石油化工管道支架設(shè)計(jì)分析

王靜波

（云南省化工研究院有限公司，云南 昆明 650228）

工業(yè)管道是指生產(chǎn)企業(yè)為生產(chǎn)、運(yùn)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(shè)計(jì)的全過(guò)程。管道像人的血管一樣，是整個(gè)項(xiàng)目的生命線。特別是石油化工行業(yè)的原料、成品、半成品大多是有毒有害、易燃易爆的物質(zhì)，且處于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境，在生產(chǎn)過(guò)程中，管道支架一旦失穩(wěn)，將會(huì)導(dǎo)致管道物料泄漏，甚至爆炸，引起嚴(yán)重的安全事故和環(huán)保事故，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，為保證管道的使用功能和生產(chǎn)安全，結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)管道支架的設(shè)計(jì)工作尤為重要。

國(guó)家為了保證石油化工裝置的安全生產(chǎn)，也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范，如《石油化工建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油化工管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》等等［1-5］。本文在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)石油化工管道支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 管道支架設(shè)計(jì)原則

石油化工管道很多都是架空敷設(shè)的。架空管道分獨(dú)立式支架和管廊式支架。獨(dú)立式支架：管道直接敷設(shè)于支架上，支架與支架之間無(wú)水平內(nèi)件。管廊式支架：管道敷設(shè)于水平構(gòu)件的橫梁和支架上，支架與支架之間有水平內(nèi)件。

獨(dú)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(shí)也可采用雙層或多層。雙柱式根據(jù)需要可分為單層、雙層，及多層。

管廊形式分類：1）單柱獨(dú)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(jù)需要了可以設(shè)雙層和多層。3）縱梁式管廊：管廊之間設(shè)有縱梁，根據(jù)管道專業(yè)要求在縱梁間加次梁和支撐。分單柱和雙柱結(jié)構(gòu)，雙柱的大多為多層結(jié)構(gòu)。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(huì)很大，不是很經(jīng)濟(jì)，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(jiàn)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(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)管廊施工進(jìn)度快，安裝方便，但耐火性能差，容易銹蝕，維護(hù)成本高，還需要定期做防腐、防火涂漆。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)管廊的耐久性好，鋼性要好，耐火、耐蝕性、維護(hù)費(fèi)用少，但混凝土結(jié)構(gòu)施工周期長(zhǎng)，施工精度沒(méi)鋼結(jié)構(gòu)高。有些項(xiàng)目為了加快施工進(jìn)度和節(jié)約成本，管廊柱子設(shè)計(jì)成鋼筋混凝土，而管廊連系梁用鋼結(jié)構(gòu)的。

管道支架的設(shè)計(jì)在選型和選材上應(yīng)采用具有較好抗震性能的，且材料具有較好的延性，能適應(yīng)自身和外力引起的變形。管廊用鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土，要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況而定，主要遵循安全、經(jīng)濟(jì)、適用的原則。

管道支架按工藝設(shè)計(jì)類別又可分為活動(dòng)支架和固定支架。地震時(shí)，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(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。活動(dòng)支架可采用裝配式結(jié)構(gòu)，但為保證梁、柱節(jié)點(diǎn)滿足受力要求，鋼筋混凝土裝配式支架要求梁、柱整體預(yù)制。直徑較大的管道，固定支架宜采用四柱式鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險(xiǎn)介質(zhì)的管道，其固定支架宜采用四柱式鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。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(huì)出現(xiàn)破損裂縫，因此在8度和9度設(shè)防時(shí)，不宜采用處于半固定狀態(tài)的半鉸接支架，而活動(dòng)支架則宜采用剛性支架。在8度和9度設(shè)防時(shí)，輸送劇毒、高溫、高壓、易燃、易爆等危險(xiǎn)介質(zhì)的管道，不應(yīng)將管道本身作為跨越結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。

鋼筋混凝土固定支架的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足框架抗震等級(jí)三級(jí)的要求；輸送劇毒、易燃、易爆等危險(xiǎn)介質(zhì)的管道在破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害，所以這類管道的鋼筋混凝土支架的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足框架抗震等級(jí)三級(jí)的要求；其他支架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足框架抗震等級(jí)四級(jí)的要求。

2 管道支架的設(shè)計(jì)計(jì)算

引起管道支架出現(xiàn)安全事故的原因?yàn)椋?）管道自身變形管道（如補(bǔ)償器彎頭等）及破壞；2）管架沿管道縱向移動(dòng)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(xiàn)梁柱變形、彎曲、傾倒、損傷，甚至倒塌，導(dǎo)致管道滑落地面，出現(xiàn)波形扭曲、破損、斷裂；4）地震波使土層變形，導(dǎo)致管道基礎(chǔ)傾斜和基礎(chǔ)不均勻沉降，也會(huì)引起管道開(kāi)裂、折斷等。所以，管道支架應(yīng)按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］進(jìn)行水平地震作用和作用效應(yīng)的計(jì)算。其中，地震影響系數(shù)按多發(fā)地震等級(jí)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(guī)范確定：

1）可變荷載：①走道活荷載，應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%；②積灰荷載，應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%；③對(duì)熱管道或冷、熱管間隔敷設(shè)的多管共架管道，不計(jì)入冰、雪荷載；對(duì)冷管道，應(yīng)采用冰、雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%。

2）永久荷載：①支架，應(yīng)采用自重標(biāo)準(zhǔn)值的25%；②管道內(nèi)介質(zhì)，應(yīng)采用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；③管道（包括保溫層、管道附件和內(nèi)襯），應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；④管廊式支架上的電纜、電纜架和水平構(gòu)件，應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%；⑤管道上操作平臺(tái)，應(yīng)釆用自重標(biāo)準(zhǔn)值的100%。

2.2 管道支架的計(jì)算單元

管道支架的計(jì)算單元應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）獨(dú)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(gè)長(zhǎng)距離的連續(xù)結(jié)構(gòu)，但在補(bǔ)償器處的縱向剛度比較小，所以計(jì)算單元長(zhǎng)度應(yīng)釆用主要管道兩補(bǔ)償器間區(qū)段中至中的距離作為縱向計(jì)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(jì)算單元長(zhǎng)度取每個(gè)支架相鄰左右跨中至跨中的距離作為橫向計(jì)算單元。

2）管廊式支架的縱向計(jì)算單元長(zhǎng)度應(yīng)采用結(jié)構(gòu)變形縫之間的距離，橫向計(jì)算單元長(zhǎng)度應(yīng)采用支架相鄰兩跨中至中的距離。

管道支架的計(jì)算單元如圖3、圖4所示。

圖3 獨(dú)立式支架的計(jì)算單元

圖4 管廊式支架的計(jì)算單元

2.3 水平地震作用點(diǎn)的位置

敷設(shè)有多層或單層管道的支架，都可以按單質(zhì)點(diǎn)體系計(jì)算。水平地震作用點(diǎn)的位置可按下列規(guī)定采用：

1）獨(dú)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(diǎn)；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(duì)管廊式支架，可取在支座的支承面處。

各種管托的構(gòu)造形式見(jiàn)圖5。

2.4 管道的縱向方向驗(yàn)算

當(dāng)支架和管道有相對(duì)滑移時(shí)，可滑動(dòng)的剛性活動(dòng)支架，需要滿足對(duì)應(yīng)的抗震構(gòu)造措施要求，這種情況在管道滑動(dòng)的方向可以不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。當(dāng)該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度、9度時(shí)，對(duì)于柔性活動(dòng)支架，由于它為了適應(yīng)管道的變形，承受了支架柱的位移反彈力，所以要求進(jìn)行抗震驗(yàn)算。抗震設(shè)防烈度為8度和9度時(shí)，跨度大于24 m管廊式的桁架和支承大直徑管道的長(zhǎng)懸臂，應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用的計(jì)算。

對(duì)于柔性活動(dòng)支架，在抗震驗(yàn)算中，當(dāng)管道與支架間的滑動(dòng)摩擦力大于支架所受縱向水平荷載時(shí)，支架所受的縱向水平力為［7］：

Pf＝Kδ

式中：K為支架柱的總側(cè)移剛度，N／m；δ為支架頂?shù)奈灰疲琺。

3 管道支架的抗震構(gòu)造

1）鋼筋混凝土支架的柱截面尺寸應(yīng)大于250 mm，支架梁的截面尺寸應(yīng)大于200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)大于C25；鋼筋混凝土支架柱的計(jì)算長(zhǎng)度與截面最小寬度比為（7度～9度時(shí)）：固定支架應(yīng)小于25，活動(dòng)支架應(yīng)小于35。其中，鋼筋混凝土支架的箍筋規(guī)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(nèi)，應(yīng)加密箍筋間距不大于100 mm；②管道支架是雙柱式的，從柱頂?shù)阶钕乱粚拥臋M梁底部以下大于500 mm 范圍內(nèi)和地面到柱底以上大于500 mm的范圍內(nèi)，箍筋加密間距不應(yīng)大于100 mm，箍筋直徑不應(yīng)小于8 mm。

2）鋼支架柱的長(zhǎng)細(xì)滿足長(zhǎng)細(xì)比限值表（表1）要求；鋼支架鋼板材料的寬厚比限值除應(yīng)滿足表2要求外，還應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)彈性階段設(shè)計(jì)的規(guī)定。

表1 鋼支架柱的長(zhǎng)細(xì)比限值

表2 鋼支架板件的寬厚比限值

3）對(duì)石化行業(yè)的調(diào)査發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到較大水平荷載時(shí)，一些支架的柱、梁節(jié)點(diǎn)和連接件經(jīng)常出現(xiàn)錨筋拔出現(xiàn)象。所以，在地震區(qū)，支架埋件的錨筋必須按計(jì)算確定，以避免鋼筋“錨固先于構(gòu)件破壞”情況。

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

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

4）釆用滾動(dòng)式或下滑式管托的支架，應(yīng)釆取措施防止管托滑落；敷設(shè)于支架橫梁上的在頂層的外側(cè)管道，應(yīng)采取設(shè)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(huì)出現(xiàn)裂縫。為了加強(qiáng)半餃接支架的安全，應(yīng)采取以下措施：半鉸接支架柱根部大于500 mm的高度范圍內(nèi)和柱腳橫梁全長(zhǎng)的箍筋，直徑不應(yīng)小于8 mm，箍筋間距加密不應(yīng)大于100 mm；半鉸接支架柱在管道縱向的構(gòu)造配筋，每邊不應(yīng)少于2?16。

圖6 防止管道滑落的構(gòu)造措施

6）支架的懸臂橫梁受力情況復(fù)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(shè)管道，那支架懸臂長(zhǎng)度不宜大于1.5 m。

7）鋼結(jié)構(gòu)單柱固定支架，在外力作用下柱底存在較大彎矩，在抗震設(shè)防烈度8度和9度時(shí)，為保證安全，應(yīng)使基礎(chǔ)和柱子共同工作，則需釆用剛接柱腳，將柱底內(nèi)力傳遞至基礎(chǔ)；如果支架受外力很大時(shí)，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(jié)構(gòu)固定支架，為保證支架在外力作用下的空間整體性，當(dāng)支架比較高時(shí)，應(yīng)在支架高度范圍內(nèi)的適當(dāng)位置增設(shè)水平支撐；在8度和9度設(shè)防時(shí)，水平支撐間的間距不大于6 m。當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8度、9度時(shí)，管道直徑較大，則在直接支承管道的橫梁平面內(nèi)，需增加支架的剛度，應(yīng)設(shè)置和四柱相連的水平支撐；當(dāng)支架較高時(shí)，尚應(yīng)在支架高度中部的適當(dāng)部位增設(shè)水平支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

管道支架，作為項(xiàng)目生命線的保障結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全可靠性更為重要。特別是石油化工行業(yè)的管道，輸送物料大多是危化品，受外力作用或地震時(shí)產(chǎn)生的次生災(zāi)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(shè)計(jì)，不但要滿足住建部發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，而且更要滿足石油化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。