化工管道支吊架設計要點分析

秦華麗

（廣西北投化工規劃設計院有限公司，廣西南寧 530003）

化工管道系統在現代化工行業中占據重要地位，是工業生產過程中不可或缺的部分。管道系統負責輸送各種化工原輔料和產品，其穩定性和安全性對整個生產過程的順利進行至關重要。支吊架不僅要承受管道自身及管道內流體的重力，還要抵抗由于流體流動、溫度變化等引起的各種應力。因此，管道支吊架設計的理論與實踐問題引起了廣大研究者的關注。

1 化工管道支吊架的重要性

化工管道支吊架在工程項目中扮演著關鍵角色。作為化工工程的一部分，管道系統承載著各種化學物質，其安全、穩定及可靠性對整個工程運行的成功至關重要。在這一背景下，合理的支吊架設計保證了管道系統能夠安全、穩定運行。支吊架需要承受管道自身的重量、管道內流體的重量及各種外部因素引起的額外荷載。若未考慮到以上因素，可能會導致支吊架失效，甚至可能引發管道破裂，形成安全事故。此外，由于化工管道中的流體溫度變化可能很大，管道會發生膨脹和收縮，需要適當的支吊架來限制和引導管道的運動，防止過度彎曲或扭曲導致疲勞破裂，造成安全事故。所以，化工管道支吊架的設計在保障管道系統的安全穩定運行和降低維護檢修成本方面，都起著重要作用[1]。

2 化工管道支吊架基礎理論和設計原則

2.1 基礎理論

（1）力學原理

力學主要分析在不同荷載（包括自重、流體重力、熱膨脹力、風荷載、地震荷載等）作用下，支吊架和管道的應力、應變、變形和位移等。合理的設計需要確保在各種可能的工況下，支吊架和管道的應力和位移都滿足相應的規范要求。在設計過程中，還需要通過力學原理來進行強度、剛度和穩定性等方面的計算，這是確保管道支吊架滿足使用要求的重要手段。

（2）材料科學原理

在設計過程中，需要選擇合適的材料來滿足管道支吊架的各種性能要求，包括材料的強度、韌性、硬度、耐熱性、耐腐蝕性等。例如，材料的強度應能滿足支吊架在各種工況下的承載能力要求；材料的韌性應能防止支吊架在受到沖擊或振動時產生破壞；材料的耐熱性和耐腐蝕性應能保證支吊架在化工環境下的耐久性。因此，材料科學原理的應用能夠保證化工管道支吊架的性能和耐久性，提高其使用壽命。

2.2 設計原則

（1）安全性原則

設計過程中須保證支吊架具有足夠的安全性，包括承載能力、穩定性和耐久性等。設計時應考慮對支吊架產生影響的荷載，如管道和流體的重力、溫度變化產生的膨脹力、地震荷載和風荷載等，以及可能的腐蝕環境。同時，還應確保支吊架設計滿足所有相關的安全規范和標準，以防止可能的安全事故。

（2）經濟性原則

設計過程中應優化支吊架的結構和材料選擇，以減少材料使用量，降低制造和安裝成本。此外，設計還應考慮到支吊架的維護和檢修成本，以實現支吊架的整體經濟性。

（3）可行性原則

可行性原則要求化工管道支吊架的設計在技術上是可實施的，設計方案應能夠在現有的技術條件和設備條件下制造和安裝。此外，還應考慮到支吊架的使用和維護，保證設計方案在實際操作中的可行性。這一原則需要設計者有足夠的經驗和對現場情況的深入了解，以確保設計方案的實施性[2]。

3 化工管道支吊架設計的要點

3.1 管架跨距的確定

（1）管架跨距的計算

管架跨距的計算是支吊架設計的重要組成部分，需要依據管道材料、直徑、工作壓力、工作溫度等參數，以及相應的設計規范進行。計算過程中需考慮到管道在各種工況下的應力和變形，以確保管道在支吊架的承托下能夠安全、穩定運行。適當的管架跨距能有效地減少因管道過度彎曲或變形引起的疲勞破裂。化工管道管架的最大跨距一般可從《化工管路設計手冊》中查到。

（2）水平管道導向架間距

對于水平管道，導向架間距的確定關鍵在于平衡管道的穩定性。過大的間距可能導致管道在重力和內壓作用下產生過大的撓度，從而影響管道的使用壽命和安全性；過小的間距則會增加導向架的數量和成本。因此，需要根據管道的直徑、材料、工作壓力和溫度等合理確定導向架間距。

（3）垂直管道的管架間距

垂直管道的管架間距需要根據管道的直徑、材料、工作壓力和溫度，以及相應的設計規范確定。由于垂直管道的自重和流體重力主要沿管道軸線方向作用，所以相比水平管道，其管架間距可以適當大一些。然而，過大的間距可能會導致管道在地震或風荷載等外部力作用下產生過大的撓度，因此，需要適當的垂直管道管架間距[3]。

3.2 管架載荷的確定

作用在管架上的荷載按其性質可分為兩大類，即靜荷載和動荷載。

（1）靜載荷計算

靜載荷是化工管道支吊架設計中的重要因素，主要包括管道自重、管道內流體的重力，以及附加在管道上的設備或構件的重力。靜載荷的計算需要考慮到管道的材料、壁厚、直徑、長度及管道內流體的密度。

（2）動載荷計算

動載荷包括管系因地震、風壓、安全閥排氣管道的反作用力、調節閥的推力、水擊、流體脈動、機械振動等因素引起的各類動荷載。實際工作中，對于動載荷的計算通常考慮以下幾個重要因素：管道內部的物質流動、管道系統中的設備運轉、環境因素及應急情況。在動載荷的計算過程中，需要以科學的理論和方法為基礎，結合實際工況，準確評估和預測動載荷。

3.3 管架的設置及選用

（1）管架分類

化工管道支吊架按照其功能和結構特點，可分為固定支架、滑動支架、導向支架、限位支架和彈簧支吊架等。固定支架用于固定管道位置和方向，承受管道的全部重力、內壓力和溫度引起的膨脹力。滑動支架主要用于承受管道的垂直荷載，同時允許管道在水平方向上滑動。導向支架用于控制管道在某一方向的位移。限位支架通常設置在管道的彎頭或轉角處，用于限制管道的軸向或側向位移。彈簧支吊架用于承受變動的載荷，可自動調整其高度以適應管道的熱膨脹。

（2）管架設置要求

管架的承載能力應能滿足承受管道的所有荷載，包括靜荷載和動荷載；其結構和尺寸應合適，以適應管道的尺寸和形狀，保證管道的穩定性；管架的位置應能確保管道的均勻支撐，避免因管道的局部過載或不均勻受力導致的疲勞破裂；對于有位移的管道，管架應具有相應的位移能力，以適應管道的熱膨脹或其他位移。在設置管架時，還應考慮到管架的安裝、檢查和維護的便利性。

3.4 架體結構設計

（1）結構強度計算

在化工管道支吊架設計中，結構強度計算決定著支吊架的穩定性與可靠性。需要充分考慮靜態載荷、動態載荷及環境因素產生的附加載荷，保證在極端工況下支吊架的完整性和功能。結構強度的計算需依照相關設計規范和標準，確保安全和效率的要求得以滿足。針對支吊架的桿件、連接部位、基礎等各部分進行詳細分析，滿足強度要求。

（2）材料選擇

支吊架的材料選擇直接影響其強度、剛度、耐久性，以及制造和維護成本。常用的支吊架材料包括各種鋼材、鑄鐵、不銹鋼、復合材料等。在選擇材料時，需要根據管道的工作環境、荷載情況，以及支吊架的使用和維護要求進行綜合考慮。

3.5 考慮環境影響因素

（1）溫度變化

溫度的變化會引起材料的線性膨脹或收縮，從而導致管道和支吊架的位移和應力的變化。溫度變化對支吊架的影響既可能是周期性的，如日照引起的日溫差，也可能是長期的，如季節性溫度變化。因此，支吊架設計必須考慮到溫度變化，采取適當的措施，如設置足夠的補償器，以允許管道的熱膨脹和收縮。

（2）腐蝕性環境

支吊架的材料、結構和防護措施都需要考慮到腐蝕的影響。例如，對于位于海邊或含有腐蝕性化學品的環境，支吊架的材料就需要具備良好的耐腐蝕性。在極端的腐蝕環境下，可能需要使用特種的耐腐蝕材料或者采用特殊的防腐措施，如防腐涂層或陰極保護。

3.6 典型管架設計

（1）塔類管道管架設計

在塔類管道的支吊架設計中，必須強調考慮管道的高度和空間布局。由于塔內流體的溫度和壓力變化顯著，相應地，塔類管道需應對顯著的熱膨脹，這就要求支吊架具備良好的位移能力。同時，塔類管道還面臨著風載等的挑戰，因此，其管架必須擁有出色的剛度和強度。從塔頂或塔側出口的管道，應盡量在靠近設備接管口處設立第一個管架，而且為固定承重架，一般在承重架的下面設導向架。塔設備管架見圖1。

圖1 塔設備管架

（2）往復機泵管道管架設計

往復機泵進出口管道會產生較大的振動，這就對支吊架設計提出了新的要求。振動可能導致管道的動載荷增大，甚至可能引發管道的疲勞破裂。為應對這種情況，設計時常會加入特殊的阻尼器或彈簧架以減小振動的影響。應避免管架生根在樓面上或梁上或墻上，以避免把管道的振動傳遞給建筑物；也不要把管架生根于設備上；一般將管道固定于生根在地面基礎上的牢靠的型鋼架上，并且地面基礎應是獨立的。

（3）安全閥管道管架設計

安全閥管道的支吊架設計必須保證在管道內壓力超過允許值時，安全閥能迅速打開，釋放壓力。面對突然的壓力變化，支吊架需要具備堅實的強度和剛度。在安全閥開啟時，高速排放會產生極大的反沖力，其支吊架設計應當具備良好的抗動載能力，一般安全閥出口的水平管道設承重的滑動架或固定架，立管設導向架，具體見圖2。

圖2 安全閥管道管架

（4）熱力管道方形補償器管架設計

對于工作溫度較高的熱力管道，熱膨脹問題尤為突出。因此，其方形補償器的支吊架設計要有足夠的位移能力，以適應管道的熱膨脹和收縮。例如，在設計蒸汽輸送管道的支吊架時，一般在兩個固定架的中間設置方形補償器，通常會在方形補償器的中間設滑動架，兩邊適當位置設導向架，以滿足膨脹位移的需求，具體見圖3。

圖3 方形補償器管架

3.7 管架設計需注意的問題

（1）是設計的實用性，支吊架的設計應符合管道的實際使用條件，例如流體的種類、溫度、壓力等。設計者需要全面理解并考慮影響因素對支吊架設計的影響，避免在設計過程中過度理想化或簡化問題，以免影響支吊架的實用性。

（2）設計者還需關注支吊架的類型選用，根據不同物料、溫度、壓力等情況及規范要求，在管道的適當位置設置固定架、導向架、滑動架、彈簧架等，對于蒸汽、導熱油等溫度較高的管道管架還需通過應力計算后核實管架的設置位置和形式是否合適。

（3）支吊架的設計還需要考慮到環境影響因素，例如溫度、濕度、風速等環境因素會影響到支吊架的性能和壽命，因此，設計者需要對環境因素有充分的了解，將其考慮進支吊架的設計中，保證支吊架在實際環境中的穩定性和耐用性。

3.8 符合相關規范和標準

化工管道支吊架的設計必須嚴格遵守相關的規范和標準。規范、標準和手冊主要包括《石油化工管道支吊架設計規范》SH/T 3073—2016、《恒力彈簧支吊架》NB/T 47038—2019、《可變彈簧支吊架》NB/T 47038—2013、《管架標準圖》HG/T 21629—2021、《化工管路設計手冊》等，它們為化工管道支吊架的設計提供了明確的指導，保證了其設計的科學性和合理性，同時也為支吊架的使用提供了保障，確保管架在長期使用過程中的穩定性和安全性。設計者在設計過程中應詳細閱讀并充分理解規范和標準，確保設計方案的合規性。

4 結束語

化工管道支吊架的設計具有理論和實際的深遠影響。理論基礎源于力學和材料科學原理，同時受到安全性、經濟性和可行性原則的指導。設計細節涵蓋了管架跨距、載荷、設置及選用，以及架體結構設計，并須兼顧環境影響因素。此外，典型管架設計、設計問題的識別和解決，都在實踐中證實了設計的重要性。遵守相關規范和標準是保證設計質量的關鍵。在科技日新月異的今天，化工管道支吊架的設計將不斷發展和完善，為化工行業的發展提供更加安全的保障。