管道支架的设计

.管道支架的设计首先我们应明确哪类管架应该土建专业设计,哪类管架应该配管专业设计。支承管道的管架通常分为三部分：一、属于土建结构部分。习惯称之为“管架”或“管廊”，包括内管廊和外管廊。二、管道与土建结构之间相接的各种支、托、吊部分。三、生根在建筑结构上的各种支架，高度通常在以下。通常第一类支架由配管专业提供条件， 由土建专业设计完成； 第二类支架通常由配管专业负责设计； 第三类支架在建筑物上的预埋件由土建专业设计， 其他部分由配管专业完成。管道支架的分类及定义按支架的作用分为三大类：承重架，限制性支架和减振架。 承重架：用来承受管道的重力及其它垂直向下荷载的支吊架。它又可分为：刚性支吊架、可变支吊架或弹簧吊架、恒力吊架。、刚性支吊架：用于无垂直位移的场合。、可变支吊架或弹簧吊架：用于有少量垂直位移的场合。、恒力吊架：用于垂直位移较大的地方。 限制性支架：用来阻止、限制或控制管道系统热位移的支架。它又可分为导向架、限位架和固定架。 、导向架：使管道只能沿轴向移动的支架，不允许有角位移。、限位架：允许管子的某一点有角位移，但不允许有线位移。、固定架：不允许支承点有三个轴线的全部线位移和角位移。 减振架：用来控制或减除重力和热膨胀作用以外的任何力（如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部荷载）的作用所产生的管道振动的支架。减振架有弹簧和油压式两种类型。水平管道的最大支架间距管道支架间距是指管道的跨度。 一般管道的最大支架间距是按强度条件及刚;.度条件计算决定，取其较小值。管道支架的设置使管道形成分段，常见的有几种典型的形式： 、单跨梁（有图）、多跨连续梁（有图） 、形弯管（有图） 、形弯管（有图） 、三轴向弯管（有图）支架间距按强度条件计算：zlw式中： l 管道支架间距，m ；z 管 子 断 面 系 数 ，3cm， 通 常 管 子 的 断 面 系 数 公 式 为d 4d 4z；32dw 管道单位长度的重力，单位：10n / m ； 热态下管材受重力荷载部分的许用应力，mpa ，通常取h ；2h 管材在热态下的许用拉应力。按刚度条件计算：l1 4 ei10w式中：l和w意义同上，e 管材在热态下的弹性模量，mpa ；d 4d 4i 管子截面惯性矩，cm 4 ， i；64管子在跨中的挠度，mm 。按刚度条件计算时的主要因素为挠度值的选取。在装置内的管道， 一般选用挠度在mm 之间，推荐采用 mm 。对于装置外的管道，由于常设计成有坡度的管道（） ，其挠度采用较大值，可达mm 左右。在公称直径 mm 及以下的碳钢管道， 取 mm ，温度在 时，按刚度条件计算的 l 值要小于按强度条件计算的l 值。因此，当挠度较小时， 在常用的管径范围及温度范围内，管支架间距是以刚度条件控制的。当工作温度较高，且管道荷载较大时，小管道往往是要按强度条件决定支架间距的。管道的最大支架间距在许多参考书中都能查到，注意使用选取时应留有余地。对于形弯管，形弯管及三轴向弯管，其允许跨度往往按下式评定：l0.6 0.7l max式中： lmax 各直管段相加后总长。应指出管道荷载分布是很重要的问题，特别是在土建设计的大跨度的桁架上。管道的荷载分布是与支架间距有关的，如，大管支架间距较大，有的梁不支承，荷载过于集中在少数梁上， 形成支架设置与土建结构的计算不相等，这样引起梁的超载。 管支架设计者与土建设计者必须沟通设计条件，这是不可忽视的问题。垂直管道的支架间距垂直管道支架的设置， 除了考虑承重的因素外， 还要考虑防止风载引起的共振。在装置内较长的垂直管道多出现在塔类设备的周围或多层结构建筑物内。对此类垂直管道设备的支架间距大致可按不保温充水的水平管道支架间距进行调整。如，dn 100,7.5m; dn200,10 m; dn 300,12m; dn 400,13m 等。高温垂直管道的支架间距应按前值减小米，对每根垂直管， 考虑热膨胀常选用一个承重架，其余为导向架。如图装有波形膨胀节管道的支架间距根据美国膨胀节制造商协会的标准装有波形膨胀节的管道，支架应按左图设置。l max0.01571eipafex式中： e 弹性模量，kgf/ cm 2 ；i 惯性矩，cm4 ；l 管道支架间距，m ；p 设计压力，kgf/ cm 2 ；a 膨胀节的有效面积，cm2f 膨胀节的每波起始的弹性系数，kgf/ cm / 波；ex 膨胀节的每波的轴向行程，cm/ 波。确定管道支架位置的要点决定管道支架的位置主要考虑以下几点： 承重架距离不应大于支架的最大间距。除非采取其他增加管道跨距的措施， 否则这一点必须严格执行。 有压力脉动的管道还要按管道的固有频率来决定支架间距， 避免发生共振。 为保证不发生共振，通常管道的固有频率要求在次秒以上。管道的固有频率可按下式求取：1gf n2式中：挠度， cm ；g980cm / sec2 ；所以， f n4.982。梁的支承形式不同，求挠度的公式如下： 、特定连续架（有图）191920wl4ei，式中wdan , l cm ；、单跨简支架（有图）5384wl4；ei、一端固定一端简支（有图）1wl4185；ei、两端固定1384wlei4；、端点固定的悬臂梁1 wl4。8ei 尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。 做柔性分析的管道，支架位置根据分析决定，并考虑支承的可能性。 在垂直管到弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架。 在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。 尽量使设备接口的受力减小。 考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做临时支架。 支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响。管道布置过程中对支架位置的考虑配管设计人员在管道布置的过程中，应同时考虑支架位置及设置的可能性、合理性、经济性等。管道走向除了满足安全生产、工艺要求、操作方便、安装维修方便外，还应考虑： 管道尽量集中布置，做联合支架，减少分散独立的管支架。 管道布置应靠近可能做支架的点，如靠近建筑物的墙、柱，或沿平台下敷设，以便利用梁柱来支承。 尽量利用管道本身的自支承作用。例如：从管廊到某设备的管道或两个设备间的管道，做到无需另设支架，既经济合理，又满足管道柔性的需求。 管道柔性过大时，应增设支架减小应力和振幅，但应满足管道的膨胀要求。 使用波纹膨胀节时，应考虑管内介质的内压推力。如果没有结构能承受这种推力，就必须采用压力平衡式的膨胀节。. 压缩机等动设备的出口管道，应设置合适的支架，避免将振动传给其它管道，钢结构或建筑物 ，这些支架从防振的角度， 应优先选用滑动支架， 而不用吊架，更不易连续使用多个吊架。 管道应靠近生根点，使支架构件有良好的刚度及避免承受过大的力矩。 立式设备上部管口接出的管道，从设备上支承，可使相对位移尽量小。 管道成组布置时，各管道的支承面应取齐，以便设计支架。 采用弹簧支座或吊架时，管道与生根构件之间应有足够的空间。应力分析过程中对管道支架的考虑应力分析与支架设计者应对配管及土建结构的情况详细了解，及对整个管道支撑系统进行研究，取得一致意见，确定支架的位置及类型。经过应力计算，如 管道不能满足要求，应首先研究支架是否合理，能否通过限制性支架进行调整， 改善各部的应力分布。 如不可能，应增加管道的局部柔性。 每次修改需重新计算， 直至通过为止。应力分析应从比较重要、管径大、温度高的管道开始，依次逐个进行。在应力分析计算之前，应对管道支承的布置进行检查，检查内容如下： 承重架的间距是否超过最大允许间距。 所有支承点是否有可以生根的结构。如果没有如何解决？采用独立的新结构或修改配管。 是否有小管与计算的主管相连接？判断小管加入计算的必要性。 垂直段管段很长时，承重架设在何处并研究支架的类型。 支架生根在设备上时，支承点随设备的热膨胀发生位移是否考虑了？ 由于垂直管的膨胀，研究水平管上的支架脱空的可能性或产生支承点管道应力过大的可能性。 采用的弹性支架是否合理。 采用的限制性支架的位置及类型是否安全合理。对管道上支托点位置的要求 优先考虑的支托点，是管子而不是阀门、管道附件、膨胀节等。因为管子的外径是形成系列的，有利于使用标准图和通用图。 一般不在水平位置的弯头、弯管上作支托点，避免局部应力增加及影响吸收膨胀的效果；在垂直面上布置时弯头上做支承架倒是常见的，但特别重要时，高温管道则不希望这么做。 支托点应优先位于维修或清洗时不拆卸的直管上。下面讲一些典型配管的支架类型及位置。槽、罐类设备上部接管的支架在（）图 中应考虑点位置支架不至于脱空； （）图中 应符合垂直管段导向架间距离的要求，对高温管段应检查段柔性。塔类设备管道的支架（有图）支架通常尽量靠近设备管口，以减小设备口和支承点的相对热膨胀位移，减小热膨胀的反力。如支架至管口间的管道柔性不够，可改变管道走向， 适当增加管道的柔性。如垂直段较长， 点荷载过大， 应增设支架承重， 支架应采用弹簧架。 下接口管道的承重架位置设在与管道口相同的标高对热膨胀有利。泵管道的支架（这里仅讲一例）（）图中支架， 通常可以做成可调节高度的承重架；是限位架， 使泵入口水平管的轴线保持无偏移；泵口不至于承受过大的弯矩，支架为滑动架，应注意至弯头的距离如过小将会脱空。是水平限位架，对于大型的水泵出口管要注意止回阀关闭时的推力的作用。在止回阀及切断阀附近应有坚固的支架，以承受水击及重力荷载。安全阀管道的支架安全阀的管口承受外载引起的弯矩要求尽量小，以免阀体变形， 影响阀的性能。当支架设计时， 除承受管道重力荷载外， 还应注意泄放流体时产生的反力及其方向。安全阀出口管第一个支架应尽量生根在刚度较大的结构上。安全阀突然开启， 容易产生振动。 特别是大口径、 大压差的安全阀应注意防振。出口管为气液两相时，更应注意防振及避免水击。管廊上管道的支架管廊上管道支架的间距， 受到管廊结构的梁及柱间距的限制。小管道支架间距用， 大管道支架间距用， 最常用的， 对于小管道的最大允许支架间距小于时， 最好利用大管支承小管， 或在管廊的梁两侧另增加悬臂梁。、固定点应设置在主梁上，不要设置在次梁上。（有图） 、尽量使用固定架两侧的推力相差不大。（有图）、需要设波纹膨胀节或 型补偿器时， 应按可能采用的 型补偿器或波纹膨胀节的补偿量确定。 （有图）在有横向引出管道的接点时，导向架与接点或弯头的距离不宜太近，以免影响管道的柔性。三种常用的 型补偿器形式。（有图）管道支吊架的设计温度和管道直接接触的支吊架部分的设计温度取管道内部的介质温度，不与管道直接接触或管道保温层外侧的支吊架部分的设计温度，取介质温度的或环境温度，以二者较高的为准。管道支架生根的结构型式常见的生根位置有： 生根在设备上； 生根在混凝土结构上； 生根在墙上；生根在地面上；生根在基础上；生根在钢结构上；生根在大管上。在设备上生根在设计从设备上生根的支架时，要求在设备上预焊生根件。 这主要是因为设备造价高， 制造和检验要求高， 如果现场安装支架在设备壁上直接焊接，许多设备需要重新检验。对于经过热处理或应力消除的设备，现场安装时， 在设备壳体上焊接应被禁止，因为焊后残余应力会影响设备的防腐能力和机械性能，还可能出现变形。 对于非金属衬里的设备，现场焊接会损坏内衬，如橡胶，塑料，玻璃等，从而导致设备不能使用。常用的预焊件结构：在设备壁上贴钢板，。 （有图）单立板，。（有图）带筋板的立板，。（有图）多筋板与端板，。（有图）在支架与预焊件使用螺栓连接时，应注意各种螺栓适合的工作温度。通常 350，可使用 235材质； 351 575，应用耐热钢，如螺栓（ 35rmo）螺母（ 45 号）； 20可使用 35crmoa或 16mn； 21以下应使用奥氏体不锈钢作为螺栓材料。 另外， 应尽量在保温层以外使用螺栓连接， 可使用普通材料的螺栓（ 8.8 级）。贴板结构在钢板周边焊接，如板过大受力不好，钢板超过 200200 时，最好采用左图结构，用四块拼成。尤其对球面圆柱面尤为必要。在设备上使用三角架， 如设备的两个生根件之间壳体又有热膨胀， 而三角架则在环境温度下，处理不好，三角架和设备壁都会产生很大的应力。因此，这种情况应尽量不使用三角架。否则需在结构上采取措施。 如图。在实际设计中，应将预焊件的位置、荷载（力，力矩） ，预焊件的尺寸提供给设备设计者，以满足支架设计的要求。在混凝土结构上生根管道布置在建筑物内时, 管道支架在混凝土结构上生根是常见的. 通常采用的方法有 :预埋钢板；型钢；套管；在混凝土结构上钻孔后用膨胀螺栓固定。 预埋钢板便于支架安装，可适应施工中较大的位置偏差，广泛用于柱、梁、楼板、基础等的表面。 预埋型钢常用于梁、柱、基础等的拐角处，这种长条预埋件，通常用于.支架位置不确定时，还可起到保护梁、柱的作用。 预埋套管数量可根据工程需要，大多数采用1 寸钢管（ dn25），可穿过 m20 和 m24 的螺栓以连接支架构件。 膨胀螺栓用于支架生根，优点是不需预埋，缺点是有时位置不适合会碰上混凝土内的钢筋，且不适用于振动和有冲击荷载的场合。为保证生根件有足够的强度， 应将荷载包括力和弯矩， 扭矩等应提交给土建结构设计者，只提供预埋板的尺寸是不够的。对无预埋件的情况下， 可采用双头螺柱夹紧型钢构件的结构，使之抱在柱上。在柱间加梁的情况最好采用牛腿的结构，以免钢梁受温度变化对预埋件产生过大的力。穿过楼板的垂直管道， 需要在楼板面做固定支架时， 常在楼面孔周围预埋钢板，或在开孔附近预埋套管，用螺栓连接。在墙上生根在墙上生根的支架以悬臂和三角架为主。通常的做法有： 墙上预留孔， 砌预制块（带有预埋钢板） ，以及采用膨胀螺栓固定等。施工比较方便。（有图）需要提前做预制块，以便砌墙时使用，受力较好。（有图）临时转孔安装膨胀螺栓，只能用于荷载小的场合。（有图）在墙上生根支架，承载不能过大，应注意验算生根点以上的砖墙高度。hw1.02 lbhh0.6250.625 b式中： h 需要的填充墙高度，m ； w 管道的垂直荷载，t ； b 混凝土块宽度， m ；h 混凝土块厚度，或砖墙厚度，m ；l 悬臂的计算长度，m 。生根点没有足够的砖墙重量压住是不安全的。在墙上生根除了考虑混凝土的许用压应力外，还要考虑砖的许用压应力只有10 mpa 。生根在地面上在水泥铺砌的地面上做支架生根，由于铺砌面会受气候的影响，容易产生热胀冷缩而开裂变形， 特别是受土壤冰冻层的影响而变形隆起等情况。因此， 在地面上生根只限于不重要管道，并有柔性荷载小，地面变形对管道无影响的条件。在基础上生根管道支架的荷载较大， （1000n 以上），或者管道有振动，或对支架的支承要求高时，应在基础上生根。基础的大小和埋深与荷载， 地耐力，冻土深度等有关， 应有土建设计者决定。基础顶部的生根结构，通常有三种： 预埋钢板； 预埋地角螺栓； 预留孔，基础预留孔的深度一般为2030 倍螺栓的直径。二次灌浆层的厚度一般在 2030 mm 之间。在钢结构上生根支架在钢结构上生根是最常见的，通常采用焊接或用螺栓连接于梁或柱上。采用焊接的居多，这对于设计和施工都比较方便、灵活。如果荷载较大，生根部位应尽量位于主梁或柱上。 若在次梁上应靠近梁和柱的接点，以减小梁的变形， 应尽量避免使梁受扭 （有图）。为避免型钢的翼缘扭曲，常在受力处增加筋板（有图）。如果管道荷载较大，可尽量不用悬臂梁，以避免产生不必要的扭矩。在柱上生根经常采用悬臂梁或三角架。当柱子较细时， 也要避免受扭曲。 在钢结构上生根不需要预埋件，但是荷载的条件仍是需要的。否则， 土建结构的设计中缺少部分荷载（特别是大与5000n以上的荷载）是不安全的。另外，弹簧支座或聚四氟乙烯滑动板支于梁上时，常需将梁局部加宽。 在靠近螺栓附近，必须采用筋板加强。在大管上生根小管道的支架间距不能太大， 有时在大管与小管一同敷设时，可采用大管支承小管的方法。其形式如左图。图中小管必须是滑动支承。辅助钢结构支架辅助钢结构介于管部附着件和被生根件之间，悬臂梁、三角架等结构都属于辅助钢结构。 悬臂架和三角架a 图是最典型的悬臂架，生根部受弯矩，端部挠度较大，l 通常 500mm； b 图在根部设加强筋板，可减少根部的弯矩及挠度；c 图为变截面悬梁架，可采用大槽钢一分为二制作；d 图为三角支架可承受较大的力和力矩，l750mm，但一般不大于1500mm。 带水平斜撑的三角架如果水平力较大， 常在三角架横向构件同一高度处增加斜水平支撑。可显著降低水平弯矩。 但应注意斜支撑不要碰到其他管道或其他构件，并在有牢固的生根点时方采用。 上悬式型钢支架刚性吊架通常指圆杆吊架。 一般在上部结构及下部结构中均为铰接。当管道有水平位移时，吊杆成倾斜位置，有水平分力。但吊架的水平位移量是有限制的，移动范 围和杆长成比例。一般吊杆的转角为2 ，角应控制在 4以下，以避免吊杆对管道产生过大的水平力及荷载转移。在有热膨胀的管道中，经常采用较小的偏移量s， sl（ l 为拉杆长度）。20吊杆的承重应留有余地，要考虑圆杆的腐蚀量及邻近支架转移荷载的可能性。选用圆杆吊架时， 应注意各种刚性吊架都有其最小的结构长度。选用时， 总长度应大于通用图中最小结构长度。杆的直径按荷载决定，10mm以下一般不采用。q235-a碳钢吊杆作用拉应力宜控制在70 mpa 以内。不宜连续使用过多的吊架，在有振动的管道中不宜使用。圆杆吊架的中部常带有花蓝螺栓，便于调节长度， 同时需配有锁紧螺母， 以免松动。滑动支架管道下方有可支承的土建结构时，常选用滑动支架， 管托是比较经济且简单的滑动架，常采用t 形， h 形型钢及钢板制造。滑动架有水平摩擦力， 对抑制振动优于吊架。 滑动架多时， 传递到固定点上的水平力较大。 有时选用带聚四氟乙烯滑动板的支架，以降低水平摩擦力， 一般当垂直荷载在 1 吨以上时可考虑使用。聚四氟乙烯滑动板是工厂生产的专用产品，由聚四氟乙烯板与钢板制成， 安装在设备支座及管托等下面。 通常可使用一对四氟乙烯滑动板，或一块滑动板与不锈钢板配合使用。摩擦系数：对不保温的大口径（ dn300 以上）及重要管道的下面应焊接防止磨损的保护板。水平管的管托在支架中属于标准架，长度是定长的，（300,450）必要时可特殊加长。管托支耳设计时， 应防止热态滑落， 对热位移较大处的管托应仔细计算，偏置安装（与位移方向相反）管托偏置是d x 。2穿楼板的热管道尤其要注意，e 值应满足热位移要求， 避免管道与楼面管结构相碰，且不宜小于50mm。弹簧支架应与楼面相接，支耳应有足够长度，避免滑落，边缘最远应不越过弹簧支架中心20mm.左图 （ a）设计时应注意h 值不宜过大，取值应保证摩擦力产生的弯矩mfh在允许的范围内。滑动面以下的构件应为底部固定结构的柱式架，并可以承受fl 弯矩。另外，设备口附近的支架应优先选用（c）图的形式，避免采用b 图的形式。可变弹簧支吊架管道承重点如有垂直向热位移，一般要设弹性支架。 弹性架最常用的是变力弹簧吊架和变力弹簧支座。有时为增加支架的承载能力可将几个弹簧并联使用（ 2，4，6，8 个等）。有时支点的位移变化太大，以致使弹簧的荷载变化率超出了允许范围， 可将几个弹簧串联使用， 每个弹簧可在给定的荷载变化率的条件下增加了整个支架总的位移量。（通常串联数不超过2 个）。变力弹簧支吊架的荷载变化率一般控制在25以下。荷载变化率工作荷载安装荷载100 0 0弹簧系数热位移量100 0 0工作荷载工作荷载位移量的大小随弹簧系数而变化， 所以不能认为荷载变化率和弹簧系数成比例；但一般情况，弹簧系数越小，荷载变化率越小。荷载变化率越高，弹簧越接近刚性吊杆。相应地，对管道的热膨胀所产生限制越大。另外，变化率越小，相对一定的荷载和给定的位移弹簧就越笨重。在一般情况下， 弹簧架按热态吊零设计， 即保证管道在热态工作状态下，按个支撑点垂直位移为零设计。 管道在热态工况下具有良好的荷载分配。有时也有特殊设计需要，对某个或某几个弹簧支架按给定的安装荷载安装。弹簧支吊架是依据热态（工作时）的荷载ph 及垂直向热位移两个条件进行选用的。安装荷载pc 可按下式计算：pcphk（）式中： k 弹簧常数；热位移量；ph 工作荷载。每一种 k 对应一个弹簧号， k可以从弹簧系列表中查出。见附录h。一般 pc 和 ph必须在弹簧许用荷载的范围内，约在45 0 0 95 0 0 之间，并符合荷载变化率的要求。热位移向上时，式（）中应采用正号；热位移向下时，采用负号。出厂的产品应按pc 设定设置，并用卡板卡住弹簧在被压缩的位置，便于安装，在运行前将卡板除去。垂直向热位