王 雨，侯春燕

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010)

管道支吊架設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響到生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性。目前管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范陳舊，材質(zhì)單一、適用管徑范圍較小，不能滿足現(xiàn)代化工生產(chǎn)大型化、規(guī)模化的設(shè)計(jì)要求。

基于上述原因，本文根據(jù)實(shí)際工作需要，對(duì)設(shè)計(jì)中常用的吊桿型吊架進(jìn)行受力分析計(jì)算，確定組成管架的各個(gè)部分最大荷載，以最薄弱部分的允許荷載作為該類型管架的最大允許荷載，針對(duì)不同尺寸系列，形成該種材料的荷載表，并換用其他類型材料進(jìn)行核算，繪制出相應(yīng)的荷載曲線，供設(shè)計(jì)人員在工作中參考。

吊桿式吊架是最常用的管道支吊架之一，具有適用范圍廣、安全可靠和安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，以HG/T 21629-19999《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》[1]中B2型管架為代表。其荷載由三部分決定：上部的焊縫強(qiáng)度、拉桿的許用荷載和管夾螺栓的許用承剪力。三者取最小值，即為吊架的最大荷載。

1 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

管道支吊架構(gòu)件的焊接及構(gòu)件與生根結(jié)構(gòu)的焊接，一般均為角焊縫，其焊縫強(qiáng)度的校核應(yīng)按許用剪切應(yīng)力來(lái)判斷。

GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和SH/T 3073-2016《石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]均給出了作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的作用力計(jì)算公式，兩者的計(jì)算原理相同，GB 50017-2017中正面角焊縫(作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向)計(jì)算公式如下：

式中：σf——按焊縫有效截面計(jì)算(helw)計(jì)算，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力

he——角焊縫的計(jì)算厚度，對(duì)于直角角焊縫等于0.7hf，hf為焊腳尺寸

lw——角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf

βf——正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，對(duì)承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.22；對(duì)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.0

N——軸心拉力或軸心壓力

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表中扁鋼規(guī)格為HG/T21629-1999中A19型管架選取的規(guī)格，角焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為GB50017-2017中，表1給出的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度值，角焊縫的焊縫高度等于被焊件厚度。

表1 角焊縫最大允許荷載

2 螺紋吊桿最大使用荷載

SH/T3073-2016《石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和GB/T17116.3-2018《管道支吊架》[4]中均給出了螺紋吊桿的最大使用荷載見(jiàn)表2。

表2 螺紋吊桿最大使用荷載

續(xù)表2

3 螺栓許用剪應(yīng)力

對(duì)于螺栓的許用剪切應(yīng)力，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中均有相關(guān)的規(guī)定。

《機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》[5]中的相關(guān)規(guī)定：

塑性材料：許用剪切應(yīng)力=(0.5～0.7)×許用拉伸應(yīng)力

脆性材料：許用剪切應(yīng)力=(0.8～1.0)×許用拉伸應(yīng)力

GB 50316-2000(2008年版)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定：許用剪切應(yīng)力為本規(guī)范附錄A許用應(yīng)力的0.8倍(附錄A中金屬管道材料的許用應(yīng)力系指許用拉應(yīng)力)。

SH/T3073-2016《石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定：許用剪切應(yīng)力按許用拉伸應(yīng)力的0.6倍計(jì)算。

本文許用剪切應(yīng)力按0.6倍的許用拉伸應(yīng)力計(jì)算。

考慮正常的安裝及使用條件，最大允許應(yīng)力按許用應(yīng)力的75%計(jì)算。

因管夾螺栓靠近被吊管道，受管道溫度影響較大，其允許荷載會(huì)產(chǎn)生一定的差異，故螺栓的最大承剪力應(yīng)根據(jù)不同材料、不同溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：P——螺栓最大承剪力

[σ]t——不同材料、不同溫度下的許用應(yīng)力

S——螺栓截面積

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 螺栓最大承剪力

規(guī)格d/mm截面積/mm2150 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni10200 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni101078.502.613.464.846.543.432.443.214.736.323.1812113.043.764.996.979.414.933.514.636.829.114.5814153.865.126.799.4912.816.724.786.309.2812.396.2316200.966.698.8612.3916.738.776.248.2312.1216.198.1418254.348.4711.2215.6821.1711.107.9010.4215.3420.4910.3020314.0010.4613.8519.3626.1413.719.7512.8618.9325.2912.7222379.9416.7623.4231.6316.5815.5622.9130.6015.3924452.1619.9427.8837.6419.7418.5227.2736.4218.3127572.2725.2435.2847.6424.9823.4334.5146.1023.1830706.5043.5658.8230.8442.6056.9128.6133854.8752.7071.1737.3151.5568.8634.62361017.3662.7284.7044.4161.3581.9541.20391193.9973.6199.4052.1272.0096.1848.36421384.7485.37115.2860.4483.50111.5456.08451589.6398.00132.3469.3995.85128.0464.38481808.64111.50150.5778.95109.06145.6973.25

規(guī)格d/mm截面積/mm2300 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni10400 ℃下最大承剪力/kNQ235-A3530CrMoA35CrMoA06Cr19Ni101078.501.982.614.566.152.794.105.442.6112113.042.853.766.568.854.025.907.833.7614153.863.885.128.9312.055.478.0310.665.1216200.965.066.6911.6715.747.1410.4913.936.6918254.346.418.4714.7619.919.0413.2817.638.4720314.007.9110.4618.2324.5911.1616.3921.7610.4622379.9412.6522.0629.7513.5119.8326.3312.6524452.1615.0626.2535.4016.0723.6031.3315.0627572.2719.0633.2244.8120.3429.8739.6619.0630706.5041.0155.3225.1236.8848.9623.5333854.8749.6266.9430.3944.6259.2428.47361017.3659.0679.6636.1753.1170.5033.88391193.9969.3193.4942.4562.3382.7439.76421384.7480.38108.4349.2372.2895.9646.11451589.6392.28124.4756.5182.98110.1652.93481808.64104.99141.6264.3094.41125.3460.23

螺栓許用應(yīng)力按GB 50316-2000(2008年版)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附表A，A.0.3常用螺栓許用應(yīng)力計(jì)算。

4 荷載曲線繪制

由以上數(shù)據(jù)可以看出，焊縫的最大受力遠(yuǎn)大于吊桿和螺栓的最大受力，故吊桿式吊架的最大承受力應(yīng)按吊桿的最大拉力或管夾螺栓的最大剪力決定。在管架設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，吊桿的直徑和管夾螺栓的直徑不一定為同一數(shù)值，故應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況按表3中的數(shù)據(jù)分別選用。因上述表格中螺栓剪力的溫度條件較多，荷載曲線僅以≤20 ℃下不同材料最大荷載為代表，另添加吊桿荷載曲線進(jìn)行繪制，見(jiàn)圖1。其他溫度下的最大荷載取值以上表中數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

圖1 吊桿及20 ℃下不同材料螺栓的最大承載力

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)吊桿型吊架各組成部分的受力分析可以看出：螺栓和吊桿直徑以及螺栓的材質(zhì)選擇直接影響了管架的最大許用荷載。通過(guò)計(jì)算，得出了不同溫度、不同材料下螺栓的最大承剪力表，并繪制出了≤20 ℃下吊桿和不同材料螺栓的最大荷載圖，表明不同材料螺栓對(duì)其許用荷載影響明顯。