工业金属管道吊杆型吊架受力分析与计算

王 雨，侯春燕

(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州 730010)

管道支吊架设计是管道设计过程中必不可少的环节，其设计质量的好坏直接影响到生产的安全稳定性。目前管道支吊架设计规范陈旧，材质单一、适用管径范围较小，不能满足现代化工生产大型化、规模化的设计要求。

基于上述原因，本文根据实际工作需要，对设计中常用的吊杆型吊架进行受力分析计算，确定组成管架的各个部分最大荷载，以最薄弱部分的允许荷载作为该类型管架的最大允许荷载，针对不同尺寸系列，形成该种材料的荷载表，并换用其他类型材料进行核算，绘制出相应的荷载曲线，供设计人员在工作中参考。

吊杆式吊架是最常用的管道支吊架之一，具有适用范围广、安全可靠和安装简单等特点，以HG/T 21629-19999《管架标准图》[1]中B2型管架为代表。其荷载由三部分决定：上部的焊缝强度、拉杆的许用荷载和管夹螺栓的许用承剪力。三者取最小值，即为吊架的最大荷载。

1 焊缝强度计算

管道支吊架构件的焊接及构件与生根结构的焊接，一般均为角焊缝，其焊缝强度的校核应按许用剪切应力来判断。

GB 50017-2017《钢结构设计规范》[2]和SH/T 3073-2016《石油化工企业管道支吊架设计规范》[3]均给出了作用力垂直于焊缝长度方向的作用力计算公式，两者的计算原理相同，GB 50017-2017中正面角焊缝(作用力垂直于焊缝长度方向)计算公式如下：

式中：σf——按焊缝有效截面计算(helw)计算，垂直于焊缝长度方向的应力

he——角焊缝的计算厚度，对于直角角焊缝等于0.7hf，hf为焊脚尺寸

lw——角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf

βf——正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，βf=1.22；对直接承受动力荷载的结构，βf=1.0

N——轴心拉力或轴心压力

计算结果如表1所示。

表中扁钢规格为HG/T21629-1999中A19型管架选取的规格，角焊缝抗剪强度设计值为GB50017-2017中，表1给出的抗压、抗拉和抗剪强度值，角焊缝的焊缝高度等于被焊件厚度。

表1 角焊缝最大允许荷载

2 螺纹吊杆最大使用荷载

SH/T3073-2016《石油化工企业管道支吊架设计规范》[3]和GB/T17116.3-2018《管道支吊架》[4]中均给出了螺纹吊杆的最大使用荷载见表2。

表2 螺纹吊杆最大使用荷载

续表2

3 螺栓许用剪应力

对于螺栓的许用剪切应力，多个标准或手册中均有相关的规定。

《机械设计计算手册》[5]中的相关规定：

塑性材料：许用剪切应力=(0.5～0.7)×许用拉伸应力

脆性材料：许用剪切应力=(0.8～1.0)×许用拉伸应力

GB 50316-2000(2008年版)《工业金属管道设计规范》[6]中规定：许用剪切应力为本规范附录A许用应力的0.8倍(附录A中金属管道材料的许用应力系指许用拉应力)。

SH/T3073-2016《石油化工企业管道支吊架设计规范》[3]中规定：许用剪切应力按许用拉伸应力的0.6倍计算。

本文许用剪切应力按0.6倍的许用拉伸应力计算。

考虑正常的安装及使用条件，最大允许应力按许用应力的75%计算。

因管夹螺栓靠近被吊管道，受管道温度影响较大，其允许荷载会产生一定的差异，故螺栓的最大承剪力应根据不同材料、不同温度进行计算，计算公式如下：

式中：P——螺栓最大承剪力

[σ]t——不同材料、不同温度下的许用应力

S——螺栓截面积

计算结果见表3。

表3 螺栓最大承剪力

规格d/mm截面积/mm2150 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni10200 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni101078.502.613.464.846.543.432.443.214.736.323.1812113.043.764.996.979.414.933.514.636.829.114.5814153.865.126.799.4912.816.724.786.309.2812.396.2316200.966.698.8612.3916.738.776.248.2312.1216.198.1418254.348.4711.2215.6821.1711.107.9010.4215.3420.4910.3020314.0010.4613.8519.3626.1413.719.7512.8618.9325.2912.7222379.9416.7623.4231.6316.5815.5622.9130.6015.3924452.1619.9427.8837.6419.7418.5227.2736.4218.3127572.2725.2435.2847.6424.9823.4334.5146.1023.1830706.5043.5658.8230.8442.6056.9128.6133854.8752.7071.1737.3151.5568.8634.62361017.3662.7284.7044.4161.3581.9541.20391193.9973.6199.4052.1272.0096.1848.36421384.7485.37115.2860.4483.50111.5456.08451589.6398.00132.3469.3995.85128.0464.38481808.64111.50150.5778.95109.06145.6973.25

规格d/mm截面积/mm2300 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni10400 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni101078.501.982.614.566.152.794.105.442.6112113.042.853.766.568.854.025.907.833.7614153.863.885.128.9312.055.478.0310.665.1216200.965.066.6911.6715.747.1410.4913.936.6918254.346.418.4714.7619.919.0413.2817.638.4720314.007.9110.4618.2324.5911.1616.3921.7610.4622379.9412.6522.0629.7513.5119.8326.3312.6524452.1615.0626.2535.4016.0723.6031.3315.0627572.2719.0633.2244.8120.3429.8739.6619.0630706.5041.0155.3225.1236.8848.9623.5333854.8749.6266.9430.3944.6259.2428.47361017.3659.0679.6636.1753.1170.5033.88391193.9969.3193.4942.4562.3382.7439.76421384.7480.38108.4349.2372.2895.9646.11451589.6392.28124.4756.5182.98110.1652.93481808.64104.99141.6264.3094.41125.3460.23

螺栓许用应力按GB 50316-2000(2008年版)《工业金属管道设计规范》[6]附表A，A.0.3常用螺栓许用应力计算。

4 荷载曲线绘制

由以上数据可以看出，焊缝的最大受力远大于吊杆和螺栓的最大受力，故吊杆式吊架的最大承受力应按吊杆的最大拉力或管夹螺栓的最大剪力决定。在管架设计选型过程中，吊杆的直径和管夹螺栓的直径不一定为同一数值，故应根据实际情况按表3中的数据分别选用。因上述表格中螺栓剪力的温度条件较多，荷载曲线仅以≤20 ℃下不同材料最大荷载为代表，另添加吊杆荷载曲线进行绘制，见图1。其他温度下的最大荷载取值以上表中数据为准。

图1 吊杆及20 ℃下不同材料螺栓的最大承载力

5 结 论

通过对吊杆型吊架各组成部分的受力分析可以看出：螺栓和吊杆直径以及螺栓的材质选择直接影响了管架的最大许用荷载。通过计算，得出了不同温度、不同材料下螺栓的最大承剪力表，并绘制出了≤20 ℃下吊杆和不同材料螺栓的最大荷载图，表明不同材料螺栓对其许用荷载影响明显。