石油化工管道支架設計分析

王靜波

（云南省化工研究院有限公司，云南 昆明 650228）

工業管道是指生產企業為生產、運輸各種物料所需的管子。按用途可分為工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道。管道貫穿了工程設計的全過程。管道像人的血管一樣，是整個項目的生命線。特別是石油化工行業的原料、成品、半成品大多是有毒有害、易燃易爆的物質，且處于高溫、高壓、強腐蝕的環境，在生產過程中，管道支架一旦失穩，將會導致管道物料泄漏，甚至爆炸，引起嚴重的安全事故和環保事故，危害人民生命財產安全。因此，為保證管道的使用功能和生產安全，結構專業對管道支架的設計工作尤為重要。

國家為了保證石油化工裝置的安全生產，也制定了相應的標準、行業規范，如《石油化工建（構）筑物結構荷載規范》《化工設備基礎設計規范》《石油化工管架設計規范》《石油化工構筑物抗震設計規范》《石油化工管道支吊架設計規范》等等［1-5］。本文在相應標準和規范的基礎上，對石油化工管道支架的設計進行了詳細的分析。

1 管道支架設計原則

石油化工管道很多都是架空敷設的。架空管道分獨立式支架和管廊式支架。獨立式支架：管道直接敷設于支架上，支架與支架之間無水平內件。管廊式支架：管道敷設于水平構件的橫梁和支架上，支架與支架之間有水平內件。

獨立式支架一般分為單柱式（T形）、雙柱式（門形）。單柱式一般為單層，特殊時也可采用雙層或多層。雙柱式根據需要可分為單層、雙層，及多層。

管廊形式分類：1）單柱獨立式，管廊寬度較小，大多為單層。2）雙柱連系梁式，可以是單層，根據需要了可以設雙層和多層。3）縱梁式管廊：管廊之間設有縱梁，根據管道專業要求在縱梁間加次梁和支撐。分單柱和雙柱結構，雙柱的大多為多層結構。縱梁式管廊合適軸向柱距為6～11 m。如果軸向柱距大于11 m，則管廊的縱連系梁會很大，不是很經濟，這種情況適合采用桁架式管廊。4）桁架式管廊適合軸向柱距比較大的情況，一般軸向柱距在11 m以上。

管廊形式分類見圖1。

圖1 管廊形式分類

管道支架按材料類別又可分為鋼筋混凝土凝土結構、鋼結構。鋼結構管廊施工進度快，安裝方便，但耐火性能差，容易銹蝕，維護成本高，還需要定期做防腐、防火涂漆。鋼筋混凝土結構管廊的耐久性好，鋼性要好，耐火、耐蝕性、維護費用少，但混凝土結構施工周期長，施工精度沒鋼結構高。有些項目為了加快施工進度和節約成本，管廊柱子設計成鋼筋混凝土，而管廊連系梁用鋼結構的。

管道支架的設計在選型和選材上應采用具有較好抗震性能的，且材料具有較好的延性，能適應自身和外力引起的變形。管廊用鋼結構還是混凝土，要根據項目實際情況而定，主要遵循安全、經濟、適用的原則。

管道支架按工藝設計類別又可分為活動支架和固定支架。地震時，固定支架承受地震作用較大。鋼筋混凝土固定支架宜采用現澆結構。活動支架可采用裝配式結構，但為保證梁、柱節點滿足受力要求，鋼筋混凝土裝配式支架要求梁、柱整體預制。直徑較大的管道，固定支架宜采用四柱式鋼結構或鋼筋混凝土結構。輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險介質的管道，其固定支架宜采用四柱式鋼結構或鋼筋混凝土結構。四柱式固定支架是廣泛采用的一種組合式的空間體系，如圖2所示。

圖2 四柱式固定支架示意圖

在地震作用下，半鉸接支架在柱腳處會出現破損裂縫，因此在8度和9度設防時，不宜采用處于半固定狀態的半鉸接支架，而活動支架則宜采用剛性支架。在8度和9度設防時，輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險介質的管道，不應將管道本身作為跨越結構的受力構件。

鋼筋混凝土固定支架的設計應滿足框架抗震等級三級的要求；輸送劇毒、易燃、易爆等危險介質的管道在破壞時會產生嚴重災害，所以這類管道的鋼筋混凝土支架的設計應滿足框架抗震等級三級的要求；其他支架設計應滿足框架抗震等級四級的要求。

2 管道支架的設計計算

引起管道支架出現安全事故的原因為：1）管道自身變形管道（如補償器彎頭等）及破壞；2）管架沿管道縱向移動引起的縱向力，使管架變形傾斜，及管道從管架上沿落下增加變形，甚至傾倒；3）受地震等外力作用，使管道支架出現梁柱變形、彎曲、傾倒、損傷，甚至倒塌，導致管道滑落地面，出現波形扭曲、破損、斷裂；4）地震波使土層變形，導致管道基礎傾斜和基礎不均勻沉降，也會引起管道開裂、折斷等。所以，管道支架應按《構筑物抗震設計規范》［6］進行水平地震作用和作用效應的計算。其中，地震影響系數按多發地震等級確定。

2.1 支架的重力荷載

支架的重力荷載代表值按以下規范確定：

1）可變荷載：①走道活荷載，應采用荷載標準值的50%；②積灰荷載，應采用荷載標準值的50%；③對熱管道或冷、熱管間隔敷設的多管共架管道，不計入冰、雪荷載；對冷管道，應采用冰、雪荷載標準值的50%。

2）永久荷載：①支架，應采用自重標準值的25%；②管道內介質，應采用自重標準值的100%；③管道（包括保溫層、管道附件和內襯），應釆用自重標準值的100%；④管廊式支架上的電纜、電纜架和水平構件，應釆用自重標準值的100%；⑤管道上操作平臺，應釆用自重標準值的100%。

2.2 管道支架的計算單元

管道支架的計算單元應符合下列規定：

1）獨立式支架的縱向支架頂面，由剛度較大的管道相互連接，形成一個長距離的連續結構，但在補償器處的縱向剛度比較小，所以計算單元長度應釆用主要管道兩補償器間區段中至中的距離作為縱向計算單元。

管道橫向剛度較小，支架之間橫向相互影響較小，所以橫向計算單元長度取每個支架相鄰左右跨中至跨中的距離作為橫向計算單元。

2）管廊式支架的縱向計算單元長度應采用結構變形縫之間的距離，橫向計算單元長度應采用支架相鄰兩跨中至中的距離。

管道支架的計算單元如圖3、圖4所示。

圖3 獨立式支架的計算單元

圖4 管廊式支架的計算單元

2.3 水平地震作用點的位置

敷設有多層或單層管道的支架，都可以按單質點體系計算。水平地震作用點的位置可按下列規定采用：

1）獨立式支架。若為上滑式管托的支架（如圖5），可以取管道外徑的最低點；下滑式管托、鉸接管托、固定管托、擋板式管托的支架，可以取在支承管道的橫梁頂面；與梁頂埋件焊接的固定支架，可以取在管道的中心處。

圖5 各種管托的地震作用位置

2）對管廊式支架，可取在支座的支承面處。

各種管托的構造形式見圖5。

2.4 管道的縱向方向驗算

當支架和管道有相對滑移時，可滑動的剛性活動支架，需要滿足對應的抗震構造措施要求，這種情況在管道滑動的方向可以不進行抗震驗算。當該地區抗震設防烈度為8度、9度時，對于柔性活動支架，由于它為了適應管道的變形，承受了支架柱的位移反彈力，所以要求進行抗震驗算。抗震設防烈度為8度和9度時，跨度大于24 m管廊式的桁架和支承大直徑管道的長懸臂，應進行豎向地震作用的計算。

對于柔性活動支架，在抗震驗算中，當管道與支架間的滑動摩擦力大于支架所受縱向水平荷載時，支架所受的縱向水平力為［7］：

Pf＝Kδ

式中：K為支架柱的總側移剛度，N／m；δ為支架頂的位移，m。

3 管道支架的抗震構造

1）鋼筋混凝土支架的柱截面尺寸應大于250 mm，支架梁的截面尺寸應大于200 mm，混凝土強度等級應大于C25；鋼筋混凝土支架柱的計算長度與截面最小寬度比為（7度～9度時）：固定支架應小于25，活動支架應小于35。其中，鋼筋混凝土支架的箍筋規定：

①柱與柱間支撐相連接的地方，上、下各不小于500 mm范圍內，應加密箍筋間距不大于100 mm；②管道支架是雙柱式的，從柱頂到最下一層的橫梁底部以下大于500 mm 范圍內和地面到柱底以上大于500 mm的范圍內，箍筋加密間距不應大于100 mm，箍筋直徑不應小于8 mm。

2）鋼支架柱的長細滿足長細比限值表（表1）要求；鋼支架鋼板材料的寬厚比限值除應滿足表2要求外，還應符合現行國家標準GB 50017《鋼結構設計規范》中有關彈性階段設計的規定。

表1 鋼支架柱的長細比限值

表2 鋼支架板件的寬厚比限值

3）對石化行業的調査發現，當受到較大水平荷載時，一些支架的柱、梁節點和連接件經常出現錨筋拔出現象。所以，在地震區，支架埋件的錨筋必須按計算確定，以避免鋼筋“錨固先于構件破壞”情況。

下列情況的支架埋件的錨固長度不應小于30 d，且應符合受拉鋼筋的抗震錨固要求，支架埋件錨筋應不小于4?12。

1）抗震設防烈度8度和9度時的支架；2）支架梁、柱鉸接處的埋件；3）固定支架和設有柱間支撐的支架。

4）釆用滾動式或下滑式管托的支架，應釆取措施防止管托滑落；敷設于支架橫梁上的在頂層的外側管道，應采取設置防震擋板、防震短柱的措施，防止管道滑落（如圖6）。在柱腳處會出現裂縫。為了加強半餃接支架的安全，應采取以下措施：半鉸接支架柱根部大于500 mm的高度范圍內和柱腳橫梁全長的箍筋，直徑不應小于8 mm，箍筋間距加密不應大于100 mm；半鉸接支架柱在管道縱向的構造配筋，每邊不應少于2?16。

圖6 防止管道滑落的構造措施

6）支架的懸臂橫梁受力情況復雜，橫梁為雙向受彎并且還受扭，在高烈度下還要受豎地震作用的影響，所以如果要在支架懸臂橫梁上敷設管道，那支架懸臂長度不宜大于1.5 m。

7）鋼結構單柱固定支架，在外力作用下柱底存在較大彎矩，在抗震設防烈度8度和9度時，為保證安全，應使基礎和柱子共同工作，則需釆用剛接柱腳，將柱底內力傳遞至基礎；如果支架受外力很大時，可以釆用埋入式或外包式柱腳。鋼支架的梁柱連接宜釆用柱貫通型。

8）四柱式鋼結構固定支架，為保證支架在外力作用下的空間整體性，當支架比較高時，應在支架高度范圍內的適當位置增設水平支撐；在8度和9度設防時，水平支撐間的間距不大于6 m。當抗震設防烈度為8度、9度時，管道直徑較大，則在直接支承管道的橫梁平面內，需增加支架的剛度，應設置和四柱相連的水平支撐；當支架較高時，尚應在支架高度中部的適當部位增設水平支撐。

4 結束語

管道支架，作為項目生命線的保障結構，支架結構的設計安全可靠性更為重要。特別是石油化工行業的管道，輸送物料大多是危化品，受外力作用或地震時產生的次生災害，往往比地震直接造成的損失還要大。因此，石油化工管道支架的設計，不但要滿足住建部發布的國家標準、規范的要求，而且更要滿足石油化工行業的標準、規范的要求。