管道设计中支吊架的正确设置

1、管道设计中支吊架的正确设置作者: 日期：管道设计中支吊架的正确设置彭进摘要:在炼油厂工艺装置及系统管道设计中,进行支吊架设置的设计时， 应使支吊架间距不超过管道刚度允许值和满足柔性要求，严格遵循正确 设置支吊架的方法和选用原则，列举了 9条具体选用原则,对可变弹簧支 架的选用方法也进行了详尽的叙述。此外，还介绍了支吊架对管道产生 的一次应力和二次应力所起的作用，并以同一管道选用不同支架类型的 应力分析计算，说明在管道设计中正确设置支吊架的重要性。主题词：管线支架 管吊 设计 类型 位置 应力 应用CORRECT INSTALLATION OF SUPPORTS & HANGERSIN PIPI

2、NG DESIGNP eng J inLuo yang Petrochem i cal Engi n eeri n g Corpor a ti o n (L u oyan g, Henan471003)Abst rac t When in sta 1 lin g supp o rts a nd hangers i n p i ping desig n of petroleum pro cess units and r ef iner y wide syst e m, the spac e b e tw e en subhang e r s s h oul d not exce e d the

3、a 1 lowab 1 e v alu e of pip e rig i d i t y and s h ou 1 d mee t f 1 e xi b il i ty requirem e nt of t h e pi p ing s y s t em. Mea n while, i t sho u 1 d s trictly comp i 1 e the cor r ect method a nd se 1 ection p r i nciples for support and hang e r i n s ta 1 1 a tio n . Ni n e s pe c if i c s

4、e lecti o n pri n ciples t o gether with the s e 1 e c t i on method fo r vari able s p ring s u pp o rts were described i n deta i 1. Eff e c t s o f s u pport s and hange r s on both primary a nd secon d ar y s t r e s ses of t he pipe wer e a Iso introduc e d. The importance of co r rect i ns t a

5、 llatio n o f supp o rts and hangers in pip ing des i g n were em p hasized wit h an e x ample of str e ss a na 1 y s is a nd calcula tion for se 1 ecting di f feren t t y pes of sup p ort f or th e same pi P eK e ywords pip e sup p ort, hanger, d e si g n，a lloc a ti o n, s t ress,ap p1i c atio n管道

6、设计应力分析的u的是确保管系安全可靠,它是涉及多种学科的 综合性技术，也是管道设计的基础。在进行管道应力分析时，除做到管道 布置满足要求并安排合理外，还应合理设置支吊架。正确设置管道支吊架 是一项十分重要的技能，支吊架位置布置合理,选型得、s不仅可使管道 整齐美观，而且也可达到经济合理和运行安全的的。P 管道支吊 架的位置及类型管道支吊架的位置及其类型对已定管系的受力状态的影响很大，主要 有以下两个方面。A 首先,是对管系的应力分布状态、最大应力值、管 系的端点作用力和力矩有影响，因为这种管系端点的荷载将会传递到与 该管端相连接的设备上。因此，支吊架设置得当，能改善管系中的应力分 布和端点受力

7、（力矩）状况。显然，管系的柔性不但受到管系形状的影响, 而更重要的是受支吊架位置和其类型的限制和约束。亠其次，支吊架设 置的灵活性，其可变化的范围较大。支吊架的位置.数量和型式选择往 往因人而异。对同一个管系存在着多种支吊架设置方案，不同的设置型式 将反映出不同的应力分布、应力值及端点受力。因此，在进行管道设计 时，为使管系具有足够的柔性，除了应注意管系走向和形状外，支架位置 和型式也是相当重要的。必 管道支吊架位置的确定应遵循5个原则。 1.1 严格控制支吊架间距A支架间距尤其是水平管道的承重支架间 距不得超过管道的允许跨距（即管道的最大间距），以控制其挠度不超 限。一般连续敷设的管道允许跨

8、距（L）应按三跨连续梁承受均布荷载时的 刚度条件计算，按强度条件校验，取两者中的最小值。1. 1. 1刚度条侮 根据管段不应在轻微外界挠力作用下发生明显振 动的要求，装置内管道的固有振动频率不宜低于4次/秒,装置外管道的 固有振动频率不宜低于2. 55次/秒，相应管道允许挠度在装置内为16 cm,在装置外为3.8 cm,它们的跨距应按式和式（2）计算式中：Lx一一装置内管道山刚度条件决定的跨距亠 置外管道由刚度条件决定的跨距，m；Et管材在设计温度下的弹性模数，MPa；I管道扣除腐蚀裕度后的断面惯性矩，cm1； q管道的质量，kg/mo1.1.2强度条件在不计算管内压力的条件下，跨距应按式（3

9、）计算MT(3)式中：L2按强度条件计算的管道跨距，m;w管道扣除腐蚀裕度后的断面抗弯模数,cm3;o 管材的许用应力，MPa；考虑管道内产生的环向应力达到许用应力值，即轴向应力达到许用应 力的二分之一时，装置内外的管道山管道重量荷载及其它垂直持续荷载 在管壁中引起的一次轴向应力不应超过额定许用应力的二分之一，即。二的前提下，其跨距L：应按式（4）计算式中：。七一一管材在设计温度下的许用应力,MPao1. 2满足管系对柔性的要求a 尽量利用管道的自支承作用，少设置 或不设置支架。要利用管系的自然补偿能力合理分配支架点和选择支架 类型。1.3控制管道纵向和横向位移有管托的管道纵向位移不宜超过管托

10、长度；并排敷设的管道横向位 移不得影响相邻管道。14满足支吊架生根条件必须具备生根条件的支吊架一般可生根在地面、设备或建、构筑物上。 1.5管道支吊架的类型丄 按管道支吊架的功能和用途，支吊架可分为 3大类10小类（详见表1）；从对管道应力的作用考虑乂可分为支架或支 吊架、限位架、导向架、固定支架和减振或隔振支架;按支吊架的力学性 能乂可分为刚性支架、弹性支架和恒力支架表1管道支吊架分类表大类小类名 称用途名称用途承重支架承受管道重量（包括管道 自重、保温层重量和介质 重量等）刚性支 架可调刚 性支架 可变弹 簧架恒力弹 簧支架无垂直位移的场合A无垂直位移， 但要求安装误差严格的场合A有 少量

11、垂直位移的场合垂直位移较大或要求支吊架的荷 载变化不能太大的场合限制性用于限制、控制和约束管 道在任一方向的变形固定架A限位 架固定点处不允许有线位移和角位 移的场合限制管道任一方向线位移的场合支架一限禺架一II忻 劭K减振支架一般减振器4 弹簧减振器嚅合 缺场 闽W-2管道支吊架的力学效果和选用原则2*.l支架的失载率和荷载变 化率通常管道支吊架的失载率可用下式表示从式中可看出，失载率是以安装荷载为基本荷载的，即失载的多少是 相对于常温时的荷载而言的。亠弹簧支吊架的荷载变化率为且r：0,其基本荷载是在操作温度下的荷载，所以弹簧支吊架荷载变 化是相对于工作荷载而言的。必2.2刚性支架从理论上说

12、，刚性支架的刚度很大，在外力荷载的作用下没有变形， 不过在某些情况下，如管道的热胀、冷缩或支架受到沉降等强迫位移时， 刚性支架有可能失去外力荷载，失载的多少可用失载率来表示。2. 3弹性支架弹簧都具有一定的刚度，在外力荷载作用下可以变形（位移）。弹簧支 架在弹簧工作范圉内，管道有小的变形过程时，不会完全失去其分配荷 载，一般常指定其荷载变化率范围为25%从而控制荷载转移量。2. 4 恒力支架从理论上分析，刚性为零的支架为恒力支架，所以恒力支架的荷载变 化率为零（实际上一般为7%8%）,在管道的变形过程中，在它的工作范圉 内不发生荷载转移或失载（不考虑构件误差及摩擦损失）时，rFr：=Oo 管道

13、支吊架选用原则有如下9点2:（1）选用管道支吊架时，应按照支承点所承受的荷载大小和方向，管道 的位移情况、工作温度、是否保温或保冷以及管道的材质等条件选用合 适的支吊架。（2）设计时应尽可能选用标准管卡、管托和管吊，以加快建设进度。 尽量采用制作简单和施工方便的焊接型管托和管吊以节省钢材。必（3） 符合下列特殊情况者可采取其他特殊型式管托和管吊：管内介质温度 2 4 00C的碳素钢材质的管道;输送冷冻介质的管道；生产中需要经 常拆卸检修的管道；合金钢材质的管道；架空敷设且不易施工焊接 的管道。(4)防止管道过大的横向位移和可能承受的冲击荷载，以保证管道只 沿着轴向位移，一般在下列条件的管道上设

14、置导向管托：安全阀岀口 的高速放空管道和可能产生振动的两相流管道;横向位移过大可能影 响邻近管道，以及固定支架的距离过长而可能产生横向不稳定的管道; 为防止法兰和活接头泄漏而要求不发生过大横向位移的管道;为防止 振动而岀现过大的横向位移的管道。(5)热胀量超过100 mm的架空敷设管道应选用加长管托，以免管托落 到管架梁下。亠 (6)支架生根焊在钢制设备上时，所用垫板应按设备 外形成型。当碳钢设备壁厚大于3 8 mm时，应取得设备专业的同意；此 外，当支架生根在合金设备上时，垫板材料应与设备材料相同并应取得设 备专业的同意。(7)对于荷载较大的支架位置需事先与有关专业联系，并提岀支架 位置、标

15、高和荷载情况。亠(8)下述1：况应选可变弹簧:当管道在支承点处有向上垂直位移，使支架失去其承载功能，该荷载的转移将造 成邻近支架超过其承载能力或造成管道跨距超过其最大允许值的情况； 当管道在支承点处有向下的垂直位移，而选用一般刚性支架将阻挡管 道位移的情况；垂直位移产生的荷载变化率应不大于25%：当选用 的一个弹簧的变形量不能满足要求时，可串联安装两个弹簧;串联的两 个弹簧，承受的荷载应相同，总位移量按每个弹簧的最大压缩量的比例进 行分配;Y实I：小荷载超过选用弹簧规格表中最大允许荷载时，可选用两 个或两个以上的弹簧并联安装；并联弹簧应选用同一型号的弹簧，按 并联弹簧数平均分配荷载。(9)当管

16、道在支承点有垂直位移且要求支承力的变化范围在8%以内时，管系应采用恒力弹簧支架。“管道支架在应力分析中的作用在管道设计中不考虑支吊架限制管道在振动或抗震中的作用时，一 般支吊架有3种作用。3. 1管道的承窘 管道设计中支吊架的基本作用在于承受管道的自重 和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在许用范圉内。一次应 力的大小是衡量管系能否安全运行的标准之一。若一次应力过大，管系 可能会受到破坏。山管道的内压和外载产生的一次应力的大小和作用与 在管系上的荷载及管道和其配件的截面有关。装置的规模确定后，便可确 定各个管道的管径。管道设计时不能任意改变工艺流程图上规定的管径, 而管道的一次应力和支

17、承端承受荷载的大小却可通过设置支吊架来加以 调整。因此，管道支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。 当水平管道上支吊架太少时，不仅会使一次应力增大，同时也会使管道的 挠度增大，以至超过许用值,而不利于管系的安全运行。3.2金调节管系 二次应力/端点推力管道支吊架的第二个重要作用是调节管系的二次应力/端点推力。一般 来说，管道承受荷载所产生的一次应力是非自限性的，其值不超过管材 的许用应力即认为是可靠的，而对于山管系在热变形过程中受阻所引起 的自限性的二次应力需用热胀许用应力范圉来判断(热态与冷态应力的 代数差称为应力范圉)，通常热胀许用应力范圉不应大于式(5)计算所得的数值O A=f

18、(1.25oc+0. 25 Oh) (5)式中：o&热胀许用应力范H,MPa；Aoh, oc热态和冷态管材的许用应力，MPa；f一一根据管道在工作年限内伸缩的总循环次数确定的应力降低系 数。所以，正确选用支吊架,调整和改善管系的应力分布状态，使管系适 应变形的需要，并使管系端点推力在许用范圉内是十分重要的。同时， 还可选择某种类型的支架（或限位架）以限制管系在某个方向的位移，从 而减少设备管嘴的受力（或应力），以保护设备，尤其是那些敬感设备， 如压缩机、汽轮机和机泵的管嘴等。在利用支吊架调节管道的应力/端点推力时，管道设计中充分利用或 消除刚性支架（固定支架除外）的杠杆效应是十分重要的。山于管

19、道是一个刚度足够大的弹性体，如设计中不是按简支梁条件来 分配管道的荷载，而是按照吊零加给定荷载条件分配荷载，那么在任何 有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。亠 以下是在设计中利用或消除 支架杠杆效应的例子。在实际配管设计中，经常使用支吊架以减少机泵进出口管道对机泵 等设备进出口管嘴的受力，有时必须消除山于支架产生杠杆效应的影响, 其情况如图1所示。图1配管示意图为了达到上述要求,一般在為近设备处设置支架Ao在一般条件下， 设备的刚性是很大的，所以在进行管道应力计算时，将设备作为一个刚 性体来处理。此时，在设备E点处将产生一个数值较大的力F,产生的 原因是自A至B段管道自重产生的弯矩需要弯矩FXE

20、A来平衡，当 距离E A的数值很小时，力F的值必然很大，故当初考虑减小设备受力的 U的就达不到。如果适当移动A点（杠杆支点）的位置，则可调节力F的大 小。此外，若允许支点A略微下沉，则可消除山于吊零分配荷载在A点 引起的杠杆效应，弯矩M就会大幅度地减小，从而使力F也大大地减小。 将A点下沉的方法是利用管道的重力，对刚性支架给定间隙或将刚性支 架改用弹性支吊架或恒力支架。但在实际配管中，山于计算岀的A点位 移（下沉）值在施工中是难于保证的，故在A点处使用弹性支吊架或恒力 支架为宜，也可用可调支架。3.3消除管道布置不当造成的荷载转论 如前例所示，管道支吊架在 柔性设计和应力分析中有着特殊作用。根

21、据对管道支吊架的分析，通常 为了满足一次应力/挠度的要求，要增加支吊架数量，以减少管道的受力, 但从降低二次应力这一方面岀发，则要求减少支架对管道的约束,使管系 尽可能地自山变形，以降低二次应力/热推力，考虑到经济、美观及场地 等限制条件，也要求减少管道支吊架的设置。因此,在管道设计或应力分 析中，考虑如何合理而适当地设置支吊架是很重要的。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架来消除刚性支吊架造成的失载，满足应力/ 推力的要求等，下面举一个简单的管道布置例子，如图2所示。图2配管示意图某炼油装置的一根219 mmX6mm管道，材质为碳素钢，操作温 度为300C,压力2.0 MPao现设定B点处分别使用刚性支架和弹性支 架，并对两个方案分别计算。必 方案1假设人和C点为固定点，B点 上使用一个约束。在常温下，由W+P1+F（S US）（计算一次应力的工况） 产生的一次应力最大值为98. 5 4 MPa,二次应力（E XP）最大值为15 8.4 5