王 芙

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266000)

隨著現(xiàn)代社會對石化產品種類、質量需求的變化，我國石化行業(yè)的發(fā)展迅猛，在新建項目不斷涌現(xiàn)的同時，對原有的石油化工裝置進行改造也越來越多。連接裝置、罐區(qū)等之間的管廊配套管線也隨之升級改造。鑒于改造項目的特殊性，支吊架對管線是否可以安全穩(wěn)定運行的重要性更為突出。本文首先介紹了管線支吊架的種類，結合工程實例著重闡述了管線撓度的計算對支吊架選用的影響，可為石油化工管線設計提供參考。

1 石油化工管線支吊架簡介

在石油化工管線工程的設計中，一般需要利用管線自然補償?shù)哪芰?，合理設置支吊架位置和選擇支吊架類型。按管道支吊架的功能及用途，目前支吊架大致可以分為以下幾種類型：

僅考慮管道支撐應力對支吊架的影響,可以分為支架或支吊架、導向架、限位架、固定支架和減震又或者隔振支架；根據(jù)支吊架的機械性能則可以分為剛性支架和彈性支架[1]。顧名思義，剛性支架是指在外力的作用下基本沒有形變的支架。彈性支架則是指在外力的作用下會產生變形的支架，在與設備管口相連處考慮到沉降的不均勻性，使用較多。

1.1 支吊架的計算分析

在管線設計中尤其是改造工程中，最需要注意的往往是管線的跨度問題。新建項目中由于場地較為空曠，可以依據(jù)需要設置管架或者管墩來支撐管線的自重和外載等。改擴建項目中經常受到種種限制，則支吊架的重要性就更為突出了。支吊架的合力運用可以避免產生過量的撓度，在裝置內部較為嚴格，一般將其控制在1.6cm以內，以保證管線的振動頻率不低于4次/秒；在裝置外部較為寬松，一般將其控制在3.8cm以內，以保證管線的振動頻率不低于2.55次/秒。

通常,連續(xù)敷設在管墩或者管架上的管道,其允許跨距(L)應按三跨連續(xù)梁承受均布荷載的剛度條件計算，然后通過計算該管線的強度對其進行校驗，比較其數(shù)值大小并取兩者中的最小值[1]。

1.1.1 剛度計算

根據(jù)上述表述，裝置內和裝置外的管線跨距應分別根據(jù)數(shù)學表達式(1-1)和(1-2)進行計算[2]：

(1-1)

(1-2)

式中,L1為由剛度條件決定的裝置內管道跨距，m；L1＇為由剛度條件決定的裝置外管道跨距，m；Et為管材在設計溫度下的彈性模數(shù)，MPa；I為扣除了管道的腐蝕裕量之后的斷面慣性矩，cm4；q為單位長度管道的質量，kg/m。

1.1.2 強度條件

在不計算管內壓力的條件下，管線跨距應根據(jù)數(shù)學表達式(1-3)進行計算[2]：

(1-3)

式中,L2為按照強度條件計算出來的管道跨距，m；W為扣除了管道的腐蝕裕量之后的斷面抗彎模數(shù)，cm3； [σ]為管材的許用應力，MPa。

如果考慮到管道內產生的環(huán)向應力達到許用應力值，即當軸向應力達到許用應力的一半時，裝置內部及外部的管道中，由管道的重量荷載和其它的持續(xù)性垂直荷載在管壁中引起的一次軸向應力不應超過改管線額定許用應力的一半，即在 的前提下，管線跨距應根據(jù)數(shù)學表達式(1-4)進行計算[2]：

(1-4)

式中,[σ]t為管道材質在對應的設計溫度下的許用應力，MPa。

1.2 相關參數(shù)的計算

斷面慣性矩I和斷面抗彎模數(shù)W應按照下式(1-5)和(1-6)進行計算[3]：

(1-5)

(1-6)

式中,D0為管道內徑，mm；Di為管道內徑，mm。

2 工程實例分析

2.1 實例簡介

某石化煉廠的裝置和原料罐區(qū)的改造項目，需要新增一條DN100的碳鋼管線，經實地查看發(fā)現(xiàn)裝置至主管廊之間有一條消防道路，路寬6m；有一跨路桁架連接裝置與主管廊，桁架為單層。管架-1和管架-2間距為10m，目前跨路桁架已經布滿管線，余下空間不滿足此管線的鋪設條件。桁架北側邊緣位置敷設有電纜槽盒，北側外圍無法在滿足間距要求的情況架設三角支架以支撐此管線。桁架南側已有三角支撐且其上已敷設有DN300的原料管線。管架-1和管架-2之間雖有側梁連接，但卻無法作為生根構件放置支架，管線本身的跨距卻又不足。原有三角支架的長度也不滿足將DN100管線增徑的方案。只能借助原有的DN300管線設置鄰管支架，以提供必要支撐供新增DN100管線跨過道路，詳見圖1。但DN300的管線是否可以在保證自身安全的條件下給新增管線提供支撐卻需要核算。

圖1 工程實例圖

2.2 理論模型

2.2.1 無外力時管道受力模型

此工程實例中鑒于客觀條件所限，無法在原鋼結構梁上增設支吊架。通過分析認為，此次新增跨路架空敷設的管線，可以看成為管架-1和管架-2兩端受彈性支撐的梁結構，此種簡化的力學模型稱為變形梁模型[4]。如圖1中所示，A、B為橫梁的兩個端點的支承點，q為單位面積上的承受的均布荷載，包括管線自身重量和介質重量等，方向一般為豎直方向[5]，模型詳見圖2所示。

圖2 無外力時管道受力模型

2.2.2 僅受外力時管道受力模型

在原DN300管線上增設的鄰管支架，放置于管架-1和管架-2連線的中點C的位置，此受力情況可將模型簡化[5]，詳見圖3所示。

圖3 僅受外力時管道受力模型

2.2.3 擬合受力模型

管線受到自身均布荷載q和施加于橫梁中心點的集中載荷F的交叉作用影響，將上述兩種受力情形下的中點撓度的數(shù)值相疊加(應注意作用力方向不同，引起的管線形變方向的不同。)，變得到二者共同作用時所產生的撓度值[5]，此情形下的模型詳見圖4所示。

圖4 管道受力擬合模型

2.3 模型數(shù)學化

2.3.1 無外力時管道受力模型數(shù)學表達式

此情形下的數(shù)學表達式[6]如(2-1)所示：

(2-1)

式中，w1表示管線在本身重量下(包括介質重量等)的均布荷載q作用之下產生的撓度。

2.3.2 僅受外力時管道受力模型數(shù)學表達式

此情形下的數(shù)學表達式[6]如(2-2)所示：

(2-2)

式中，w2表示管線在集中荷載F作用之下產生的撓度。

2.3.3 擬合受力模型數(shù)學表達式

根據(jù)上述分析可以得出合力共同作用下管線的撓度數(shù)學表達式[6]，如(2-3)、(2-4)所示：

外力垂直向上時w=w1-w2

(2-3)

外力垂直向下時w=w1+w2

(2-4)

3 計算與分析

因原有的DN300管線提供了垂直向上的力F支撐新增DN100的管線，故其本身受到垂直向下的外力通過觀察式(2-4)可知，其撓度較未受外力作用時增大。因新增DN100的管線受到垂直向上的外力F，通過式(2-3)可知，其撓度較未受外力作用時減小。

取Fmax代入第2章節(jié)數(shù)學表達式中進行核算，原有DN300管線的撓度小于3.8cm，滿足安全運行要求，則上述方案是可行的。

4 結束語

但本文在擬合自身荷載與外力共同作用下管線撓度的計算公式時，采用的外力數(shù)值較實際情況仍偏大，需要對此進行更進一步的研究，以便后續(xù)工作中在保證設計產品安全的同時使工程建設成本進一步降低。