在進行管道設計時, 首先要考慮滿足工藝要求, 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。管道應力分析是涉及多學科的綜合技術,是管道設計的基礎。在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, 而且經濟安全。
1 作用
管道支吊架主要有以下幾個方面的作用。
(1) 承受管道的重量荷載(包括自重、充水重、保溫重等) 。
(2) 阻止管道發生非預期方向的位移。
(3) 控制擺動、振動或沖擊。
2 位置及類型
管道支吊架的位置及其類型對已定管系的受力狀態的影響很大, 主要有兩個方面。
(1) 對管系的應力分布狀態、最大應力值、
管系的端點作用力和力矩有影響, 因為這種管系端點的荷載將會傳遞到與該管端相聯接的設備上。因此, 支吊架設置得當, 能改善管系中的應力分布和端點受力以及力矩狀況。因此, 管系的柔性不但受到管系形狀的影響, 也受到所選定支吊架位置和類型的影響。
(2) 支吊架的設置非常靈活, 可變化的范圍較大。支吊架的位置、數量和形式選擇往往因人而異。對同一個管系存在著多種支吊架設置方案, 不同的設置形式將反映出不同的應力分布,應力值及端點受力。因此, 在進行管道設計時,為使管系具有足夠的柔性, 除了應注意管系走向和形狀外, 支架位置和型式也是相當重要的。從以下方面分別說明：
a.間距
支吊架間距尤其是水平管道的承重支吊架間距不得超過管道的允許跨距, 以控制其撓度不超限。一般連續敷設的管道允許跨距應按三跨連續梁承受均布荷載時的剛度條件計算, 按強度條件校驗, 取剛度條件決定的跨距和強度條件決定的跨距中兩者的小值。
b.柔性
盡量利用管道的自支承作用, 少設置或不設置支架。要利用管系的自然補償能力合理分配支吊架點和選擇支吊架類型。
c.位移
有管托的管道縱向位移不得超過管托的長度; 管托長度應留足余量, 并排敷設的管道橫向位移不得影響相鄰管道。
d.生根條件
必須具備生根條件的支吊架一般可生根在地面、設備或建構筑物上。
e.類型
e.1支吊架從限制性可分為3 類: 固定架、導向架和支托架(或單向止推架) 。
e.2支吊架從力學性能又可分為剛性支架和彈性支架。
e.2.1. 剛性支架
從理論上說, 剛性支架的剛度為無窮大, 在外力荷載的作用下沒有變形, 一般用在無垂直位移的地方。
e.2.2.彈性支架
彈簧都具有一定的剛度, 在外力荷載的作用下可以變形(位移) 。彈簧支架在彈簧工作范圍內, 管道有小的變形過程時, 不會完全失去其分配荷載, 從而控制荷載轉移量。彈簧支吊架一般用于管段在垂直方向有熱位移的場所, 引起管道支點的變位, 若該支點為剛性支吊架, 將會妨礙管段的變位, 或使管段脫離支吊架, 致使管道產生過大的力和應力。如果采用彈簧管托、管吊則不會產生這種現象。彈簧支吊架分為兩大類: 可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。
e.2.2.1. 可變彈簧支吊架的特性是當管系在垂直方向發生位移后彈簧壓縮或伸長, 支點受力發生變化, 管系在支點處的荷載將重新分配給附近支點, 一般常指定其荷載變化率范圍為25 %。荷載變化率= | 工作載荷- 安裝載荷工作載荷| 100 25 %當可變彈簧無法滿足荷載變化率≯25 %之要求時, 即可選用恒力彈簧支吊架。
e.2.2.2 恒力彈簧支吊架是管系上下(垂直) 位移時, 其荷載不變, 即它的荷載變化率在理論上為零, 此類支吊架適用于垂直位移量較大的管系, 或者荷載變化率要求嚴格的場合。對用恒力彈簧吊架支承的管道和設備, 在發生位移時, 亦可獲得恒定的支承力, 因而不會給管道和設備帶來附加的力和應力。可避免管道系統產生不利的力轉移, 以保證管道及設備正常運行。
f. 位置
確定管道支吊架位置有以下要點。
f.1. 滿足管道最大允許跨度的要求。
f.2.在有集中荷載時, 支架要布置在靠近荷載的地方, 以減少偏心荷載和彎曲應力。
f.3. 在敏感設備(泵、壓縮機等) 附近, 應設置支架, 以防管道荷載作用于設備管嘴。
f.4.往復式壓縮機的吸入或排出管道以及其他有強烈振動的管道, 宜單獨設置支架, 支架生根于地面上的管墩、管架上并與建筑物隔離, 以避免將振動傳遞到建筑物上。
f.5.除振動的管道外, 應盡可能利用建筑物、構筑物的梁柱作為支架的生根點, 且應考慮
生根點所能承受的荷載, 生根點的構造應能滿足生根件的要求。
f.6.對于復雜的管道, 尤其是需要作詳細應
力計算的管道, 還應根據應力計算結果調整其支吊架的位置。
f.7. 應設在不妨礙管道與設備的連接和檢修的部位。
f.8.應設在彎管和大直徑三通式分支管附近。
f.9.安全泄壓裝置出口管道應根據需要, 考慮是否設置支架。
3.選用原則
(1) 選用管道支吊架時, 應按照支承點所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷以及管道的材質等條件選用合適的支吊架。
(2) 設計時應盡可能選用標準管托、管卡、管吊。焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊節省鋼材且制作簡單和施工方便。因此, 除下列情況外,應盡量采用焊接型的管托和管吊: ①管內介質溫度≥400 ℃的碳素鋼材質的管道; ②低溫管道; ③合金鋼材質的管道; ④生產中需要
經常拆卸檢修的管道; ⑤架空敷設且不易施工焊接的管道; ⑥非金屬襯里管道。
(3) 防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載, 以保證管道只沿著軸向位移, 一般在下列條件的管道上設置導向管托: ①安全閥出口的高速放空管道和可能產生振動的兩相流管道; ②橫向位移過大影響鄰近管道; ③固定支架之間的距離過長, 可能產生橫向不穩定時; ④為防止法蘭和活接頭泄漏而要求不宜發生過大橫向位移的管道。
(4) 熱脹量超過100mm 的架空敷設管道應選用加長管托, 以免管托落到管橋梁下。
(5) 支架生根在鋼質設備上, 若設備需熱處理時, 應給設備專業提供墊板委托。當設備為合金材質, 墊板材料應與設備材質相同。
(6) 對于生根在設備或土建平臺上荷載較大的支架位置、標高和荷載應事先與相關專業聯系。
(7) 凡需要限制管道位移量時, 應考慮設置限位架。
(8) 當垂直方向有位移時, 可選彈簧支吊架; 彈簧根據具體情況可用于并聯和串聯。
(9) 當管道在支承點有垂直位移且要求支承力的變化范圍在6 %以內時, 管系應采用恒力彈
簧支吊架。
(10) 在管道支吊架通用圖中無法選出合適的支吊架時, 可采取其它特殊形式支吊架。
4 應力分析
管道支吊架的設置除了對管系一次應力的大小有著直接的影響外, 還對調節管系的二次應力/ 端點推力起著重要的作用。正確選用支吊架,調整和改善管系的應力分布狀態, 使管系適應變形的需要和管系端點推力在使用范圍內是十分重要的。同時, 還可選擇某種類型支架來限制管系在某個方向的位移, 從而減少設備管嘴的應力以保護設備, 尤其是那些敏感設備, 如壓縮機、汽輪機和機泵的管嘴等。
(1) 泵
若彎頭處選用剛性吊架, 對于溫度較高的介質, 剛性吊架勢必會托空, 管系上管道、閥門等重量以及熱脹力都落在泵嘴子上, 支吊架失去了作用。改用彈簧吊架就會大大改善泵嘴子受力。
(2) 杠桿效應
在利用支吊架調節管道的應力時, 管道設計中充分利用或消除支架的杠桿效應是十分重要的。由于管道是一個剛度足夠大的彈性體, 那么在任何有剛性支架的地方都會產生杠桿效應。
綜上所述, 在整個管道工程的投資中, 雖然支吊架系統所占的比例很少, 但支吊架對整個管系的安全運行起著至關重要的作用; 管道支吊架的設計與管系的應力密切相關, 可以借助設置支吊架來限制某個方向的力或位移, 從而使管系處于安全狀態。從某種意義上來說管道的規劃過程實際上是規劃管道支吊架。由此可見, 管道支吊架的設計在管道設計中起著非常重要的作用。
滄州五森管道設備有限公司 管道支吊架
