管道支吊架分析

管道支吊架分析第1页/共45页管道支吊架作用

1）支撑管道；

2）承受管道的垂直荷载；

3）承受来自各方面的力和力矩管道支吊架是管道和与之连接的设备的安全的保证，管道运行时所产生的各种力和力矩，通过支吊架的支承和隔断，

如与转动设备连接的管道，其设备管嘴受力有严格限制，可通过支吊架使设备嘴子上的外力控制在允许数值范围之内。第2页/共45页管道支吊架分类

1）承重支吊架：支吊管道的重量，由管下部支承管重的叫支架，由管上方吊的叫吊架。可细分为：

刚性支吊架—用以承受管道自重载荷并约束管系在吊点处的垂直位移；

可调刚性支吊架或可变弹簧支吊架—用以承受管道自重载荷，但其承载力随支吊点处管道垂直位移的变化而变化；

恒力弹簧支吊架—用以承受管道自重载荷，且其承载力不随支吊点处管道垂直位移的变化而变化，即载荷保持基本恒定；滑动支架—将管道支撑在滑动地板上，用以承受管道自重载荷并约束管系在支点处的垂直位移；滚动支架—将管道支撑在滚动部件上，用以承受管道自重载荷并约束管系在支点处的垂直位移。第3页/共45页2）限制性支吊架：限制和约束管系因热胀、冷缩引起的位移。作用是按设计要求限制管道在某一方向或某些方向的位移。细分为：

固定支架---在固定点处不允许线位移和角位移，在支点处完全约束住；

限位支架---用以约束或部分限制管系在支点处某一（几）个方向的位移；（允许管系的某一点有角位移，但不允许有横向位移）；

导向支架---管系可以沿轴向移动，不能沿某一或所有径向位移（留有间隙的导向支架允许管道沿径向位移特定的数值）。水平导向支架限制横向位移，使管道只有轴向位移，同时还承载；垂直导向支架限制横向位移，使管道只有轴向位移，但它不承载第4页/共45页

3）防振支架：限制由外力，如振动、地震、风压、水击等引起管系位移或减振防振用。细分为：减振支架—用以控制管道振动，同时对管道热胀、冷缩有约束作用；阻尼减振器—用以约束管道振动，同时允许管道自由热胀或冷缩

（防振器---用于需要防振、减振的地方，有导向防振器、弹簧式防振器、油压式防振器等；缓冲器---缓和以地震、水击、安全阀排出等外力引起的振动，有刚性式、弹簧或油压式。）第5页/共45页吊架的荷重变化率吊架的特性，最重要的一点是：管系在垂直方向位移前后，支点受力发生变化，其变化的百分率即为荷重变化率。圆柱形螺旋弹簧吊架的弹簧变化符合虎克定律，即所以（1）式可写成：WH、WC----分别为运转时和安装时承受的荷重，kg；

k---弹簧常数，kg/mm；δ---弹簧的变形量，mm；

---荷重变化率，%。

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管系在支点处的重量，因吊架受力变化将重新分配给各支点。恒力吊架k=0，荷重变化率理论上等于零；刚性吊架k=∞，荷重变化率为无穷大；荷重变化率越大越接近刚性吊架，高级吊架荷重变化率小。荷重变化率多少为好？与管系的规格、材质、温度、压力及设备管嘴允许受力等有关，一般取15～20%。第7页/共45页恒力吊架及重锤式吊架第8页/共45页恒力吊架：恒力吊架（定负荷吊架）是在指定的行程范围内，管系上下（垂直）位移，其荷重量不变的吊架，荷重变化率为零。适用于垂直方向位移最大的管系。重锤式（平衡锤式）吊架---最简单，一般用于荷载力300kg以下场合。为减小平衡重，有滑轮组或杠杆装置。支承荷载大时，重锤加重，或多加滑轮，滑动部分增多，摩擦阻力容易影响荷重变化率，所以多用于低荷载场合。第9页/共45页

恒力弹簧吊架---应用多，外形图如下第10页/共45页内部结构图如下第11页/共45页工作原理图如下第12页/共45页第13页/共45页

由于制造、平衡吊架的自重和回转部分的摩擦阻力等影响，实际在恒力吊架上并不是作用恒力，其荷重变化率为5%。当设计荷载和实际支承荷载有偏差时，要进行调整。一般恒力支吊架有调整装置，调整范围为设计荷载的正负10～15%。恒力吊架的几种安装形式如下图：第14页/共45页第15页/共45页弹簧支吊架

弹簧支吊架的荷重随着管子的位移变化而变化，所以也叫可变弹簧吊架。根据鲁默斯公司规定：支点垂直位移超过2.54mm者要用弹簧支吊架，小于此值不可用。现有弹簧支吊架几乎都是使用圆柱螺旋弹簧，结构如下图：

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现在广泛使用的弹簧支吊架标准荷重（行程中间值）是35～14000kg，行程是0～120mm范围内。弹簧支吊架也有栓锁装置，用松紧螺栓调整荷重。荷重变化率不超过20%，最佳范围正负15%。计算位移量不超过行程范围的40%，固最大允许荷重变化率超过20%或位移行程超过形成范围40%时，应选用恒力支吊架。弹簧支吊架的几种常用安装形式如下图：第17页/共45页第18页/共45页刚性支吊架如图示，左侧为刚性吊架，右侧为刚性支架。由于有管托或吊杆所以管子和支承梁或吊梁之间有一定距离。刚性吊架的吊杆过短会影响管子水平方向的位移。刚性支架适应于管道在轴线方向或横向位移。刚性支架最便宜，在可以使用场合，尽量使用。第19页/共45页第20页/共45页限制性支架可分为：固定支架---把管子完全固定在支架上，限制它的线位移和角位移的支架叫固定支架。

下列情况使用固定支架：1）需防止因热胀或机械位移使设备或机械上的管嘴、支管引出点和铸铁阀处有过大位移时要用固定支架；2）用固定支架控制热胀量。如在装置边界处的管道上设置固定支架，把管道分为两个管系，其热胀量分别由装置内外管道吸收。第21页/共45页塔上固定支架，可避免塔顶气相管热胀推力和管自重作用在塔顶管嘴上，同时上部管系一般不再补偿，即可保证设备安全运行1、固定支架；2、导向支架第22页/共45页

限位支架---是至少限制一个方向变位的装置。

导向支架图第23页/共45页限制横向位移，如图，用杠杆限制轴向位移，允许横向位移或角位移第24页/共45页第25页/共45页第26页/共45页导向支架：用于限制管道横向位移和角位移，允许有轴向位移。吸收轴向位移的波纹管膨胀节和填函补偿器等，均应在两侧设导向支架。图a允许管道轴向位移，但不能横向位移或旋转，b使管道不能横向移动，c为管道穿越楼板或屋面时的导向支架。第27页/共45页防振器和抑振装置的管道和设备发生振动的原因大致如下：1)流体的不规则流动或流体通过弯管部分由于动能的变化，或由于周期性的外力作用；2)泵、压缩机、透平等回转或往复运动的机械不平衡而引起机械的振动；3)室外管道和设备受周期性的风压；4)安全阀和减压阀的急速开放引起的冲击和振动；5)阀关闭时产生的水剂作用；6)压缩气体和两相流体的湍振；7)地震；8)船舶的船体动摇。第28页/共45页

消除振动的根本措施是查明和消除振源，但是难于做到，通常用支架约束管系，或提高管系的固有频率，避免管系与设备发生共振。但如此也限制了管系的热胀，增加了管系的热应力和支架反力。所以使用防振支架时，需对管系做应力解析，确保应力和反力在允许范围内。管道用防振器的型式，分为：

1)限制和刚性式；

2)弹簧式；

3)油压式。第29页/共45页限制、刚性式抑振器----防振最简单的方法是设置几个固定支架。但完全固定x、y、z三个方向后，由热胀引起的应力、反力会过大，所以，须用限位支架和导向支架来放松一个或两个方向，使管系对热膨胀有一定的补偿能力。减弱和抵消振动的限制性刚性抑振器如下图：第30页/共45页第31页/共45页第32页/共45页

弹簧式防振器----圆柱式螺旋弹簧防振器的机理是在管系的弹簧常数上加上防振器的弹簧常数，以提高整个管系的固有振动频率，使它大于干扰引起的强迫振动频率1.5倍以上，防止共振。第33页/共45页第34页/共45页

油压式防振器---在油缸内的活塞上有节流孔，利用动作时油高速流过节流孔的阻力来防振。阻力F与活塞速度V的n次方成正比。第35页/共45页第36页/共45页支架附属配件各种支承装置和管道连接时需要用各种配件，大致可分为焊在管上和不焊在管上的两种。不焊在管上的配件：管卡、鞍形托座、吊钩、U形管卡等。适用于较小的管子，不能承受大的荷载，除管卡外，其它各形式只适用于水平管，而不能用于垂直管段。焊于管上的配件有：吊耳、管托、支耳、裙座等。都适用于高温和重荷载，除管托外都没有标准件。吊耳对水平、垂直或倾斜管子都适用，一般吊架都用到它；支耳比吊耳多设一加强版，能承受荷载比吊耳大；管托只适用于水平管，耳轴比上述三种更耐高温和大荷载；裙座不仅可承受更大的轴向荷载，而且能承受弯矩。吊架一般由三部分组成，上部与建筑物或构筑物相连接，下部用吊耳与管道相联接，中间是联接上下部分的拉杆。吊架常用圆钢或扁钢制作，有时中间还插有弹簧元件。第37页/共45页管道支吊架设计基础数据确定管道支吊架的设计，在日本无相应国家统一标准；在美国有制造厂标准化协会（MSS）订有材料和设计（MSSSP-58-1967）、管道支架和应用（MSSSP-69-1966）及管道支架委托合同的指导（MSSSP-77-1971）等。

SP-58和SP-69对主要设计数据的确定要求要点如下：

1）对全部支吊架材料的许用应力，取材料的最小抗拉强度的1/5；

2）凡直接与管道接触的支吊架或部件的设计温度，取管道内介质温度；如有隔热层、不与管道直接接触者，按馆内介质温度的1/3或大气温度，两者中取大值；

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3）支吊架用螺栓的许用应力比第一项规定的值在减少25%,并取螺纹根部的截面为计算基准；弹簧圈直径比为4：1

4）恒力支架的行程偏差，要求在6%以下，偏差的定义为：偏差=（下移量的最大读数-下移量的最小读数）/（下移量的最大读数+下移量的最小读数）×100%5）弹簧支吊架用圆柱螺旋形弹簧，其自由高度与第39页/共45页管道支吊架位置的确定管道支吊架（不包括振动管道支架）位置，除在管道的允许跨度内设置外，尚应考虑下列事项：

1）靠近管系的两端，当管系与设备相接时，尽量靠近设备管嘴，以减少其受力和弯矩；

2）管系中有阀门、小型管道设备等集中荷载时应设在集中荷载的附近；

3）弯管附近，大直径三通式分支管处附近；

4）管系有垂直管段时宜在垂直管段上部或下部设承重支架，垂直管段很长，中间应设导向支架；

5）尽可能利用建筑物、构筑物的梁、柱设支架的生根结构，且不使梁柱弯曲变形；

6）检查附近的管道，看看是否可以合用一个管架；

第40页/共45页7）支吊架位置，不妨碍管系与设备的连接和检修。不得设在需要经常拆卸、清洗和维修的部位上；

8）对弹簧支吊架应设在位移量小的地方，对人工补偿器两侧的导向支架应按有关规定。第41页/共45页支承荷载的计算管系是三元超静定结构，因而对于包括端部在内有四个以上支承点的管系，单从静力学平衡条件去求支承荷载是不可能的。简单的方法是刚体分割计算法，或称力矩平衡法，此法把管系视为一个刚体，逐次把管系分割为静定梁计算，计算必须符合下列条件：

1）管系的计算重量之和与支承荷重之和相等；

2）由管系的重量产生的力矩与支承荷重所产生的力矩之和为零。第42页/共45页支承点移动量的计算用人工计算支承点移动量时，通常把管段当做刚体而不考虑其弹性。比例法是一种简单的计算法，此法不适用于有管径变化或有支管引出的复杂管系。这种方法只要掌握两个已知点，中间点位移可根据距