管道支架的设计分析.docx

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管道支架的设计分析

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２ｍ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。

⒈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。

1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。

ａ、刚性支吊架：

用于无垂直位移的场合。

ｂ、可变支吊架或弹簧吊架：

用于有少量垂直位移的场合。

ｃ、恒力吊架：

用于垂直位移较大的地方。

2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。

ａ、导向架：

使管道只能沿轴向移动的支架，不允许有角位移。

ｂ、限位架：

允许管子的某一点有角位移，但不允许有线位移。

ｃ、固定架：

不允许支承点有三个轴线的全部线位移和角位移。

3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。

⒉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：

ａ、单跨梁（有图）

ｂ、多跨连续梁（有图）

ｃ、Ｌ形弯管（有图）

ｄ、Ｕ形弯管（有图）

ｅ、三轴向弯管（有图）

①支架间距按强度条件计算：

式中：

—管道支架间距，；

—管子断面系数，，通常管子的断面系数公式为；

—管道单位长度的重力，单位：

；

—热态下管材受重力荷载部分的许用应力，，通常取；—管材在热态下的许用拉应力。

②按刚度条件计算：

式中：

意义同上，

—管材在热态下的弹性模量，；

　　　　　　—管子截面惯性矩，，；

　　　　　　—管子在跨中的挠度，。

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１０～２０之间，推荐采用＝１５。

对于装置外的管道，由于常设计成有坡度的管道（２‰～５‰），其挠度采用较大值，可达３８左右。

在公称直径６００及以下的碳钢管道，取＝１５，温度在３５０℃时，按刚度条件计算的值要小于按强度条件计算的值。

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Ｌ形弯管，Ｕ形弯管及三轴向弯管，其允许跨度往往按下式评定：

式中：

—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。

⒊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，等。

高温垂直管道的支架间距应按前值减小１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

⒋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。

式中：

—弹性模量，；

—惯性矩，；

　　　　　—管道支架间距，；

　　　　　—设计压力，；

　　　　　—膨胀节的有效面积，

　　　　　—膨胀节的每波起始的弹性系数，波；

—膨胀节的每波的轴向行程，波。

⒌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：

1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８次／秒以上。

管道的固有频率可按下式求取：

式中：

—挠度，；

；

　所以，。

梁的支承形式不同，求挠度的公式如下：

Ａ、特定连续架　（有图）　　　　，式中—；

Ｂ、单跨简支架　（有图）　　　　；

Ｃ、一端固定一端简支　（有图）　；

Ｄ、两端固定　　　　　　；

Ｅ、端点固定的悬臂梁　　。

2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。

3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。

4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。

5在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。

6尽量使设备接口的受力减小。

7考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做临时支架。

8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。

⒍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：

1管道尽量集中布置，做联合支架，减少分散独立的管支架。

2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。

3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。

4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。

5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。

6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。

7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。

8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。

9管道成组布置时，各管道的支承面应取齐，以便设计支架。

10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。

⒎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：

1承重架的间距是否超过最大允许间距。

2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。

3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。

4垂直段管段很长时，承重架设在何处并研究支架的类型。

5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？

6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。

7采用的弹性支架是否合理。

8采用的限制性支架的位置及类型是否安全合理。

⒏对管道上支托点位置的要求

1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。

2一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。

3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。

⒐槽、罐类设备上部接管的支架

在（ｂ）图中应考虑Ｂ点位置支架不至于脱空；（ａ）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Ａ－Ｂ段柔性。

⒑塔类设备管道的支架（有图）

①Ａ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。

②如Ａ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。

③如垂直段较长，Ａ点荷载过大，应增设Ｂ支架承重，Ｂ支架应采用弹簧架。

4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。

⒒泵管道的支架（这里仅讲一例）

（ａ）图中ＲＳ－１支架，通常可以做成可调节高度的承重架；ＤＳ－１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，ＲＳ－２支架为滑动架，应注意至弯头的距离如过小将会脱空。

ＤＳ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。

⒓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。

⒔管廊上管道的支架

①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３ｍ，大管道支架间距用６ｍ，最常用的，对于小管道的最大允许支架间距小于３ｍ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。

②ａ、固定点应设置在主梁上，不要设置在次梁上。

（有图）

　ｂ、尽量使用固定架两侧的推力相差不大。

（有图）

　ｃ、需要设波纹膨胀节或π型补偿器时，应按可能采用的π型补偿器或波纹膨胀节的补偿量确定。

（有图）

③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π型补偿器形式。

（有图）

⒕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１／３或环境温度，以二者较高的为准。

⒖管道支架生根的结构型式

常见的生根位置有：

⑴生根在设备上；⑵生根在混凝土结构上；⑶生根在墙上；⑷生根在地面上；⑸生根在基础上；⑹生根在钢结构上；⑺生根在大管上。

⑴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：

①在设备壁上贴钢板，ａ。

（有图）

②单立板，ｂ。

（有图）

③带筋板的立板，ｃ。

（有图）

④多筋板与端板，ｄ。

（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６～350℃，可使用Ｑ235－Ａ材质；351～575℃，应用耐热钢，如螺栓（35ＣrMo）螺母（45号）；５～－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