在进行管道设计时, 首先要考虑满足工艺要求, 还要考虑设备、管道及其组成件的受力状况, 以保证安全运转。管道应力分析是涉及多学科的综合技术,是管道设计的基础。在管道应力分析过程中, 正确设置支吊架是一项重要的工作。支吊架选型得当, 布置合理, 所设计的管系不仅美观, 而且经济安全。
1 作用
管道支吊架主要有以下几个方面的作用。
(1) 承受管道的重量荷载(包括自重、充水重、保温重等) 。
(2) 阻止管道发生非预期方向的位移。
(3) 控制摆动、振动或冲击。
2 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, 主要有两个方面。
(1) 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联接的设备上。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以及力矩状况。因此, 管系的柔性不但受到管系形状的影响, 也受到所选定支吊架位置和类型的影响。
(2) 支吊架的设置非常灵活, 可变化的范围较大。支吊架的位置、数量和形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, 不同的设置形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。从以下方面分别说明：
a.间距
支吊架间距尤其是水平管道的承重支吊架间距不得超过管道的允许跨距, 以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许跨距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, 取刚度条件决定的跨距和强度条件决定的跨距中两者的小值。
b.柔性
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吊架点和选择支吊架类型。
c.位移
有管托的管道纵向位移不得超过管托的长度; 管托长度应留足余量, 并排敷设的管道横向位移不得影响相邻管道。
d.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。
e.类型
e.1支吊架从限制性可分为3 类: 固定架、导向架和支托架(或单向止推架) 。
e.2支吊架从力学性能又可分为刚性支架和弹性支架。
e.2.1. 刚性支架
从理论上说, 刚性支架的刚度为无穷大, 在外力荷载的作用下没有变形, 一般用在无垂直位移的地方。
e.2.2.弹性支架
弹簧都具有一定的刚度, 在外力荷载的作用下可以变形(位移) 。弹簧支架在弹簧工作范围内, 管道有小的变形过程时, 不会完全失去其分配荷载, 从而控制荷载转移量。弹簧支吊架一般用于管段在垂直方向有热位移的场所, 引起管道支点的变位, 若该支点为刚性支吊架, 将会妨碍管段的变位, 或使管段脱离支吊架, 致使管道产生过大的力和应力。如果采用弹簧管托、管吊则不会产生这种现象。弹簧支吊架分为两大类: 可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架。
e.2.2.1. 可变弹簧支吊架的特性是当管系在垂直方向发生位移后弹簧压缩或伸长, 支点受力发生变化, 管系在支点处的荷载将重新分配给附近支点, 一般常指定其荷载变化率范围为25 %。荷载变化率= | 工作载荷- 安装载荷工作载荷| 100 25 %当可变弹簧无法满足荷载变化率≯25 %之要求时, 即可选用恒力弹簧支吊架。
e.2.2.2 恒力弹簧支吊架是管系上下(垂直) 位移时, 其荷载不变, 即它的荷载变化率在理论上为零, 此类支吊架适用于垂直位移量较大的管系, 或者荷载变化率要求严格的场合。对用恒力弹簧吊架支承的管道和设备, 在发生位移时, 亦可获得恒定的支承力, 因而不会给管道和设备带来附加的力和应力。可避免管道系统产生不利的力转移, 以保证管道及设备正常运行。
f. 位置
确定管道支吊架位置有以下要点。
f.1. 满足管道最大允许跨度的要求。
f.2.在有集中荷载时, 支架要布置在靠近荷载的地方, 以减少偏心荷载和弯曲应力。
f.3. 在敏感设备(泵、压缩机等) 附近, 应设置支架, 以防管道荷载作用于设备管嘴。
f.4.往复式压缩机的吸入或排出管道以及其他有强烈振动的管道, 宜单独设置支架, 支架生根于地面上的管墩、管架上并与建筑物隔离, 以避免将振动传递到建筑物上。
f.5.除振动的管道外, 应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点, 且应考虑
生根点所能承受的荷载, 生根点的构造应能满足生根件的要求。
f.6.对于复杂的管道, 尤其是需要作详细应
力计算的管道, 还应根据应力计算结果调整其支吊架的位置。
f.7. 应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位。
f.8.应设在弯管和大直径三通式分支管附近。
f.9.安全泄压装置出口管道应根据需要, 考虑是否设置支架。
3.选用原则
(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托、管卡、管吊。焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊节省钢材且制作简单和施工方便。因此, 除下列情况外,应尽量采用焊接型的管托和管吊: ①管内介质温度≥400 ℃的碳素钢材质的管道; ②低温管道; ③合金钢材质的管道; ④生产中需要
经常拆卸检修的管道; ⑤架空敷设且不易施工焊接的管道; ⑥非金属衬里管道。
(3) 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置导向管托: ①安全阀出口的高速放空管道和可能产生振动的两相流管道; ②横向位移过大影响邻近管道; ③固定支架之间的距离过长, 可能产生横向不稳定时; ④为防止法兰和活接头泄漏而要求不宜发生过大横向位移的管道。
(4) 热胀量超过100mm 的架空敷设管道应选用加长管托, 以免管托落到管桥梁下。
(5) 支架生根在钢质设备上, 若设备需热处理时, 应给设备专业提供垫板委托。当设备为合金材质, 垫板材料应与设备材质相同。
(6) 对于生根在设备或土建平台上荷载较大的支架位置、标高和荷载应事先与相关专业联系。
(7) 凡需要限制管道位移量时, 应考虑设置限位架。
(8) 当垂直方向有位移时, 可选弹簧支吊架; 弹簧根据具体情况可用于并联和串联。
(9) 当管道在支承点有垂直位移且要求支承力的变化范围在6 %以内时, 管系应采用恒力弹
簧支吊架。
(10) 在管道支吊架通用图中无法选出合适的支吊架时, 可采取其它特殊形式支吊架。
4 应力分析
管道支吊架的设置除了对管系一次应力的大小有着直接的影响外, 还对调节管系的二次应力/ 端点推力起着重要的作用。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和管系端点推力在使用范围内是十分重要的。同时, 还可选择某种类型支架来限制管系在某个方向的位移, 从而减少设备管嘴的应力以保护设备, 尤其是那些敏感设备, 如压缩机、汽轮机和机泵的管嘴等。
(1) 泵
若弯头处选用刚性吊架, 对于温度较高的介质, 刚性吊架势必会托空, 管系上管道、阀门等重量以及热胀力都落在泵嘴子上, 支吊架失去了作用。改用弹簧吊架就会大大改善泵嘴子受力。
(2) 杠杆效应
在利用支吊架调节管道的应力时, 管道设计中充分利用或消除支架的杠杆效应是十分重要的。由于管道是一个刚度足够大的弹性体, 那么在任何有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。
综上所述, 在整个管道工程的投资中, 虽然支吊架系统所占的比例很少, 但支吊架对整个管系的安全运行起着至关重要的作用; 管道支吊架的设计与管系的应力密切相关, 可以借助设置支吊架来限制某个方向的力或位移, 从而使管系处于安全状态。从某种意义上来说管道的规划过程实际上是规划管道支吊架。由此可见, 管道支吊架的设计在管道设计中起着非常重要的作用。
沧州五森管道设备有限公司 管道支吊架
