楊 東

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢設計有限公司，廣西 南寧 530003）

幾種典型化工裝置管道支吊架的設計

楊 東

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢設計有限公司，廣西 南寧 530003）

針對幾種典型化工裝置的管道，結合設計經(jīng)驗和應力分析理論，提出了管道布置和支吊架設計需要注意的一些問題。

化工裝置；管道布置；支吊架設計；應力分析

在進行設計時，首先要考慮工藝要求，還要考慮設備、管道及其組成件的受力狀況，以保證安全運轉(zhuǎn)。管道應力分析過程中，正確設置支吊架是一項重要的工作。支吊架選型得當，布置合理，所設計的管系不僅美觀，而且安全經(jīng)濟。在長期的設計實踐中，總結出了配管規(guī)律，因此盡量采用典型的支吊架設計。

支吊架類型可用以下符號表示：RS- 滑動承重架；GS- 導向架；AS- 固定架；DS- 限位架；SS- 彈簧架。

1 有控制閥組的管道支架

控制閥（儀表專業(yè)的調(diào)節(jié)閥）閥組，揚控制閥及切斷、旁路閥等，最常見的布置為立面布置，在管道的彎頭下面設置支架。類似這種閥級的支架除了考慮支承重量外，還要考慮熱膨脹以及承受振動的力。當閥門進出口壓差大時，或管道減壓過程產(chǎn)生氣體時，更易產(chǎn)生劇烈振動，應引起特別的注意。兩相流的管道，應考慮發(fā)生水錘的可能性，特別長的且有向上流動的垂直管段時，易發(fā)生水錘作用。向上流的管段如布置位于控制閥之前，情況就會改善。對于有熱膨脹的管道，應根據(jù)柔性的要求，將一個架設固定架，另一個設滑動支架或?qū)蚣?。如果熱膨脹應力允許，宜在控制閥的出口側設固定架，入口側設滑動架。必要時在控制閥出口側的垂直管端上還要設導向架，如圖1所示。

2 塔設備管道的支吊架

圖1 有控制閥組的管道支架的設計

塔的管道一般可分為塔頂管道、塔體側面管道和塔底管道。塔頂管道可包括塔頂安全閥進出口管道、放空管道等；塔體側面管道可包括回流管道、進料管道、側線抽出管道、蒸汽管道、返加管道等；塔底管道可包括塔底管道和塔底排液管道等。這些管道都與塔體上的開口相連接，一般又都是沿塔體的周圍或上下來布置。這里主要討論從塔上部下來的管線支架設計。

塔類管道通常從塔壁上支承，可使相對位移盡量小，見圖2(a)，第1個支架通常做成滑動承重架或者固定支架，且盡量靠近設備管口，以減小設備口的支撐點的相對熱膨脹位移，減小熱膨脹的反力。如第1個支架至管口間的管道柔性不夠，可改變管道走向適當增加管道的柔性，見圖2(b)、(c)。如第1個承重架荷載過大時，可另設第2個承重架，第2個承重架應采用彈簧架，當垂直管段較長時，可增加導向架。

對此類管線進行應力分析時，要考慮開停車、空載、正常操作、水聯(lián)運等各種工況，各種工況下塔設備與管線的溫差會有差別，熱位移和熱應力應按塔壁和管線熱膨脹差最大的情況進行分析，如需在豎直管線的彎頭處設置支架，無論是否從塔壁上支撐，均應設置為彈簧架。如圖2(a)中所示，如L過短，柔性不夠，將會導致距彎頭最近的剛性支架受力過大或者脫空，勢必影響到塔壁上支架的受力和管口受力。結合前面所述的控制閥組的管道支架要求，不難看出，一般不宜在上塔管線太靠近彎頭處設置控制閥組。塔的回流管線與塔壁溫差較大，且一般設置調(diào)節(jié)閥組，應力分析時應引起足夠的重視。

圖2 塔設備管道的支吊架設計

3 離心泵管道的支架

泵的進出口位置根據(jù)處理流體的性質(zhì)和狀態(tài)、流量、揚程等不同，分別有頂-頂、端-頂、側-頂、側-側4種。進行離心泵管道的設計時，必須使其進出口管道具有足夠的柔性，以減小管道作用于泵口的力和加矩。

泵的入口管道工藝要求比較嚴格，出口問題相對少些，圖3是泵進出口管道布置的幾個例子。為使管口受力盡可能小，應在閥門附近設置支吊架，避免閥門重量作用于泵管口處，如靠近泵管口處的支吊點存在垂直熱位移，應考慮選用彈簧架。對于泵的水平進出口管線，應盡量采用剛性支撐，且靠近泵口的第1個支架通常應做成可調(diào)節(jié)高度的承重支架，如圖3(a)中的RS-1，圖3(a)、(b)、(c)中的RS-2為剛性滑動支架，如距彎頭的距離過小，多半會托空，或者在承重情況下，造成泵管口熱態(tài)受力較大，可考慮采用彈簧架。需要注意的是，柔性分析往往不能通過。為了避免遠端管道的水平推力作用于泵管口上，應在管系的對稱位置附近設置限位或者導向支架。

圖3 離心泵管道支架設計

需要注意的是，可調(diào)節(jié)支架目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一標準，需要設計人員提供相關參數(shù)給廠家特別制造。

當多臺泵并列布置時，泵管道熱膨脹產(chǎn)生的作用力和管子的摩擦力引起的軸向推力往往是泵口受力超標的重要原因。應力分析結果如果表明是上述原因使泵口受力不能滿足要求時，則應考慮增加柔性來吸收連接段的熱膨脹，和降低滑動處摩擦系數(shù)，比較常用的方法是加一層聚四氟墊板，將鋼對鋼的摩擦系數(shù)0.3降為不銹鋼對聚四氟乙烯的0.1。

此外，對于大型的水泵出口管要注意止回閥關閉時的推力作用。在止回閥及切斷閥附近應有堅固的支架，以承受水擊與重力荷載。

4 離心式壓縮機進出口管線的支架

離心式壓縮機是連續(xù)排料的，幾乎可以不考慮振動。但由于氣體重度小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，又為多級式，故軸的找正要求非常高。在機器制造廠未提出允許受力限制時，一般離心式壓縮機管口受力校核標準為API 617。離心式壓縮機管道的柔性設計必須注意以下問題：

（1）計算時必須考慮機器管口的熱位移，并應考慮最不利的工況；

（2）對離心式壓縮機進行受力驗算分析時，應該包括進出口，保證具有足夠柔性；

（3）計算時應注意考慮機器管口處管道法蘭的重量。需要注意的是，與機器管口配對的法蘭通常壓力等級會高于管道壓力等級。

（4）計算時應考慮與主管相連支管的影響。一般情況下，離心式壓縮機出口管線上會接有安全閥管線，由于安全閥的管口承受的外載荷要求盡可能小，以免造成閥體變形，影響安全閥的性能，要求管線有一定的柔性。另外設計的支架除能承受重力外，還應能承受泄放液體時產(chǎn)生的反力，所以一般會在安全閥出口管線上適當設置一些導向、限位和固定架，這些支架對機器管口的受力有較大影響。當這些限制性支架使機器管口受力不能通過時，可以考慮用抗安全閥排氣反力型阻尼器來代替安全閥出口附近的限制性支架。

（5）管道最好是圍繞機器固定點布置，并在管道與機器固定點處坐標軸的交點位置附近設置限位支架，從而使機器管口的熱膨脹與管道熱膨脹基本相當，減小管道對機器管口的作用力。

（6）如果調(diào)整支承位置及形式和改變管道走向后，離心式壓縮機仍難以滿足要求時，可考慮在出口豎起管道上使用金屬波紋管膨脹節(jié)。

為保證機器的正常運行，GB 50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》和SH 3501《石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗收規(guī)范》均對轉(zhuǎn)動機器安裝時管道法蘭與機器法蘭之間的間距、平行度和同軸度做出了嚴格的要求。為了施工中便于達到這些要求，對轉(zhuǎn)動機器管道進行柔性分析時，不但應使操作狀態(tài)下機器管口受力滿足相應標準的要求，而且應使安裝狀態(tài)下管道對機器管口的作用盡量接近于零。

5 管廊上管道的支架

敷設在管廊上的管線包括各種工藝管道和公用工程管道，多而且復雜。應力分析時應根據(jù)管道的級別和種類選擇相應的校核準則。

管廊上管道支架的間距，受到管廊結構的梁及柱間距的限制，大管道支架間距常用6m，小管道支架間距用3m。在進行管道設計時，無論是否進行詳細的應力分析，均須首先滿足允許跨距要求。管道下沉意味著疏水不暢，高溫管道的局部地方可能因疏水問題引起較大的溫差應力，嚴重時會導致管線變形，其支架的跨距要求更為嚴格。

管廊上管道的支架設計重點是各種限制性支架，尤其是固定架。管道的固定點位置應符合下列要求：（1）對復雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L型管段、U形管段；Z形管段等再進行分析計算；（2）確定管道固定點位置時，使其有利于兩固定點間管段的自然補償；（3）固定點宜靠近需要限制分支管位移的地方；（4）固定點應設置在需要承受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地方；（5）進出裝置的工藝管道和非常溫的公用物料管道，宜在裝置分界處設固定點；（6）一般應在柱子軸線上的主梁上，不要在次梁上，并盡量使固定架兩側的推力相差不要過大，作用于管道中固定點的載荷，應考慮其兩側各滑動支架的摩擦反力；（7）當兩個固定支架中間設置軸向型膨脹節(jié)時，推薦一端靠近支架，另一端第一導向支架與補償器距離4DN設置，第二導向支架與第一導向支架距離按14DN設置，其余導向支架可按水平管道允許的導向支架間距設置。（8）有“U”型補償器時，宜將其設置在兩固定點中部，兩側還必須設置導向支架，第一個導向支架離彎頭的距離不宜太近，以免造成過大的水平推力，A值一般取32~40DN為宜，B值一般不應小于2m，固定點間的最大距離應按“U”型補償器的尺寸而定，見圖4。對于多根需要設置“U”型補償器的管道宜并排布置，最熱和最大徑管應放在外側，低溫和小徑應放在內(nèi)側。在“U”型補償器上，不應引出支管。在靠近補償器兩側的直管上引出支管時，支管不應妨礙主管的變形或位移。因主管熱膨脹而產(chǎn)生的支管引出點的位移，不應使支管承受過大的應力或過多的位移。管道在自然補償時如選用立體型方式，則較平面形的補償效果好。

圖4 管廊上帶“U”管道限制性支架類型的實例

當支架點只需限制某一個或幾個方向的位移時，允許其它方向自由時，應將其設成限位支架，并可以根據(jù)需要適當調(diào)間隙。

6 結論

在整個管道工程的投資中，雖然支吊架系統(tǒng)所占的比例較少，但支吊架對整個管系的安全運行起著至關重要的作用。只有管道布置合理，支架位置和形式選取得當，才能使管道設計在滿足工藝要求的同時，既經(jīng)濟合理又安全可靠。上述只側重對支吊架的位置確定和選用進行了必要的討論，還應注意支吊架零部件的強度和材料的選原則。

[1] 唐永進.壓力管道應力分析[M].北京:中國石化出版社，2003.

[2] 蔡爾輔.石油化工管道設計[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004.

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[4] 鄭茂鼎.管道支架的設計及計算[M].北京:化工部工程建設標準編輯中心，1994.

Design of Support and Hanger in Several Typical Chemical Plant Installations

YANG Dong
（Guangxi Gonglian Industrial Engineering Consulting & design Ltd.， Nanning 530003， China）

Pipe support and hanger was the important part of pipeline system. Design of support and hanger in pipeline engineering should be properly follow the principles of methods and selection. For several typical chemical plant pipes， according to design experience and stress analysis theory， some issues which required attention about pipeline arrangement and support and hanger design were presented.

chemical plant; piping arrangement; support and hanger; stress analysis

TQ 055.8

B

1671-9905(2012)07-0060-04

2012-04-10