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汽水管道支吊架基本知识 山东电力工业锅炉压力容器检验中心张广管道支吊架概念 管道支吊架是管道系统的重要组成部分 它包括用以承受管道载荷 限制管道位移 控制管道振动 并将荷载传递至承载结构上的各类组件或装置 支吊架包括从下面支撑管道的 支架 其构件主要受压 从上方悬吊管道的 吊架 其构件主要受拉 管道支吊架三大功能 支吊架按其功能分为 承受管道荷载限制管道位移控制管道振动 承受管道荷载的支吊架 恒力支吊架 用以承受管道自重荷载 且其承载力不随支吊点处管道垂直位移的变化而变化 荷载保持基本恒定的支吊架 变力弹簧支吊架 用以承受管道自重荷载 但其承载力随支吊点处管道垂直位移的变化而变化的弹性支吊架 刚性支吊架 用以承受管道自重荷载 并约束管系在支吊点处垂直位移的吊架 滑动支架 将管道支承在滑动底板上 用以承受管道自重荷载 并约束管系在支吊点处垂直位移的支架 滚动支吊架 将管道支承在滚动部件上 用以承受管道自重荷载 并约束管系在支吊点处垂直位移的支架 限制管道位移的支吊架 导向装置 用以引导管道沿预定方向位移 而限制其他方向位移的装置 用于水平管道的导向装置也可承受管道的自重荷载 限位装置 用以约束或部分限制管系在支吊点处某一 几 个方向位移的装置 它通常不承受管道的自重荷载 固定支架 将管系在支吊点处完全约束而不产生任何线位移和角位移的刚性装置 控制管道振动的支吊架 减振装置 用以控制管道低频高幅晃动或高频低幅振动 但对管系的热胀或冷缩有一定约束的装置 阻尼装置 用以承受管道地震荷载或冲击荷载 控制管系高速振动位移 同时允许管系自由的热胀冷缩的装置 管道支吊架构成 管道支吊架是由一个或几个零部件构成的组件 支吊架部件通常分为管道连接部件 简称 管部 功能件 中间连接部件 简称 连接件 和承载结构生根部件 简称 根部 四类 管部 1 管部结构管部是与管道或其绝热层直接相连的部件 管部结构按其对管道的支承方式可分为 悬吊式 支承式和拉撑式三类 按其同管道的连接方式可分为 焊接式 一般用于介质参数不高的管道 和夹持式 推荐普遍采用的型式 两种 按其所连接管道的形状位置可分为 水平管道 垂直管道 立管 和弯头 管 三种 功能件 功能件是实现各种类型支吊架功能的部件 承重支吊架中的恒力弹簧组件 变力弹簧组件 限位支吊装置中的拉撑杆 振动控制装置中的减振器 阻尼器等都属于功能件 连接件 连接件是用以连接管部与功能件 管部与根部 功能件与根部以及自身相互连接的部件 这些连接件又都是刚性结构 也可称为刚性连接件 中间连接件按其连接方式可分为夹持式 焊接式 螺纹连接式 销 轴 孔连接式 埋 嵌 入式 滚滑式等类型 根部 根部是与承载结构直接相连的部件 通常情况下 尽量将管道支吊装置直接固定 生根 在承载结构上 这种生根部件也可看作根部结构的一部分 但通常将其归在中间连接件中 这样对于此类支吊装置就没有独立的根部结构 在多数情况下 尤其是混凝土建筑结构 管道支吊点偏离承载结构 需要添加辅助钢结构 才能实现支吊装置的生根固定 这种辅助钢结构就是支吊装置的根部结构 支吊架的荷载 支吊架的载荷是指作用在支吊架的力和力矩 管道在工作过程中 有以下几种载荷作用于支吊架 管子重量 阀门 法兰和三通等管件的重量 保温层的重量 管内介质的重量 一般只考虑液体的重量 气体的重量忽略不计 弹簧支吊架作用于弹簧的附加力 弹簧支吊架的转移载荷 滑动支架的摩擦力 管道的热胀冷缩 冷紧或连接设备的热位移产生的力和力矩 介质产生的作用力 如排气管和安全阀产生的排放反力等 通常把支吊架的载荷分为三类 工作载荷 安装载荷和结构载荷 工作载荷 工作载荷 管道正常工作时 热态 按支吊架布置情况 分配给该支吊架的管道自重 称为该支吊架的工作载荷 对于不承受附加力和力矩的支吊架 如恒力吊架 工作载荷就是该支吊架的工作时的实际载荷 工作载荷是支吊架弹簧和恒力吊架选用时的载荷依据 也是计算支吊架其它载荷的基础 安装载荷 安装载荷 管道处于安装状态时 冷态 支吊架承受的管道自重称为安装载荷 它与工作载荷的差别在于 管道在热态和冷态时的自重载荷的转移变化 例如 对于向下热位移的弹簧支吊架 安装载荷小于工作载荷 对于向上热位移的弹簧支吊架 安装载荷大于工作载荷 而恒力吊架的安装载荷和工作载荷相等 安装载荷是确定弹簧支吊架的安装弹簧压缩值的依据 结构载荷 结构载荷 修正后的工作载荷加上有关的附加力和力矩 称为支吊架的结构载荷 对附加力和力矩 除工作载荷以外的所有力和力矩 应根据不同支吊架型式和具体的使用条件分别考虑 支吊架的热位移 管道由冷态到热态时 由于温度升高而膨胀 支吊架的支吊点产生相应的移动 这就是支吊点的热位移 并由此产生管道的热胀 管道的热胀 一般是受到制约的 于是管道引起热胀应力 大机组的高温管道热位移往往很大 导致管道局部位置的热应力超标 对设备的推力超过允许值 一般采取下面的一些方法使管道的应力合格 采用专门补偿装置补偿 亦可由管系自身柔性产生弯曲和扭转变形实现自补偿 依靠管道自身补偿能力来吸收管道热伸长 在长管道中 热位移值可能很大 可采用弹性弯曲和扭转变形实现自补偿 选择支吊架的型式时 根据支吊架的垂直热位移的大小和方向 确定刚性支吊架 弹簧支吊架或是恒力吊架 支吊架的弹簧压缩值不能超过允许值 且冷热态的载荷变化不能超过规定 这些都与热位移的大小和方向有关 恒力弹簧支吊架 恒力支吊架 以下简称恒吊 根据力矩平衡原理设计 在许可的负载位移下 负载力矩和弹簧 或重锤 力矩始终保持平衡 对用恒吊支承的管道和设备 在发生位移时 可以提供恒定的支承力 因而不会给管道设备带来附加应力 一般用于需要减少位移应力的地方 如电站锅炉本体 发电厂的汽 水 烟 风管及燃烧器等悬吊部分 以及石油 化学工业中需要此类支承的地方 当管道系统内某吊点的热位移大于60mm 宜选用恒吊来支承 以避免管道系统产生危险的弯曲应力及不利的应力转移 我国主要采用PH LH 型和H 1型恒力吊架 恒力弹簧支吊架 上图为四连杆弹簧式 即JB T8130PH型恒力弹簧吊架 下图为三连杆弹簧式 即ITT G58V型恒力弹簧吊架 种类 直线式恒力吊架 恒力弹簧支吊架 三连杆 四连杆弹簧式恒吊均按力矩平衡原理 采用合适的连杆机构让弹簧侧力矩与载荷力矩相等 同时保证载荷不变或变化很小 三连杆弹簧式恒吊在理论上可以达到完全恒力 而四连杆弹簧式恒吊在理论上是近似恒力 主辅弹簧式恒力吊架 直线式恒力吊架 是按主弹簧与辅助弹簧力共同作用下合力恒定的原理设计的 可以达到完全恒力 原理 H 1型恒力吊架 H 1型恒力吊架工作原理图 H 1恒力吊架作用原理 此种恒吊主要由固定外壳 中间转体 弹簧三部分组成 此外 尚有负荷调整器 转体位移指示器 转体限位器等附件 固定外壳固定在吊架生根结构上 而中间转体支撑在其上 并可绕A轴转动 弹簧盒也支撑在固外外壳上 且可绕D轴转动 中间转体上有若干个吊杆孔B 可根据热位移大小选用其中一个 AB距离越大 允许热位移就越大 B孔上挂着吊杆 吊杆上有花兰螺丝 吊架调整时可用它调整吊杆长度 弹簧力作用在转体的C点 AC距离可借助负荷调整器进行调整 AC距离越大吊架载荷就越大 转体在吊杆力 吊架载荷 和弹簧力共同作用下 按力矩平衡原理工作 主辅弹簧式恒定工作原理 当载荷吊杆从高位向中位移动时 主弹簧向下移动 主弹簧被压缩 主弹簧作用力线性增大 而辅助弹簧伸长 弹簧力线性减小 主弹簧力与辅助弹簧力方向相同 其合力为二者数值相加 主弹簧与辅助弹簧共同作用于载荷吊杆的合力恒定 当载荷吊杆从中位向低位移动时 主弹簧仍向下移动 主弹簧被压缩 主弹簧作用力线性增大 而辅助弹簧也被压缩 弹簧力线性增大 但主弹簧力与辅助弹簧力方向相反 其合力为二者数值相减 主弹簧与辅助弹簧共同作用于载荷吊杆的合力也恒定 主辅弹簧式恒吊原理图1 主辅弹簧式恒吊原理图2 变力弹簧支吊架 变力弹簧支吊架主要用于有垂直位移的动力管道或设备的支承 由于其主要依靠弹簧力来支承荷载 因此只适宜用在垂直位移较小的场合 变力弹簧支吊架内装有圆柱螺旋弹簧 在承载的同时 它能适应管道或设备的热位移 也能吸收管道的振动 可以同时起到减振作用 加上它比恒力支吊架经济 因此在应力计算允许的情况下 被设计人员广泛地采用 作用 变力弹簧支吊架 弹吊按弹簧的形式可分为圆柱螺旋弹簧式和碟形弹簧式二种 按整定方式可分为整定式和非整定式二种 对于管道热变形刚度有严格要求时 选用的弹吊一般都是整定式圆柱螺旋弹簧弹吊 通常有T TH型 TD型和VS型 种类 变力弹簧支吊架 左图为JB T8130可变弹簧支架右图为T TH型可变弹簧吊架 种类 变力弹簧支吊架 原理 弹簧支吊架构成 它由弹簧 壳体 压盖 载荷和位移指示器以及锁定装置等组成 带有 热 和 冷 状态位置标志的载荷和位移刻度板 可以清晰地显示出支吊架在热状态和冷状态时的载荷和位移值 这类弹簧支吊架在出厂前已按设计要求将载荷整定在冷态载荷位置 在安装运行时还可根据变化了的载荷加以调整 锁定装置在管道进行水压试验或其它需要时 将弹簧支吊架锁定成刚性支吊架来使用 弹簧支吊架原理 在弹簧支吊架中 支吊架的载荷直接与弹簧力相平衡 而弹簧力等于弹簧刚度与压缩值的乘积 当支吊点产生垂直方向的热位移时 弹簧压缩值也发生改变 支吊架的载荷也就发生变化 如能选择合适的弹簧 支吊架载荷变化就会限制在某一允许范围之内 变力弹簧支吊架 T TH型弹吊有1 2 3 4 5 6六种 JB T8130弹吊有A B C D E F G七种 VS型弹吊有C D P S四种结构形式 结构 刚性支吊架 刚性支吊架 以下简称刚吊 对管道垂直方向呈刚性约束 故只能用于管道没有垂直位移或垂直位移很小且允许约束的地方 刚吊能承受较大的载荷 保持管位置不下沉 增强管道系统的刚性和减少管子的振动 作用 刚性支吊架 刚吊有以下几种典型的结构 结构 限位装置 限位装置用于管道中需要限制某一方向或某些方向上位移的地方 它不承受管道的重量 它的使用可调整管道的应力分布 减小管道对设备的推力和简化管道支吊架的设计 不同结构型式的限位装置可限制管道某一方向或二个方向的线位移 也可同时限制某一 二个乃至三个方向的角位移 它的使用可以增加管系的稳定性 合理分配管系的位移 作用 限位的必要性 随机组容量的增大 主蒸汽 再热蒸汽等管线长度不断增长 加上工作温度的提高 使管道支吊点热位移值 包括垂直和水平位移 也大幅度增加 以至于吊架的选用 吊杆偏装和满足吊杆长度等问题变得很困难 高压 高温管道 由于管径大 管壁厚 热胀量大 对连接设备和建筑结构的热胀力或冷紧力 力矩 都很大 很难满足设备要求的限定值 对建筑结构的设计也带来难题 旁路管道 由于管线较短 管系刚度往往较大 且与主管的接口位置有较大的热位移 使管道的热胀二次应力普遍偏高 特别是大机组多采用双路管道系统 管道布置往往不对称 造成旁路管的二个接口有较大的相对位移 更增加了旁路管布置的困难 上述各种问题 单纯通过管道布置方式的改变 很难圆满的解决问题 而且会增加材料消耗 采用限位支吊架则是解决问题的较方便途径 限位装置的必要性 通过限位支吊架 可以把管道热胀人为的分成若个独立段 使支吊点的热位移值大幅度降低 也可根据需要 改变管道上某些点的热位移值和方向 采用限位支吊架 可以调整管道的热胀二次应力 使一些高应力点的应力得以降低 如果需要限制管道对设备的推力 也可通过限位支吊架实现 管道设置限位支吊架后 比起全部采用弹性支吊架 稳定性增加 可以降低管道振动 管道重量偏离设计值 或支吊架载荷调整偏离设计值的情况是大量存在的 如果管道全部采用弹性支吊架 特别是大量采用恒吊时 这种不平衡力将大部分转移到管道端点 引起管道弹性变形和自重一次应力的增加 也可能对连接设备的正常运行带来危害 如果管道中采用了一定数量的承重型限位支吊架 则上述不平衡力将分摊到限位支吊架和管道端点上 对管道和连接设备的危害将大大减小 限位装置 限位装置有以下几种典型的结构 结构 限位刚吊 限位刚吊的结构与一般刚性吊架相同 只是使用条件的不同 限位刚吊用在有y向热位移的吊点 用来限制吊点的向下热位移 限位刚吊不但承重而且承受较大的限位力 载荷较大 吊杆比一般刚性吊架粗的多 按限位刚吊的限位功能 一般只能用于有向下y向位移的吊点 但实际工程中也用于有向上热位移的吊点 此时 应特别注意在热态时刚吊载荷的大幅度减小 甚至完全悬空不吃力的情况发生 以免使管道自重一次应力的大量增大 火力发电厂主蒸汽 再热蒸汽管道的y向膨胀量都很大 因而限位刚吊应用很普遍 在管系中 限位刚吊和管道端点构成重力静不定力系 它们的实际安装载荷与设计安装载荷往往存在较大的偏差 在安装 调整支吊架载荷时 需要对限位刚吊的载荷进行实测调整 否则会对管道的自重一次应力有不利影响 限位支架是限制支吊点水平位移的限位支吊架 可装于水平管和立管上 导向装置 导向装置用于引导管道位移方向或要控制管道沿轴线转动的地方 对于水平管道它一般承受管道的重量 而对于垂直管道它不承受管道的重量 请注意 由于导向装置引导管道按一定的方向移动 它同时就具有了限制管道角位移的作用 习惯上 我们将具有限制管道沿轴线方向运动的支架也称为导向装置 它的使用可限制管道侧向位移 防止管件承受弯矩 增加管系的侧向稳定性 作用 导向装置 导向装置有以下几种典型的结构 结构 固定支架 固定支架用于管道不允许有任何方向的线性位移和角位移的地方 实际上它是限位装置的一个特例 它可用于承受管件的推力 如波形补偿器 让管系按较好的方式膨胀 作用 固定支架 固定支架的一种典型结构如右图 结构 弹簧减振器 减振器主要用用来承受动荷载 能有效控制管道任何频率和任何振幅的振动和摆动 特别是低幅高频振动 它在一定程度上限制了管道正常的热位移 作用 种类 弹簧式减振器分为利用普通弹吊 单弹簧式和双弹簧式三种 利用普通弹吊作为减振器时它只能单方向起作用 这点要注意 弹簧减振器 弹簧预压在减振器壳体内 当管道无位移时 该预压产生的预紧力由减振器内部承受 不传递到管道上 当管道振动产生的振动力小于减振器的预紧力则减振器呈刚性 如产生的振动力大于减振器的预紧力时 则管道将发生位移直至弹簧的反力与振动力相等 由此可见 只要减振器的预紧力大于管道可能产生的振动力 就能消除管道的振动 反之则可以减少管道的振动 原理 弹簧减振器 单弹簧减振器的结构形式 结构 液压阻尼器 液压阻尼器借助特殊设计的阻尼阀 对管道或设备的位移速度做出灵敏的反应 在管道或设备发生震 振 动时 在1 33Hz频率范围内 阻尼器可以将直接作用在管道或设备上的冲击力转移到建筑结构上去 在管道或设备正常工况下 液压阻尼器允许管道或设备自由位移 不会给管道或设备带来附加的应力 作用 1 功能特性 刚柔相济 阻尼器的功能特性及应用场合 柔 在管道处于正常工况下 它能适应管道由于热胀冷缩引起的缓慢移动 而对管道几乎没有阻尼 即 随管道的缓慢移动而移动 而对管道产生的作用力很小 1 2 FN 阻尼器的功能特性及应用场合 抗振动时 刚 为近似刚性 l受瞬间冲击l速度或加速度骤增l达到V闭或限制加速度l以V闭后或限制加速度缓慢运动 载荷达FNl达到缓冲 抗振之目的 抗安全阀排汽反力时 刚 为等效刚性 l安全阀启跳 排汽l速度 向下 骤增l达到V闭或限制加速度l闭锁后速度V闭后 0 载荷达到FNl承受安全阀排汽引起的持续推力 保护管道及设备 阻尼器的功能特性及应用场合 3 阻尼器的应用场合 偶发的冲击的 载荷 系统内部系统外