支吊架在石油化工管道中的合理设计

李萌萌

摘 要：管道支吊架是保护化工管道的主要构件，它与管道的力学分析息息相关，因此在满足应力分析的基础上合理有效的选择支吊架对管道设计人员是一项十分重要的工作。本文介绍了支吊架的结构组成、作用、应用场合及应力分析给我们的启示等问题，最后结合实际情况阐述了支吊架在使用中存在的一些问题。要把管线和支吊架做为一个系统问题来处理，只有把这个系统做好了，在满足工艺要求的前提下，管道设计才是优化的。

关键词：化工管道;支吊架;分类方法;管道设计

1 支吊架的分类

支吊架按用途可以简单分为以下三类：（1）承重支吊架（刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架、恒力弹簧支吊架）;（2）限位支架（固定支架、止推支架、导向支架）;（3）减振支架（防振管卡、阻尼减振器）。

1. 1 承重支吊架

1. 1. 1 刚性支吊架

刚性支吊架在工程中应用的最多，它的理论刚度可以理解为无穷大，刚性支吊架仅限制管道一个方向的自由度。它常用于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移或支撑点有较小的向下位移和附加位移，但不会由此在管系中造成较大的管系力的情况下。可调刚性支吊架是一般刚性支吊架的一种特殊型式，它可以使支吊架的高度在一定范圍内得到调整，用于有少量竖直方向的热位移或附加位移的场合。

1. 1. 2 弹簧支吊架

弹簧支吊架可以分为可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架，恒力弹簧支吊架的理论刚度为零，可变弹簧支吊架的理论刚度系介于恒力弹簧和刚性支吊架之间，其数值等于弹簧产生单位变形所需要的力。与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的荷载转移，为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控制在 25%以下。恒力弹簧支吊架适用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受力要求较苛刻的场合，恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。

1. 2 限位支架

限位支架是以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的的支架。当管系中的各点发生位移时，在管系中适当的位置设置限位支架，可以控制支撑点的位移或某些方向的位移，使管系的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于热补偿的方向进行。

1. 3 减振支架

防振管卡能有效地控制管系的高频强迫振动，应用之后，管道的刚度变大，支架对管道的阻尼作用也随之增加，从而能降低管系的震动，并且它允许管道有一定的轴向位移而使管系不会因热胀而破坏。阻尼减振器对连续强迫高频振动的抑制效果较差，经常用于缓解瞬间激振引起的有阻尼自由振动。

2 支吊架的承载情况及其结构组成

2. 1 支吊架的承载情况

根据支吊架的类型及其对管道所起的作用不同，大体上承受如下几类载荷：（1）管子及附件重量;（2）弹簧支吊架预压所产生的作用力及其转移至刚性支吊架的荷重;（3）活动支吊架的摩擦力;（4）管道热胀冷缩产生的作用力和力矩;（5）管内介质的不平衡内压产生的推力;（6）风载荷、雪载荷、地震等偶然载荷。上述每一种载荷都对支吊架本身起着关键的作用，在选择时要充分考虑它们的存在。

2. 2 支吊架的结构组成

管道支吊架由三部分组成，既与管子直接接触的附管部件、生根部件及中间部分。

2. 2. 1 附管部件

附管部件与管子直接连接，选用支吊架的时候我们必须考虑附管部件与管子材料及安装条件的融合性，附管部件与管子可以直接焊接或管卡连接。在选择两种连接方式时应注意一些关键问题：直接焊接结构在如下工况下应禁止使用：（1）低温管道;（2）高空敷设的合金钢或有热处理要求的碳钢管道;（3）生产中需要经常拆卸检修和高空敷设且不宜焊接施工的管道;（4）吊架支撑，且管内介质温度≥400 ℃的碳素钢管道。管卡结构应注意如下问题：（1）保冷管道应选用管卡型式，且管卡卡在保冷层的外层;（2）与不锈钢管子相连时，应在管子与管卡之间设置非金属垫层;（3）当在 DN≥50 的管子应用管卡时，应附属有挡铁;（4）当管子有保温时，隔热层不应遮挡管卡与中间连接件相连的部分;（5）当水平管子在工作状态下有平面位移时，管卡宜与吊架配合使用;

2. 2. 2 生根部件

根据装置总平面及管道布置的要求，支吊架一般生根在地面、建构筑物的梁或柱、平台、设备本体等部位，无论生根在哪个部位都应满足生根点的承载面积、载荷极限和与生根构件的连接方式等要求。

2. 2. 3 中间连接件

中间连接件起到的是过渡作用，它对被支撑的管子和生根部位不会产生直接的影响，一般只需材料本身的特性满足要求即可，所以普通碳素钢比较常用。例如，当某些中间连接件与高温的被支撑管子或被生根设备较近时，材料应适应高温的要求，当中间连接件为一些专用定型件时，其材料尚应符合定型部件的加工标准需要。

3 设置支吊架的位置

3. 1 管道允许基本跨距

管道的基本跨距是指管道相邻两承重支架之间的距离，此距离要保证管道既不会失稳，更不会发生强度破坏。对于水平连续敷设的管道，工程上以三跨连续梁作为计算模型，并按承受均布载荷分别根据刚度条件计算和强度条件校核其最大允许跨距，取二者中的较小值。不同管径基本跨距的数值我们可以查阅相关资料直接选用，对于未端管道和水平拐弯管道按照基本跨距取相应的比例即可。

3. 2 承重支吊架位置的确定

承重支吊架除满足基本跨距要求外，还应在下列情况下着重考虑：（1）应布置在靠近集中载荷的地方;（2）在敏感设备的附近，宜设置承重支架;（3）大直径管道三通下应设置承重支架;（4）当有较大重量阀门与设备水平方向嘴子直接相连时，应在靠近嘴子处设置承重支架;（5）与立式设备嘴子相连接的管道，为减小设备嘴子承重，应在靠近嘴子处设置承重支架;（6）当装置检修或改造时，应考虑管道上附属阀门，相连接的设备移走时管道的承重支撑。

3. 3 限位支架位置的确定

3. 3. 1 导向支架位置的确定

（1）水平走向管道，若距离较长，应根据管径在水平管道适当位置设置导向支架;（2）不允许管道有径向位移的位置，应设置导向支架;（3）管道波纹管和自身的 π 弯两端，应设置导向支架;（4）立管长度较长时，外界自然风或管系内部介质流动会引起管道的震动，长期震动会造成管道焊口疲劳破坏，为避免这种情况的发生，应根据立管的长度和管径大小，分段设置导向支架;（5）管道在走向改变的情况下，若走向改变处有较大热位移，且和相邻管道或结构等碰撞时，应在走向改变后适当位置设置导向支架。

3. 4 防振支架位置的确定

在使用防振支架时应保证其生根部分应有足够的刚度，并且尽量生根在地面上，避免生根在其它结构上，以免振动传递而产生不利的影响，目前防振管卡应用的比较多，防振支架主要应用在如下场合：（1）有地震设防要求的管道;（2）可能发生水击、两相流等容易引起振动的管道;（3）有机械振动的管道。

4 管道应力分析对支吊架选择作用

对于一般的管道，我们使用本文前面的方法，再结合工程实际经验进行支架选择，但是对于一些高温高压的大直径管道，通过应力软件进行详细分析后，我们发现原有的支吊架需要做出调整或者重新选择，这说明了分析前我们选择的支吊架不合理，这对支吊架的选择有着深刻的启示。通过对一次应力及二次应力的理解，在通常的情况下，应力分析后会产生如下几种与支吊架有关的问题值得我们注意：（1）支吊点的载荷或垂直位移过大，此时应考虑在支吊点设置弹簧支吊架，以增加管系垂直方向上的柔性;（2）限位支架所受水平力过大或二次应力超标，可能是固定支架或者止推支架的位置选择不正确，使得管系的柔性不够，不能吸收本身的变形量;（3）热态水平位移过大，缺少固定点，应加固定或者止推支架;（4）一次应力或者冷态位移过大，此时应该在合理的位置加上支吊架;（5）设备受力超标，支吊架设计不合理，重新选择。

参考文献：

[1]易良英. 浅谈工程中常用管道支撑的作用及分类[J]. 中国石油和化工标准与质量，2016，36（18）：50-51.