管道设计中支吊架的正确设置

管道设计中支吊架的正确设置应使支吊架间距不超过管道刚度允许值和满足柔性要求，严格遵循正确9主题词：管线支架 管吊 设计 类型 位置 应力 应用CORRECTINSTALLATIONOFSUPPORTS&HANGERSINPIPINGDESIGNPengJinLuoyangPetrochemicalEngineeringCorporation(Luoyang,Henan471003)AbstractWheninstallingsupportsandhangersinpipingdesignofpetroleumprocessunitsandrefinerywidesystem,thespacebetweensubhangersshouldnotexceedtheallowablevalueofpiperigidityandshouldmeetflexibilityrequirementofthepipingsystem.Meanwhile,itshouldstrictlycompilethecorrectmethodandselectionprinciplesforsupportandhangerinstallation.Ninespecificselectionprinciplestogetherwiththeselectionmethodforvariablespringsupportsweredescribedindetail.Effectsofsupportsandhangersonbothprimaryandsecondarystressesofthepipewerealsointroduced.Theimportanceofcorrectinstallationofsupportsandhangersinpipingdesignwereemphasizedwithexampleofstressanalysisandcalculationforselectingdifferenttypesofsupportforthesamepipe.Keywordspipesupport,hanger,design,allocation,stress,application管道设计应力分析的目的是确保管系安全可靠，它是涉及多种学科的综合性技术，也是管道设计的基础。在进行管道应力分析时，除做到管道布置满足要求并安排合理外，还应合理设置支吊架。正确设置管道支吊架是一项十分重要的技能，支吊架位置布置合理，选型得当，不仅可使管道整齐美观，而且也可达到经济合理和运行安全的目的。管道支吊架的位置及类型管道支吊架的位置及其类型对已定管系的受力状态的影响很大，主要有以下两个方面。首先，是对管系的应力分布状态、最大应力值、管系的端点作用力和力矩有影响，因为这种管系端点的荷载将会传递到与该管端相连接的数量和型式选择往往因人而异。对同一个管系存在着多种支吊架设置方案，不同的设置型式将反映出不同的应力分布、应力值及端点受力。因此，在进行管道设计时，为使管系具有足够的柔性，除了应注意管系走向和形状外，支架位置和型式也是相当重要的。管道支吊架位置的确定应遵循5个原则。严格控制支吊架间距支架间距尤其是水平管道的承重支架间距不得超过管道的允许跨距即管道的最大间距)，以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许跨距(L)验，取两者中的最小值。刚度条件根据管段不应在轻微外界挠力作用下发生明显振动的要求，装置内4/2.55/1.6cm，它们的跨距应按式(1)和式(2)计算(1)(2)式中：L——装置内管道由刚度条件决定的跨距，m；1L′——装置外管道由刚度条件决定的跨距，m；1E——管材在设计温度下的弹性模数，MPa；tI——管道扣除腐蚀裕度后的断面惯性矩，cm4；q——管道的质量，kg/m。强度条件在不计算管内压力的条件下，跨距应按式(3)计算(3)式中：Lm；2W——管道扣除腐蚀裕度后的断面抗弯模数，cm3；［σ］——管材的许用应力，MPa；考虑管道内产生的环向应力达到许用应力值，即轴向应力达到许用应力的二分之一时，装置内外的管道由管道重量荷载及其它垂直持续荷载在管壁中引起的一次轴向应力不应超过额定许用应力的二分之一，即［σ］=0.5［σ］t的前提下，其跨距L应按式(4)计算2(4)式中：［σ］t——管材在设计温度下的许用应力，MPa。满足管系对柔性的要求尽量利用管道的自支承作用，少设置或不设置支架。要利用管系的自然补偿能力合理分配支架点和选择支架类型。控制管道纵向和横向位移有管托的管道纵向位移不宜超过管托长度；并排敷设的管道横向位移不得影响相邻管道。满足支吊架生根条件必须具备生根条件的支吊架一般可生根在地面、设备或建、构筑物上。管道支吊架的类型310固定支架和减振或隔振支架；按支吊架的力学性能又可分为刚性支架、弹性支架和恒力支架［1］。大 类小 类大 类小 类名称用 途名称刚性用 途支架支架 重量和介质重量等)无垂直位移的场合装误差严格的场合可变有少量垂直位移的弹簧 合架 垂直位移较大或要求支吊架的荷载变化恒力 能太大的场合弹簧支架限制用于限制、控制和约束管道在任一方固定性支 向的变形 架固定点处不允许有线位移和角位移的场合架架限位限制管道任一方向线架 位移的场合轴向限位点处需要限制管限位道轴向线位移的场合架 允许管道有轴向位移，导向不允许有横向位移的架 场合一般减振用于限制或缓和往复式机泵进出口管支架道和由地震、风载、水击、安全阀排弹簧器出反力等引起的管道振动需要减振的场合需要弹簧减振的场合减振器管道支吊架的力学效果和选用原则支架的失载率和荷载变化率通常管道支吊架的失载率可用下式表示是相对于常温时的荷载而言的。弹簧支吊架的荷载变化率为且r≥0，其基本荷载是在操作温度下的荷载，所以弹簧支吊架荷载2变化是相对于工作荷载而言的。刚性支架弹性支架弹簧都具有一定的刚度，在外力荷载作用下可以变形(位移)。弹簧支架在弹簧工作范围内，管道有小的变形过程时，不会完全失去其分配荷载，一般常指定其荷载变化率范围为25%，从而控制荷载转移量。恒力支架从理论上分析，刚性为零的支架为恒力支架，所以恒力支架的荷载7%～8%)，在管道的变形过程中，在它的工作=r=01 2管道支吊架选用原则有如下9点［2］：道的位移情况、工作温度、是否保温或保冷以及管道的材质等条件选用合适的支吊架。尽量采用制作简单和施工方便的焊接型管托和管吊以节省钢材。质温度≥400℃需要经常拆卸检修的管道；④合金钢材质的管道；⑤架空敷设且不易施工焊接的管道。沿着轴向位移，一般在下列条件的管道上设置导向管托：①安全阀出口的高速放空管道和可能产生振动的两相流管道；②横向位移过大可能影响邻近管道，以及固定支架的距离过长而可能产生横向不稳定的管道；③为防止法兰和活接头泄漏而要求不发生过大横向位移的管道；④为防止振动而出现过大的横向位移的管道。100mm落到管架梁下。38mm置、标高和荷载情况。使支架失去其承载功能，该荷载的转移将造成邻近支架超过其承载能力或造成管道跨距超过其最大允许值的情况；②当管道在支承点处有向下的垂直位移，而选用一般刚性支架将阻挡管道位移的情况；③垂直位移25%；④当选用的一个弹簧的变形量不能满足要求时，可串联安装两个弹簧；⑤串联的两个弹簧，承受的荷载应相同，总位移量按每个弹簧的最大压缩量的比例进行分配；⑥当实际荷载超过选用弹簧规格表中最大允许荷载时，可选用两个或两个以上的弹簧并联安装；⑦并联弹簧应选用同一型号的弹簧，按并联弹簧数平均分配荷载。8%时，管系应采用恒力弹簧支架。管道支架在应力分析中的作用在管道设计中不考虑支吊架限制管道在振动或抗震中的作用时，一般支吊架有3种作用。管道的承重管道设计中支吊架的基本作用在于承受管道的自重和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在许用范围内。一次应力的大小是衡量管系能否安全运行的标准之一。若一次应力过大，管系可能会受到破坏。由管道的内压和外载产生的一次应力的大小和作用与在管系上的荷载及管道和其配件的截面有关。装置的规模确定后，便可确定各个管道的管径。管道设计时不能任意改变工艺流程图上规定的管径，而管道的一次应力和支承端承受荷载的大小却可通过设置支吊架来加以调整。因此，管道支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。当水平管道上支吊架太少时，不仅会使一次应力增大，同时也会使管道的挠度增大，以至超过许用值，而不利于管系的安全运行。调节管系二次应力/端点推力管道支吊架的第二个重要作用是调节管系的二次应力/般来说，管道承受荷载所产生的一次应力是非自限性的，其值不超过管材的许用应力即认为是可靠的，而对于由管系在热变形过程中受阻所引起的自限性的二次应力需用热胀许用应力范围来判断热态与冷态应力(5)［1］计算所得的数值σ=f(1.25σA

+0.25σc

) (5)h式中：σ

——热胀许用应力范围，MPa；Aoh

——热态和冷态管材的许用应力，MPa；cf——根据管道在工作年限内伸缩的总循环次数确定的应力降低系数。所以，正确选用支吊架，调整和改善管系的应力分布状态，使管系还可选择某种类型的支架(或限位架)以限制管系在某个方向的位移，从而减少设备管嘴的受力(或应力)，以保护设备，尤其是那些敏感设备，如压缩机、汽轮机和机泵的管嘴等。在利用支吊架调节管道的应力/端点推力时，管道设计中充分利用或消除刚性支架(固定支架除外)的杠杆效应是十分重要的。由于管道是一个刚度足够大的弹性体，如设计中不是按简支梁条件来分配管道的荷载，而是按照吊零加给定荷载条件分配荷载，那么在任何有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。以下是在设计中利用或消除支架杠杆效应的例子。在实际配管设计中，经常使用支吊架以减少机泵进出口管道对机泵1图1 配管示意图为了达到上述要求，一般在靠近设备处设置支架A。在一般条件下，设备的刚性是很大的，所以在进行管道应力计算时，将设备作为一个刚EF，产生的ABM，F×EAEAFAFAAMFAAA消除管道布置不当造成的荷载转移如前例所示，管道支吊架在柔性设计和应力分析中有着特殊作用。/支吊架数量，以减少管道的受力，但从降低二次应力这一方面出发，则要求减少支架对管道的约束，使管系尽可能地自由变形，以降低二次应力/架的设置。因此，在管道设计或应力分析中，考虑如何合理而适当地设置支吊架是很重要的。非刚性支吊架在管道应力分析中的特殊作用是用以消除管系因布置不当而造成的荷载，如采用弹性支吊架或恒力支架来/2图2 配管示意图Φ219mm×6mm300℃，2.0MPaB并对两个方案分别计算。方案1 假设A和C点为固定点，B点上使用一个约束。在常温下由W+P1+F(SUS)(计算一次应力的工况)产生的一次应力最大值为98.54MPa，二次应力(EXP)最大值为158.45MPa，B点处热荷载为零，冷荷载为-4687N。101.00BYB响。BBB146.821MPa不合格。方案2 在方案1的基础上改B点处正Y向约束为弹性支吊架，经计算一次应力最大值为89.752MPa，小于许用应力，应力验算通