斷面系數、管子截面慣性矩是以管子扣除腐蝕裕量和負偏差后為基準的，這與其他標準不同。

3.6 美國標準ASME B31.1-2016

本標準適用于基于典型的發電站、工業和公共設施電廠、地熱系統、集中及區域供熱和冷卻系統的管道。

本標準中表121.5給出了DN25至DN600的水、蒸汽、燃氣、空氣管道的建議最大支吊架間距。其要求管道的最高溫度不超過700℉（400℃），彎曲應力不超過2300psi（15.86MPa），彎曲撓度不超過0.1in（2.5mm）。該規定中關于對最大彎曲應力和最大彎曲撓度的規定，與GB 50764-2012及DL/T 5054-2016基本一致。

3.7 支吊架間距實例計算

本文以相同參數下，不同規格的水管道和蒸汽管道為例，分別按照電力行業規范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行業規范SH/T 3073-2016相關規定，計算得到強度和剛度條件下的支吊架間距，如表2所示。由表2可知，對蒸汽管道和水管道而言，石化行業規范所得間距與電力行業規范所得間距差距較大。強度條件下，前者是后者的1.95倍；剛度條件下，裝置內管道前者是后者的1.86倍，裝置內管道前者是后者的2.29倍。

表2 支吊架間距計算表格

因此，電力行業與其他行業的支吊架間距選取存在差異。電力行業設計院在擴展業務至其他行業時，應因地制宜，選取相應行業的標準規范，力求保證設計的安全性與經濟性。

4 結語

本文以不同行業涉及的標準規范中管道壁厚及支吊架間距選擇為例，探討不同行業標準和規范所帶來的差異，主要結論如下：

（1）在管道壁厚計算中，工業管道規范GB/T 20801.3-2020，石化行業規范SH/T 3059-2012、電力行業規范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016、以及市政行業規范CJJ 34-2010均考慮了焊接強度減低系數的影響，其計算壁厚計算公式基本相同。

（2）選取管道取用壁厚時，工業管道規范GB/T 20801.3-2020、石化行業規范SH/T 3059-2012未予考慮對口加工裕量；而電力行業規范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016考慮了對口加工裕量的影響。

（3）GB/T 17116.1-2018給出了支吊架間距的計算公式，但并未給出強度條件下的最大彎曲應力和剛度條件下的最大彎曲撓度取值。

（4）工業管道標準GB 50316-2008及石化行業規范SH/T 3073-2016給出的最大彎曲應力和最大彎曲撓度取值與電力行業標準存在差異。

（5）本文按照電力行業規范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行業規范SH/T 3073-2016相關規定，計算得到強度和剛度條件下的支吊架間距，可知石化行業規范所得間距與電力行業規范所得間距差距較大。強度條件下，前者是后者的1.95倍；剛度條件下，裝置內管道前者是后者的1.86倍，裝置內管道前者是后者的2.29倍。

（6）“雙碳”背景下電力設計院轉型擴展到其他行業時，在選取管道壁厚及支吊架間距時，應合理分析使用相應設計規范，以求達到設計的安全性與經濟性。