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管道设计中支吊架的正确设置

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管道 设计 吊架 正确 设置
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管道设计中支吊架的正确设置彭 进摘要:在炼油厂工艺装置及系统管道设计中,进行支吊架设置的设计时,应使支吊架间距不超过管道刚度允许值和满足柔性要求,严格遵循正确设置支吊架的方法和选用原则,列举了 9 条具体选用原则,对可变弹簧支架的选用方法也进行了详尽的叙述。此外,还介绍了支吊架对管道产生的一次应力和二次应力所起的作用,并以同一管道选用不同支架类型的应力分析计算,说明在管道设计中正确设置支吊架的重要性。主题词:管线支架 管吊 设计 类型 位置 应力 应用F in of of of it in of on of of of in an of of 是涉及多种学科的综合性技术,也是管道设计的基础。在进行管道应力分析时,除做到管道布置满足要求并安排合理外,还应合理设置支吊架。正确设置管道支吊架是一项十分重要的技能,支吊架位置布置合理,选型得当,不仅可使管道整齐美观,而且也可达到经济合理和运行安全的目的。1 管道支吊架的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,主要有以下两个方面。首先,是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连接的设备上。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(力矩)状况。显然,管系的柔性不但受到管系形状的影响,而更重要的是受支吊架位置和其类型的限制和约束。其次,支吊架设置的灵活性,其可变化的范围较大。支吊架的位置、数量和型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,不同的设置型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。管道支吊架位置的确定应遵循 5 个原则。格控制支吊架间距支架间距尤其是水平管道的承重支架间距不得超过管道的允许跨距(即管道的最大间距),以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许跨距(L)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,取两者中的最小值。度条件根据管段不应在轻微外界挠力作用下发生明显振动的要求,装置内管道的固有振动频率不宜低于 4 次/秒,装置外管道的固有振动频率不宜低于 ,相应管道允许挠度在装置内为 1.6 装置外为3.8 们的跨距应按式(1)和式(2)计算(1)(2)式中:L 1——装置内管道由刚度条件决定的跨距,m;L′ 1——装置外管道由刚度条件决定的跨距,m;E t——管材在设计温度下的弹性模数,——管道扣除腐蚀裕度后的断面惯性矩,;q——管道的质量,kg/m。度条件在不计算管内压力的条件下,跨距应按式(3)计算(3)式中:L 2——按强度条件计算的管道跨距,m;   W——管道扣除腐蚀裕度后的断面抗弯模数,;[σ]——管材的许用应力,虑管道内产生的环向应力达到许用应力值,即轴向应力达到许用应力的二分之一时,装置内外的管道由管道重量荷载及其它垂直持续荷载在管壁中引起的一次轴向应力不应超过额定许用应力的二分之一,即[σ]=] 跨距 )计算(4)式中:[σ] t——管材在设计温度下的许用应力,足管系对柔性的要求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架点和选择支架类型。制管道纵向和横向位移有管托的管道纵向位移不宜超过管托长度;并排敷设的管道横向位移不得影响相邻管道。足支吊架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。道支吊架的类型按管道支吊架的功能和用途,支吊架可分为 3 大类 10 小类(详见表1);从对管道应力的作用考虑又可分为支架或支吊架、限位架、导向架、固定支架和减振或隔振支架;按支吊架的力学性能又可分为刚性支架、弹性支架和恒力支架 [1] 。表 1 管道支吊架分类表大 类 小 类名 称  用 途名 称  用 途承重支架承受管道重量(包括管道自重、保温层重量和介质重量等)刚性支架可调刚性支架可变弹簧架恒力弹簧支架无垂直位移的场合无垂直位移,但要求安装误差严格的场合有少量垂直位移的场合垂直位移较大或要求支吊架的荷载变化不能太大的场合限制性支架用于限制、控制和约束管道在任一方向的变形固定架限位固定点处不允许有线位移和角位移的场合限制管道任一方向线架轴向限位架导向架位移的场合限位点处需要限制管道轴向线位移的场合允许管道有轴向位移,不允许有横向位移的场合减振支架用于限制或缓和往复式机泵进出口管道和由地震、风载、水击、安全阀排出反力等引起的管道振动一般减振器弹簧减振器需要减振的场合需要弹簧减振的场合 2 架的失载率和荷载变化率通常管道支吊架的失载率可用下式表示 从式中可看出,失载率是以安装荷载为基本荷载的,即失载的多少是相对于常温时的荷载而言的。弹簧支吊架的荷载变化率为且 ,其基本荷载是在操作温度下的荷载,所以弹簧支吊架荷载变化是相对于工作荷载而言的。性支架从理论上说,刚性支架的刚度很大,在外力荷载的作用下没有变形,不过在某些情况下,如管道的热胀、冷缩或支架受到沉降等强迫位移时,刚性支架有可能失去外力荷载,失载的多少可用失载率来表示。性支架弹簧都具有一定的刚度,在外力荷载作用下可以变形(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,一般常指定其荷载变化率范围为 25%,从而控制荷载转移量。力支架从理论上分析,刚性为零的支架为恒力支架,所以恒力支架的荷载变化率为零(实际上一般为 7%~8%),在管道的变形过程中,在它的工作范围内不发生荷载转移或失载(不考虑构件误差及摩擦损失)时,r1=。管道支吊架选用原则有如下 9 点 [2] :(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卡、管托和管吊,以加快建设进度。尽量采用制作简单和施工方便的焊接型管托和管吊以节省钢材。(3)符合下列特殊情况者可采取其他特殊型式管托和管吊:①管内介质温度≥400℃的碳素钢材质的管道;②输送冷冻介质的管道;③生产中需要经常拆卸检修的管道;④合金钢材质的管道;⑤架空敷设且不易施工焊接的管道。(4)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横向位移过大可能影响邻近管道,以及固定支架的距离过长而可能产生横向不稳定的管道;③为防止法兰和活接头泄漏而要求不发生过大横向位移的管道;④为防止振动而出现过大的横向位移的管道。(5)热胀量超过 100 架空敷设管道应选用加长管托,以免管托落到管架梁下。(6)支架生根焊在钢制设备上时,所用垫板应按设备外形成型。当碳钢设备壁厚大于 38 ,应取得设备专业的同意;此外,当支架生根在合金设备上时,垫板材料应与设备材料相同并应取得设备专业的同意。(7)对于荷载较大的支架位置需事先与有关专业联系,并提出支架位置、标高和荷载情况。(8)下述工况应选可变弹簧:①当管道在支承点处有向上垂直位移,使支架失去其承载功能,该荷载的转移将造成邻近支架超过其承载能力或造成管道跨距超过其最大允许值的情况;②当管道在支承点处有向下的垂直位移,而选用一般刚性支架将阻挡管道位移的情况;③垂直位移产生的荷载变化率应不大于 25%;④当选用的一个弹簧的变形量不能满足要求时,可串联安装两个弹簧;⑤串联的两个弹簧,承受的荷载应相同,总位移量按每个弹簧的最大压缩量的比例进行分配;⑥当实际荷载超过选用弹簧规格表中最大允许荷载时,可选用两个或两个以上的弹簧并联安装;⑦并联弹簧应选用同一型号的弹簧,按并联弹簧数平均分配荷载。(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 8%以内时,管系应采用恒力弹簧支架。3 管道支架在应力分析中的作用在管道设计中不考虑支吊架限制管道在振动或抗震中的作用时,一般支吊架有 3 种作用。道的承重管道设计中支吊架的基本作用在于承受管道的自重和外载,避免产生过量挠度,控制管系的一次应力在许用范围内。一次应力的大小是衡量管系能否安全运行的标准之一。若一次应力过大,管系可能会受到破坏。由管道的内压和外载产生的一次应力的大小和作用与在管系上的荷载及管道和其配件的截面有关。装置的规模确定后,便可确定各个管道的管径。管道设计时不能任意改变工艺流程图上规定的管径,而管道的一次应力和支承端承受荷载的大小却可通过设置支吊架来加以调整。因此,管道支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。当水平管道上支吊架太少时,不仅会使一次应力增大,同时也会使管道的挠度增大,以至超过许用值,而不利于管系的安全运行。节管系二次应力/端点推力管道支吊架的第二个重要作用是调节管系的二次应力/端点推力。一般来说,管道承受荷载所产生的一次应力是非自限性的,其值不超过管材的许用应力即认为是可靠的,而对于由管系在热变形过程中受阻所引起的自限性的二次应力需用热胀许用应力范围来判断(热态与冷态应力的代数差称为应力范围),通常热胀许用应力范围不应大于式(5) [1] 计算所得的数值σ A=f(c+h) (5)式中:σ A——热胀许用应力范围, h,σ c——热态和冷态管材的许用应力,f——根据管道在工作年限内伸缩的总循环次数确定的应力降低系数。所以,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,并使管系端点推力在许用范围内是十分重要的。同时,还可选择某种类型的支架(或限位架)以限制管系在某个方向的位移,从而减少设备管嘴的受力(或应力),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。在利用支吊架调节管道的应力/端点推力时,管道设计中充分利用或消除刚性支架(固定支架除外)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,如设计中不是按简支梁条件来分配管道的荷载,而是按照吊零加给定荷载条件分配荷载,那么在任何有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。以下是在设计中利用或消除支架杠杆效应的例子。在实际配管设计中,经常使用支吊架以减少机泵进出口管道对机泵等设备进出口管嘴的受力,有时必须消除由于支架产生杠杆效应的影响,其情况如图 1 所示。图 1 配管示意图为了达到上述要求,一般在靠近设备处设置支架 A。在一般条件下,设备的刚性是很大的,所以在进行管道应力计算时,将设备作为一个刚性体来处理。此时,在设备 E 点处将产生一个数值较大的力 F,产生的原因是自 A 至 B 段管道自重产生的弯矩 M,需要弯矩 F×平衡,当距离 数值很小时,力 F 的值必然很大,故当初考虑减小设备受力的目的就达不到。如果适当移动 A 点(杠杆支点)的位置,则可调节力 外,若允许支点 A 略微下沉,则可消除由于吊零分配荷载在A 点引起的杠杆效应,弯矩 M 就会大幅度地减小,从而使力 F 也大大地减小。将 A 点下沉的方法是利用管道的重力,对刚性支架给定间隙或将刚性支架改用弹性支吊架或恒力支架。但在实际配管中,由于计算出的A 点位移(下沉)值在施工中是难于保证的,故在 A 点处使用弹性支吊架或恒力支架为宜,也可用可调支架。除管道布置不当造成的荷载转移如前例所示,管道支吊架在柔性设计和应力分析中有着特殊作用。根据对管道支吊架的分析,通常为了满足一次应力/挠度的要求,要增加支吊架数量,以减少管道的受力,但从降低二次应力这一方面出发,则要求减少支架对管道的约束,使管系尽可能地自由变形,以降低二次应力/热推力,考虑到经济、美观及场地等限制条件,也要求减少管道支吊架的设置。因此,在管道设计或应力分析中,考虑如何合理而适当地设置支吊架是很重要的。非刚性支吊架在管道应力分析中的特殊作用是用以消除管系因布置不当而造成的荷载,如采用弹性支吊架或恒力支架来消除刚性支吊架造成的失载,满足应力/推力的要求等,下面举一个简单的管道布置例子,如图 2 所示。图 2 配管示意图某炼油装置的一根 Φ219 道,材质为碳素钢,操作温度为 300℃,压力 设定 B 点处分别使用刚性支架和弹性支架,并对两个方案分别计算。方案 1 假设 A 和 C 点为固定点,B 点上使用一个约束。在常温下,由 W+(计算一次应力的工况)产生的一次应力最大值为 次应力(大值为 点处热荷载为零,冷荷载为87 N。由此可见,一次应力最大值小于操作状况下的许用应力 足验算要求。但由于 B 点处正 Y 向约束托架失载,根据分析结果管道在操作状态,即 B 点热失载的情况下,荷载重新分配后对一次应力有影响。B 点托空,也就是说此时 B 点无支承,去掉 B 点处的支架,再计算得一次应力最大值为 于许用应力,可见,此支架布置不合格。方案 2 在方案 1 的基础上改 B 点处正 Y 向约束为弹性支吊架,经计算一次应力最大值为 于许用应力,应力验算通过,设计方案合理。由于可变弹簧支吊架属于线弹性支撑,会产生一定量的荷载转移,一般控制变化率小于 25%。如果在 B 点处改用恒力支架,理论上则可以完全消除荷载的转移,使常温状况下计算的一次应力和工作状态下的一次应力相同。4 结 论综上所述,管道设计中支吊架在应力分析中的作用是很重要的,是利用固定支架将复杂的管系划分为若干段较简单的管系而进行应力分析的。(1)对于静力分析而言,管道支吊架设置主要有两个目的。一是承受管系的自重和外载,避免产生过量挠度,控制管系的一次应力在许用范围之内;二是用来使管系适应位移的需要,调整和改善管系的应力分布状态,以控制管系二次应力和综合应力不超过允许界限,使管系的端点推力在许用范围之内,从而保护设备,特别是那些敏感设备,如压缩机、汽轮机和机泵等。(2)管道自重荷载在各支吊点的分配也很重要,不同的荷载分配所产生的应力分析是不同的,应尽量使管系的一次应力分布较为均匀,并使其最大值为最小。合理的自重分配是管道支吊架设置中应首先考虑的问题。
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