管道支吊架的选用及设置

刘　辉Ξ　洛阳石化工程公司　洛阳　471003

摘要　在工艺装置的管道设计中,进行支吊架设置的设计时,应正确遵循设置方法和选用原则,应

使支吊架间距不超过管道刚度允许值并满足柔性要求,列举了具体选用原则,并对可变弹簧支架的选用进行了简述。此外还介绍支吊架对管道产生的一次应力和二次应力,并说明在管道设计中正确设置支吊架的重要性。

关键词　

支吊架　可变弹簧　柔性　应力　管道设计　　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。211　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。212　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。213　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。214　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。215　类型

(1)支吊架从性可分为3类:固定架、

导向架和支托架(或单向止推架)。

(2)支吊架从力学性能又可分为刚性支架和弹性支架。21511　刚性支架

3

22004,14(5)　　　刘　辉　管道支吊架的选用及设置　　　　　　　　　　　　　　Ξ刘　辉:工程师。1994年毕业于石油大学(东营),主要从事石油化工管道的设计。联系电话:(0379)4887291。

21512　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。

(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。

(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。

216　位置

确定管道支吊架位置有以下要点。

(1)满足管道最大允许跨度的要求。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(7)应设在不妨碍管道与设备的连接和检修的部位。

(8)应设在弯管和大直径三通式分支管附近。

(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。

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　　　　　　　　　　CHEMICA L ENGINEERING DESIGN　　　　化工设计2004,14(5)

(7)凡需要管道位移量时,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。411　泵

泵出口管道布置见图1。

图1　泵出口管道布置

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。412　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。以某厂减压转油线为例,见图2。

图2　减压转油线

整个转油线只有1个支架,它好比是1个杠

杆,支架设置的位置直接影响到减压塔嘴子的受力,如图2支架在a 和b 位置不同,减压塔嘴子的受力见表1。

表1　减压塔嘴子的受力

FX (N )

FY (N )FZ (N )MX (Nm )MY (Nm )MZ (Nm )操作工况a -234

-15832-1970-99082-9-365操作工况b-278-29327-2776-77412-1006775自重工况a -78-25845245949431-321452自重工况b-156

-38730

2390

58058

-566

519

　　从数据中可以看出,由于F Y 方向的力较大,引起的MX 的力矩也较大,但是F Y 值大,不一定MX 的值就大,它还与力臂有关,所以通过应力分析不断地尝试,最终可以找到一个最理想的位置,使减压塔嘴子受的力和力矩最小。

管道设计人员在设计支吊架时,先应将管系通盘考虑一下,如果管系复杂可将它分成若干个较简单的管系;对于高温、高压的管道一定要进行应力分析,以免由于支架的选择不当造成不良后果。

5　结语

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。

(收稿日期　2004-05-19)

5

22004,14(5)　　　刘　辉　管道支吊架的选用及设置　　　　　　　　　　　　　　

T echnology Progress and Consideration of Foreign Ethylene Industry

Xia Jinghua

　(Zhenhai Oil Ref i nery Chemical Co1L t d1,S IN O PEC,Ni ngbo 315207)

　Introduce that oil and chemical as one system is general trend of present oil refinery and chemical industries,which supply raw mate2 rials with each other,enjoys utilities and combined facilities with compensation of priorities,and then reduce investment and raise comprehensive economic benefit and risk2resistance capability1It es2 pecially elaborates decisive factors of capacity of foreign large size ethylene project;present technology development status;challenge faced by ethylene cracker;economic size of the plant;and reference and consideration for building new ethylene plant1

　K ey w ords　oil and chemical as one system　ethylene technology 　economic size　consideration

Selection of Agitator in Chemical U nit Equipment

Hua Y iqing

　(S hanghai Chemical Design Instit ute Co1,L t d1,S hanghai 200032)

　Analyze how to select agitator in chemical design,so as to reach process requirement through introduction of agitation purpose,agita2 tion mechanics and types of agitators1

　K ey w ords　agitator　selection

E ngineering Design of Acrylic Acid and R esin

Combination Plant of BASF Yangtze Petrochemical Complex

Xue Hongqing

　(S hanghai Engi neeri ng Co1,L t d1,S IN O PEC,S hanghai 200012)

　Introduce process technology,products,energy consumption and engineering design of160,000MTP Y Acrylic Acid and Resin Com2 bination Plant using BASF proprietary technology

　K ey w ords　acrylic acid and resin plant　process technology　en2 gineering design

E rection Design of Rupture Disk

Zhang Ningxia

　(Ni ngbo Engi neeri ng Co1,L t d1,S IN O PEC,Ni ngbo315801)　Describe basic types of the rupture disk,and principle to be taken care in design and erection processes1

　K ey w ords　rupture disk primary type　erection and design　se2 lection

Selection and Set2up of Piping Support and H anger

Liu Hui

　(L uoyang Pet rochemical Engi neeri ng Corporation,L uoyang 471003)

　Correct set2up procedure and selection principle should be fol2 lowed1Space between support and hanger should not exceed allow2 able values of pipe rigidity,and its flexibility requirement should be met during design of set2up of the support and hanger in process plant1Indicate practical selection principle,and briefly describe the selection of variable spring support1In addition,elaborate primary and secondary stresses acted on pipes from the support and hanger, as well as importance of correct setting up the support and hanger in piping design1

　K ey w ords　support and hanger　variable spring flexibility　stress　piping design

Application of Polymer Piping Materials in Semiconductor,

Ph arm aceutical and Biology E ngineering

Y ang Xiaojun,et al

　(S hanghai Engi neeri ng Chemical Design Instit ute Co1,L t d1, S hanghai200235)

　Expound main features,welding procedure and application of high purity and super purity stream2conveying in semiconductor,pharma2 ceutical and biology Engineering of polymer pipeline

　K ey w ords　polymer pipeline　super purity　welding　applica2 tion

S afety Design of T ank F arm of Liquef ied Petroleum G as

Zheng Wei

　(S IN O PEC Engi neeri ng Const ruction Corporation,Beiji ng 100101)

　Measures are taken to both intrinsic safety and process,and put forward some suggestion,so as to insure safety of tank farm of lique2 fied petroleum gas1

　K ey w ords　liquefied petroleum gas　storage tank　pressure　safety

R eliability Prediction on R em aining Life of

Corrosion of Pressure Steel Pipeline

Zhang Taoxian,et al

　(W uhan Poly2technique College of Indust ry and Com m unica2 tion,W uhan430015)

　Maximum depth of corrosion of the pressure pipeline is in accor2 dance with I type maximum value distribution through analysis,the remaining life of the corrosion,quantitative relationship of corrosion rate,coefficient of variation,corrosion allowance and reliability es2 tablished,and calculation formula of the remaining life of the corro2 sion determined1Practical calculation based on escalated data collect2 ed in actual test is carried out,and conclusion is that the calculation method described in this article is more scientific and reasonable than existing method1

　K ey w ords　pressure pipeline　corrosion depth　I type maximum value distribution　remaining life of corrosion　reliability

C revice Control of Structural Component of R einforced Concrete

Cheng Zhengyi

　(Donghua Engi neeri ng Scientif ic and Technology Co1,L t d1, Hef ei230024)

　The structural component of reinforced concrete should meet limit status of bearing capability and requirement of normally utilized limit status1Discuss relevant factors and relationship to affect on width of the crevice,put forward suggestion of making good use of function of steel bar and concrete materials respectively,and optimizing design1　K ey w ords　reinforced concrete　crevice control　strength con2 trol　bar preparation rate

Probe on Design of Lightening Protector in Polypropylene Plant

Guo Yusheng

　(S IN O PEC Engi neeri ng Const ruction Corporation,Beiji ng 100101)

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2004,14(6)　　　　　　　　　　ABSTRACTS OF CHEMICAL EN GIN EERIN G DESIGN