化工管道支吊架设计与优化分析.pdf

2014年2月 化工管道支吊架设计与优化分析 陈胜伟 （中国瑞林工程技术有限公司杭州分公司310051） 摘要： 管道支吊架设计作为化工管道设计的核心部分具有 重大的现实意义。本文结合笔者多年工作经验， 就化工管道支吊 架的作用及设置支吊架位置时需要注意的细节要点展开探讨。 关键词： 化工管道； 支吊架设计； 优化 化工管道承担有输送有毒性有腐蚀性或者高温高压物质的 重任， 支吊架设计得当可以起到支撑管道、 提高安全经济性的作 用。不同性能不同形式的支吊架在确保关系、 相连设备安全度等 方面发挥的作用也有所不同。支吊架设计和优化要考虑众多因 素， 既要考虑到管道强度和刚度的需要， 也要考量如何有效地降 低管道对设备的附加载荷， 从而有效避免或者降低管道位移导致 的化工事故的发生， 起到保护设备保护生产的根本目的。 一、 化工管道支吊架在应力分析中的作用 总体来说， 化工管道支吊架布置中要尽可能地减少管道振 动， 要满足管道荷重、 位移、 补偿等方面的要求。具体在盈利分析 中的作用如下： 1.管道的承重 支吊架的最基本的功能就是承受管道的自重和外载， 有效预 防管道过量变形， 将外荷载引起的法向应力和剪应力控制在一定 的许可范围内。目前， 我们在衡量管系安全运行这方面采用的主 要指标就是一次应力指标， 一次应力过大也是导致管系严重变 形、 遭到破坏的主要原因。管道和配件的截面、 管系受到的荷载 直接影响着一次应力的大小。支吊架可以用来调节管道的一次 应力和支撑端的荷载大小。如果水平管道上支架数量过少， 就会 直接导致一次应力增大， 管道过量变形过量挠度， 甚至一次应力 超过许可范围， 最终影响管系安全运行。 2.调节管系二次应力/端点推力 化工管道支吊架不仅仅可以调节一次应力， 在调节管系二次 应力端点推力等方面也在发挥重要作用。管系受到的一次应力 具有非自限性， 当一次应力的峰值不超过管材的许用应力的时 候， 普遍认为这种状态是安全的； 当管系遇高温发生变形， 变形受 阻之后引起的二次应力是自限性的， 且通常来说二次应力应该不 大于以下公式所计算的数值： 3.消除管道布置不当造成的荷载转移 合理布置支吊架非常重要， 布置不当可能造成荷载的转移。 根据前文的分析， 支吊架数量不足可能导致一次应力过大或者过 量挠度， 而一味增加支吊架的数量同样不可取， 因为降低二次应 力/ 热推力要求尽可能地减少支吊架的数量从而减轻支架对管道 的束缚， 给管道自由变形创造机会。当然， 从节约成本、 外观美观 等角度出发， 管道支吊架的数量也不宜过多。非刚性支吊架在管 道应力分析中的特殊作用是用以消除管系因布置不当而造成的 荷载, 如采用弹性支吊架或恒力支吊架来消除刚性支吊架造成的 失载， 满足应力/ 推力的要求等。 二、 管道支吊架的设计优化要点 支吊架设计工作主要是从根据经济性、 可行性等角度出发设 置支吊架位置， 合理确定支吊架位置主要从以下几个方面考虑： 1. 化工管道支吊架选用时要考虑经济性稳定性等因素， 尽量 选用通用的普通的支吊架， 这种支吊架刚性好耐用性强， 相比之 下弹簧支吊架造价高， 长期工作下稳定性不高， 容易出现管系各 地位移方向失控的现象。 2. 充分考虑工作环境的前提下选用管道支吊架材料， 尽量避 免支吊架材料在特定工作环境下的机械性能不足问题。与管道 组成件接触的支吊架材料应按管道的设计温度选用。直接与管 道焊接的支吊架部件材料应与管道组成件材料具有相容性。材 料的许用剪应力宜为设计温度下材料许用应力0. 6倍； 拉杆材料 的抗拉许用应力应比该材料的许用应力降低不小于25%。 3. 充分考虑管道水平位移对支吊架性能的影响。一般来说， 刚性拉杆吊架可活动的拉杆长度不小于水平位移的20倍， 且吊 杆垂直夹角不大于3度; 弹性吊架可活动的拉杆长度不小于水平 位移的15倍， 且吊杆垂直夹角不大于4度; 滑动支架还应注意防 止位移过大出现滑动支架脱空现象发生。当管道水平位移影响 较大时， 支吊架就应该偏装。 4. 充分考虑支吊架自重、 管道布置和管道柔性计算的具体要 求来选型管道支吊架。一般来说， 支吊架的管部自重比例大约在 百分之一到百分之三之间， 弹簧支吊架组件自重比例大约在百分 之二到百分之二十之间， 恒力支吊架组件自重比例大约在百分之 六到百分之三十五之间， 根部辅助钢结构自重比例大约在百分之 三到百分之四十之间。在计算时， 要注意不能采用某一个固定的 比值进行估算， 而是要根据每个支吊架中的每个部件的实际情况 进行计算。恒力弹簧支吊架应注意位移值的选用， 考虑到计算热 位移与实际热位移之问会有偏差， 在确定吊架规格时选用的位移 量应留有一定的裕度， 选用位移量一般为计算位移值的1. 2倍， 且裕度不小于20mm； 可变弹簧吊架其载荷变化率应不大于25%， 考虑到选用的经济性， 当热位移向上工作载荷应在中线以上选 择， 当热位移向上时工作载荷应在中线以下选择。 结语 长期以来， 支吊架在维护化工装置安全运行方面发挥着重要 的作用， 管道设计与管道支吊架的设计是密不可分的， 正确设计 选用管道支吊架， 可以有效降低管道应力， 限制某个方向的力和 位移， 从而确保化工管道及其支架处于安全运行