劉彥來

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

1 概述

在石油化工、化工廠內(nèi)管架和管墩是支承全廠工藝生產(chǎn)裝置和供熱系統(tǒng)管道的主要結(jié)構(gòu)，量大面廣;特別是管架，它分布并聯(lián)系全廠每個(gè)生產(chǎn)裝置，在廠區(qū)內(nèi)外縱橫交叉的管道網(wǎng)，像人體的血管一樣，起著重要的作用。對(duì)一個(gè)大型的石油化工廠而言，全廠的管架長達(dá)數(shù)公里，其設(shè)計(jì)的規(guī)范性和技術(shù)性都很強(qiáng)。充分認(rèn)識(shí)它的重要性，了解它的設(shè)計(jì)特性，掌握它的基本設(shè)計(jì)因素，對(duì)我們做好系統(tǒng)管架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無疑是有很大幫助的。

筆者經(jīng)過對(duì)多個(gè)石油化工生產(chǎn)裝置中管架設(shè)計(jì)的比較分析，結(jié)合幾年設(shè)計(jì)經(jīng)歷，對(duì)石化行業(yè)管架的設(shè)計(jì)有了一定認(rèn)識(shí)，并總結(jié)了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在此提出來，希望能跟大家一同探討，使管架的設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠。

2 管架的荷載及水平推力計(jì)算

管架主要荷載形式有豎向荷載、管道的水平推力、風(fēng)荷載、地震作用、管道振動(dòng)荷載等，除管道水平推力外，其他形式荷載規(guī)范已有明確論述，依照現(xiàn)行規(guī)范，由結(jié)構(gòu)人員自行計(jì)算，但管道的水平推力一般由管道專業(yè)提供，管道水平推力的作用機(jī)理及取值，在設(shè)計(jì)過程中還有不同的意見。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說，了解水平推力的產(chǎn)生是進(jìn)行管架設(shè)計(jì)工作的重要前提。

管道的水平推力主要是由于管道受熱膨脹產(chǎn)生的，在SH/T 3055—2007 石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)定，當(dāng)所支承的管道符合下列條件之一時(shí)，管道的水平推力可不計(jì)算。

1)常溫管道，介質(zhì)的溫度不超過40 ℃;

2)管道根數(shù)在10 根以上，其中介質(zhì)的最高溫度(溫度應(yīng)包括掃線時(shí)的溫度)Tmax?130 ℃;

3)主要熱管重量與全部管道重量的比值α≤0.15。

下面就管架中的兩個(gè)重要組成部分:中間活動(dòng)管架及固定管架的管道水平推力計(jì)算進(jìn)行簡單介紹。

2.1 中間活動(dòng)管架的管道水平推力

中間活動(dòng)管架由于柱剛度不同，所受的管道水平推力也有區(qū)別，分為剛性中間管架、柔性中間管架，判定的依據(jù)可由下式判別:

Fuk≥Fgk為剛性中間管架。

Fuk＜Fgk為柔性中間管架。

其中，F(xiàn)uk為等效水平推力，作用在柔性中間管架上，由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Fgk為軸向水平推力，作用在剛性中間管架上，由于管道膨脹產(chǎn)生的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

2.1.1 剛性中間管架水平推力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

其中，Gk為正常操作時(shí)作用在一榀管架橫梁上的總垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN;μj為摩擦系數(shù)，鋼與鋼滑動(dòng)接觸時(shí)采用0.3;Kj為牽制系數(shù)。

2.1.2 柔性中間管架水平推力為柱頂彈性力Fuk標(biāo)準(zhǔn)值

1)鋼結(jié)構(gòu)柔性中間管架水平推力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

式中:Bs——管道軸向，管架的短期剛度;

Δ——主要熱管道膨脹量。

2)鋼筋混凝土柔性中間管架水平推力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

SH/T 3055—2007 石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)定。

式中:Bs——管道軸向，管架的短期剛度;

Δ——主要熱管道膨脹量。

HG/T 20670—2000 化工、石油化工管架管墩設(shè)計(jì)規(guī)定。

式中:n——一榀管架柱子的根數(shù)(一般為2);

H——管架柱的高度，當(dāng)雙層管架時(shí)，為基礎(chǔ)頂至主要熱管所在橫梁頂面的高度，cm;

Δl——主要熱管在所計(jì)算的管架頂面處的膨脹量，cm;Δl=α(Tmax－T)L1;

α——鋼材的線膨脹系數(shù)(每升溫1 ℃)，α=1.2×10－5;

Tmax——主要熱管受熱時(shí)的最高溫度，℃;

T——管道安裝時(shí)的溫度，℃;

L1——所計(jì)算的管架距固定點(diǎn)的距離，cm;

Ff——作用在一榀柔性管架上，由于柱頂變位產(chǎn)生的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;

Ec——混凝土的彈性模量，kN/cm2;

I——一榀管架中一根柱子沿管道縱向的截面慣性矩，cm4。

上述兩個(gè)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)中間活動(dòng)管架的剛?cè)嵝怨酱笾律峡椿鞠嗨?，但?shí)際上有著本質(zhì)的區(qū)別。在HG/T 20670—2000 化工、石油化工管架管墩設(shè)計(jì)規(guī)定采用有限元方法將梁柱折合成桿系，那么它所用的單元?jiǎng)偠染仃囍?，抗彎剛度用的是EI，而這個(gè)EI 和混凝土規(guī)范中的短期剛度Bs是有本質(zhì)區(qū)別的，EI 的采用是結(jié)構(gòu)力學(xué)的范疇，它考慮的是作為桿件的梁柱本身的抗彎屬性，是一種理想狀態(tài)。而短期剛度Bs是材料力學(xué)的范疇，它是由理論和試驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上得到的，由試驗(yàn)中梁柱內(nèi)部的應(yīng)變和曲率反推導(dǎo)得到的。換而言之，短期剛度和長期剛度是為了計(jì)算撓度和裂縫而單獨(dú)設(shè)計(jì)出來的。個(gè)人認(rèn)為兩個(gè)計(jì)算公式都能滿足工程上的需要，但是SH/T 3055—2007石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)定求解柔性管架水平推力Fuk的公式更接近于實(shí)際。

2.1.3 牽制系數(shù)Kj

從上述計(jì)算管道水平推力的公式來看，管道的牽制系數(shù)Kj是一個(gè)比較關(guān)鍵的數(shù)值，它的大小直接決定了管道水平推力的大小。

管道與管架之間具有相互制約作用，管道對(duì)管架除作為荷載作用外，尚應(yīng)考慮其對(duì)管架的約束作用。當(dāng)中間管架上敷設(shè)3 根或3 根以上管道時(shí)，中間管架軸向水平推力的牽制系數(shù)Kj，必須考慮由于每根管道水平推力不同時(shí)出現(xiàn)，及各管道溫度不同時(shí)升高等因素，對(duì)管架變形或摩擦力產(chǎn)生的牽制影響，其牽制作用大小取決于主要熱管道質(zhì)量與全部熱管道質(zhì)量之比a 值的大小)。此處特別需要注意的是計(jì)算梁、柱和基礎(chǔ)時(shí)，a 的取值不同。

1)計(jì)算梁時(shí)，考慮該層梁上的全部管道重量，并從中選用一根主要熱管計(jì)算a 值;2)計(jì)算柱和基礎(chǔ)時(shí)，考慮整個(gè)管架上的全部管道重量，并從各層主要熱管道中選用一根起控制作用的主要熱管計(jì)算a 值，管架的水平推力作用在主要熱管道所在的層。

在SH/T 3055—2007 石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)定中還有兩個(gè)這樣的補(bǔ)充說明:

1)計(jì)算柱和基礎(chǔ)時(shí)，主要熱管道所在層與相鄰層間距較大時(shí)，相鄰層管道對(duì)主要熱管所在層管道的牽制作用減小，此時(shí)牽制系數(shù)應(yīng)加大。2)計(jì)算柱和基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)頂層有較大管道且與下層管道間距較大時(shí)，可以分成上下兩部分，分別計(jì)算水平推力。

此處雖然提醒設(shè)計(jì)人員注意，當(dāng)管架上下層間隔較大時(shí)，兩層管道之間的相互牽制作用減小，但遺憾的是只是模糊指出間隔較大，并未明確指出具體范圍，看來此處仍還需要廣大設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步研究，才能使設(shè)計(jì)工作更加準(zhǔn)確。

2.2 固定管架的水平推力

固定管架橫梁上的水平推力應(yīng)包括下列數(shù)值:

1)管道補(bǔ)償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fb。當(dāng)管道膨脹時(shí)，補(bǔ)償器將被壓縮變形，由于補(bǔ)償器的剛度作用，必將產(chǎn)生抵抗壓縮變形的反力，這個(gè)反力通過管道作用于固定管架上，這就是補(bǔ)償器的彈性力Fb，此力根據(jù)補(bǔ)償器的種類、管徑、介質(zhì)溫度、補(bǔ)償器布置位置等不同，經(jīng)管道應(yīng)力計(jì)算后確定，此值由管道專業(yè)提供，補(bǔ)償器的種類有∏形、套筒形、波形、球形等，常用的為∏形。

每一種補(bǔ)償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值都不盡相同，具體數(shù)值可查看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2)關(guān)閉閥門時(shí)，管道的閥門、彎管及盲板等由介質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fn。在補(bǔ)償器的一側(cè)設(shè)有閘閥或盲板，如將閘閥關(guān)閉，由于閘閥受到氣體壓力作用，將產(chǎn)生對(duì)管道的不平衡內(nèi)壓力Fn，此力應(yīng)由管道專業(yè)提供。

3)中間管架通過管道傳給固定管架的反作用力。當(dāng)中間管架為剛性管架時(shí)，等于固定管架至補(bǔ)償器之間各中間剛性管架的摩擦反力之和∑Fgk，kN;當(dāng)中間管架為柔性管架時(shí)，等于固定管架至補(bǔ)償器之間各中間柔性管架的位移彈性力之和∑Fuk，kN。

固定管架的水平推力F，一般均由管道專業(yè)計(jì)算提供∑Fb，∑Fn值，再由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者根據(jù)中間活動(dòng)管架的特征、管道布置具體情況按重載式(端部固定管架)、減載式(中間固定管架)，自行計(jì)算出∑Fgk或∑Fuk，相加后組成固定管架的總水平推力F值。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者，此處尤其需要注意。

3 系統(tǒng)管架布置

系統(tǒng)管架作為管架設(shè)計(jì)中的一種形式，是具有自己獨(dú)特性質(zhì)的。系統(tǒng)管架由固定管架和中間活動(dòng)管架組成。由于輔送石化產(chǎn)品的介質(zhì)溫度不同或大氣溫度的變化，而管道又很長，所以常常產(chǎn)生熱脹冷縮的管道位移，為了適應(yīng)這種熱脹冷縮的變形要求，通常每隔一定距離設(shè)置固定點(diǎn)，這類管架為固定管架。在兩個(gè)固定點(diǎn)之間設(shè)置若干中間活動(dòng)管架和一個(gè)補(bǔ)償器，用這樣的方法，把管道劃分為若干區(qū)段，每段管道的熱膨脹量，由每段設(shè)置的補(bǔ)償器所吸收。

對(duì)于系統(tǒng)管架，長達(dá)數(shù)公里，管道允許跨距的大小直接決定著管架的數(shù)量，管道允許跨距太小造成管架(或橫梁)過密，管架費(fèi)用增高，在管道的強(qiáng)度和剛度能夠保證安全和正常運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡量增大管道的跨距，以降低管架費(fèi)用。管架布置時(shí)固定管架和中間活動(dòng)管架，宜對(duì)稱布置，避免在固定管架的兩端產(chǎn)生不平衡膨脹力。固定架水平荷載較大時(shí)，可設(shè)置固定架柱間支撐。中間活動(dòng)管架應(yīng)采用剛性管架，避免溫度應(yīng)力將管架破壞。

提管道荷載條件時(shí)，應(yīng)提供管道重(包括管道、內(nèi)襯、保溫層、管道附件)、介質(zhì)重、固定管架上各管道的水平推力及作用方向、其他荷載(包括管內(nèi)事故水、試壓水、沉積物、預(yù)留荷載和平臺(tái)荷載)，特別注意:預(yù)留荷載應(yīng)控制在可預(yù)見的合理范圍內(nèi)，否則容易造成管架結(jié)構(gòu)構(gòu)件笨重與管架上敷設(shè)的管道數(shù)量不匹配，并且預(yù)留管道荷載過大時(shí)，造成管道牽制系數(shù)Kj過小，對(duì)于現(xiàn)行管架的計(jì)算并不是有利的，甚至起到相反的作用，使結(jié)構(gòu)偏于不安全。

4 結(jié)語

管架能承擔(dān)荷載的大小，與許多因素有關(guān)，比如管架所在的位置、管架高度、寬度、柱距、當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓、抗震設(shè)防烈度等，做管架布置時(shí)，建議與管道、總圖、結(jié)構(gòu)專業(yè)共同配合，合理確定管架的平面和空間布置，以及固定管架的位置，以求得最佳方案。

［1］SH/T 3055—2007，石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

［2］HG/T 20670—2000，化工、石油化工管架管墩設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

［3］徐至均.管道工程設(shè)計(jì)與施工手冊(cè)［M］.北京:中國石化出版社，2004.