何濤張晗

（中石化江漢石油工程設(shè)計有限公司，湖北 武漢430223）

管道支架 (簡稱為管架)是石油、化工、冶金和火力發(fā)電等行業(yè)的一種重要特種結(jié)構(gòu)，它主要功能是支撐架空管道。在一個大型裝置或者站場中，管道支架的數(shù)量大、分布廣，計算復(fù)雜，設(shè)計工作量也較大。管道支架設(shè)計不當，會使管道組成件在運行中損壞，如設(shè)備管口法蘭,或使轉(zhuǎn)動設(shè)備受損，更嚴重的會使管網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致運行設(shè)備被迫停車。因此，管道支架的設(shè)計越來越受到重視。

1 工程概況

集油站(Field Production Facilities)是油田生產(chǎn)的重要組成部分，通常情況下計量站(Oil Gathering Manifold)的混合液和天然氣都首先輸送到集油站，經(jīng)集油站處理后再輸送到聯(lián)合站 (Central Production Facilities)。集油站擔(dān)負著油、氣、水的三相分離，原油加熱、輸送和油、氣計量等工作。隨著油田產(chǎn)液量的不斷增加，原油含水的持續(xù)上升，集油站的作用也日益重要起來。

Gumry油田是蘇丹3/7區(qū)原油開發(fā)項目的一部分，包括三個油區(qū)Gumay,Geradon和 Zarzor，共55口油井。根據(jù)業(yè)主的擴建和發(fā)展計劃，Gumry FPF設(shè)計日處理原油5萬桶，通過處理，原油的含水率降低至10%。處理后的原油通過一條長45km的輸油管線輸送到已建成的Palouge FPF。兩個FPF站的原油混合后再輸送到Al Jabalayn CPF。

2 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)設(shè)計合同（Invitation To Bid）要求，管道支架采用鋼結(jié)構(gòu)。蘇丹3／7區(qū)場地土為膨脹土，由于工程的重要性，根據(jù)業(yè)主規(guī)格書（Specification）及相關(guān)規(guī)范要求，管架基礎(chǔ)采用鋼管樁基礎(chǔ)。

為了減少鋼材用量和支架的側(cè)向位移以及變形，管道支架采用帶支撐的剛接鋼結(jié)構(gòu)，整個管架結(jié)構(gòu)的受力體系為：橫向荷載通過水平支撐體系傳給垂直支撐體系最后傳給基礎(chǔ)，豎向荷載通過水平梁傳給柱及垂直支撐體系再傳給基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)布置

由于整個結(jié)構(gòu)長度太長，選取一段典型管架進行結(jié)構(gòu)分析。該段管架具體布置為：寬度6m，柱距為6m，總長48m。高度方向分為四層，標高分別為 3.0m，4.8m，6.6m 和 7.6m，其中第一（3.0m）、第二層（4.8m）為管道層，第三層（6.6m）、第四層（7.6m）為電纜槽層。 管架構(gòu)件截面采用英國標準[1]BS4-1993，柱截面選用UC254×73；縱梁截面選用UC203×46；橫梁截面管道層選用 UB305×165×54，電纜槽層選用UB254×146×31；支撐截面選用 T146×127×19。 如圖 1、圖 2 所示：

圖1 管架正視圖

圖2 管架側(cè)視圖

3.2 結(jié)構(gòu)分析

選用STAAD.Pro結(jié)構(gòu)分析軟件對該管架結(jié)構(gòu)進行分析，建立好的模型如圖3所示：

圖3 建立好的管架結(jié)構(gòu)模型

3.2.1 荷載

管道支架承受的荷載有恒荷載(D)、活荷載（L）、風(fēng)荷載（W）和地震荷載（S）。

（1）恒荷載(D)包括：

結(jié)構(gòu)自重(G)；

管道自重——包括空管自重(EEL)，注水試壓管道自重(ETL)，運行管道自重(EOL)；

電纜槽自重 1.2kN/m2；

預(yù)留未來管道自重2.0kN/m2；

（2）活荷載(L)包括：

管道與支架之間的摩擦FX（X方向）；

管道與支架之間的摩擦FZ（Z方向）；

工藝專業(yè)提供的荷載PF；

（3）風(fēng)荷載(W)：

該地區(qū)基本風(fēng)速為37.5m/s，場地條件系數(shù)為1.0，地面粗糙度為0.95，重要性系數(shù)為 1.0，根據(jù)美國荷載規(guī)范[2]ASCE7-02,計算其設(shè)計風(fēng)壓為：37.5×1.0×0.95×1.0×0.0.613=0.778kN/m2。 最后根據(jù)結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面面積，將風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為壓力并乘以荷載組合系數(shù)施加在各構(gòu)件上，定義沿X方向上的風(fēng)壓為WLX,沿Z方向上的風(fēng)壓為WLZ。

（4）地震荷載(S)：

地震荷載可由程序自動生成，根據(jù)UBC-1997規(guī)范[3]設(shè)定相應(yīng)的場地條件參數(shù)，定義沿X方向上的地震荷載為SLX，沿Z方向上的地震荷載為SLZ。

3.2.2 荷載組合

由于工藝的荷載工況很多，導(dǎo)致荷載組合的結(jié)果也很多。由于注水試壓時管道自重最大，選其為最不利工況，根據(jù)ASCE7-02規(guī)范，最終考慮如下荷載組合：

1.4(G+ETL+3.2)+1.2FX+1.2FZ+1.2PF

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+1.3WLX

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+SLZ

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+SLX

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+1.3WLZ

0.9(G+ETL+3.2)+1.3WLX

0.9(G+ETL+3.2)+1.3WLZ

0.9(G+ETL+3.2)+SLX

0.9(G+ETL+3.2)+SLZ

3.2.3 邊界條件

整個結(jié)構(gòu)體系按如下條件約束：框架梁柱為剛接，主梁與次梁的連接為簡支，柱與基礎(chǔ)為簡支，支撐與梁柱也采用簡支連接。

3.2.4 結(jié)果分析

將荷載組合輸入計算模型，并對其按上述邊界條件進行約束，計算結(jié)果如表1所示：

表1 計算結(jié)果

從計算結(jié)果知：大多數(shù)桿件的應(yīng)力比（設(shè)計應(yīng)力與容許應(yīng)力之比）在 0.5～1.0 之間。

通過STAAD.Pro程序的后處理分析得知：柱的最大變形為7.2mm，小于其容許撓度7.6m/200=0.038m，如圖4所示。

圖4 柱的位移圖

4 結(jié)語

本文以蘇丹GUMRY FPF站場管道支架設(shè)計為例，通過利用STAAD.Pro程序進行空間模擬分析計算。研究表明，本工程管道支架結(jié)構(gòu)布置合理，桿件選材準確，各項計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

［1］ASCE 7-02 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structure[Z].

［2］UBC 1997 Uniform Building Code 1997-Volume 2[Z].

［3］施振球,趙廷元,等.動力管道手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.