在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí), 首先要考慮滿足工藝要求, 還要考慮設(shè)備、管道及其組成件的受力狀況, 以保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)。管道應(yīng)力分析是涉及多學(xué)科的綜合技術(shù),是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在管道應(yīng)力分析過(guò)程中, 正確設(shè)置支吊架是一項(xiàng)重要的工作。支吊架選型得當(dāng), 布置合理, 所設(shè)計(jì)的管系不僅美觀, 而且經(jīng)濟(jì)安全。
1 作用
管道支吊架主要有以下幾個(gè)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(fā)生非預(yù)期方向的位移。
(3) 控制擺動(dòng)、振動(dòng)或沖擊。
2 位置及類(lèi)型
管道支吊架的位置及其類(lèi)型對(duì)已定管系的受力狀態(tài)的影響很大, 主要有兩個(gè)方面。
(1) 對(duì)管系的應(yīng)力分布狀態(tài)、最大應(yīng)力值、
管系的端點(diǎn)作用力和力矩有影響, 因?yàn)檫@種管系端點(diǎn)的荷載將會(huì)傳遞到與該管端相聯(lián)接的設(shè)備上。因此, 支吊架設(shè)置得當(dāng), 能改善管系中的應(yīng)力分布和端點(diǎn)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(lèi)型的影響。
(2) 支吊架的設(shè)置非常靈活, 可變化的范圍較大。支吊架的位置、數(shù)量和形式選擇往往因人而異。對(duì)同一個(gè)管系存在著多種支吊架設(shè)置方案, 不同的設(shè)置形式將反映出不同的應(yīng)力分布,應(yīng)力值及端點(diǎn)受力。因此, 在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí),為使管系具有足夠的柔性, 除了應(yīng)注意管系走向和形狀外, 支架位置和型式也是相當(dāng)重要的。從以下方面分別說(shuō)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(guò)管道的允許跨距, 以控制其撓度不超限。一般連續(xù)敷設(shè)的管道允許跨距應(yīng)按三跨連續(xù)梁承受均布荷載時(shí)的剛度條件計(jì)算, 按強(qiáng)度條件校驗(yàn), 取剛度條件決定的跨距和強(qiáng)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(shè)置或不設(shè)置支架。要利用管系的自然補(bǔ)償能力合理分配支吊架點(diǎn)和選擇支吊架類(lèi)型。
c.位移
有管托的管道縱向位移不得超過(guò)管托的長(zhǎng)度; 管托長(zhǎng)度應(yīng)留足余量, 并排敷設(shè)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(shè)備或建構(gòu)筑物上。
e.類(lèi)型
e.1支吊架從限制性可分為3 類(lèi): 固定架、導(dǎo)向架和支托架(或單向止推架) 。
e.2支吊架從力學(xué)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(shuō), 剛性支架的剛度為無(wú)窮大, 在外力荷載的作用下沒(méi)有變形, 一般用在無(wú)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(nèi), 管道有小的變形過(guò)程時(shí), 不會(huì)完全失去其分配荷載, 從而控制荷載轉(zhuǎn)移量。彈簧支吊架一般用于管段在垂直方向有熱位移的場(chǎng)所, 引起管道支點(diǎn)的變位, 若該支點(diǎn)為剛性支吊架, 將會(huì)妨礙管段的變位, 或使管段脫離支吊架, 致使管道產(chǎn)生過(guò)大的力和應(yīng)力。如果采用彈簧管托、管吊則不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。彈簧支吊架分為兩大類(lèi): 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(dāng)管系在垂直方向發(fā)生位移后彈簧壓縮或伸長(zhǎng), 支點(diǎn)受力發(fā)生變化, 管系在支點(diǎn)處的荷載將重新分配給附近支點(diǎn), 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(dāng)可變彈簧無(wú)法滿足荷載變化率≯25 %之要求時(shí), 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(shí), 其荷載不變, 即它的荷載變化率在理論上為零, 此類(lèi)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(yán)格的場(chǎng)合。對(duì)用恒力彈簧吊架支承的管道和設(shè)備, 在發(fā)生位移時(shí), 亦可獲得恒定的支承力, 因而不會(huì)給管道和設(shè)備帶來(lái)附加的力和應(yīng)力?？杀苊夤艿老到y(tǒng)產(chǎn)生不利的力轉(zhuǎn)移, 以保證管道及設(shè)備正常運(yùn)行。
f. 位置
確定管道支吊架位置有以下要點(diǎn)。
f.1. 滿足管道最大允許跨度的要求。
f.2.在有集中荷載時(shí), 支架要布置在靠近荷載的地方, 以減少偏心荷載和彎曲應(yīng)力。
f.3. 在敏感設(shè)備(泵、壓縮機(jī)等) 附近, 應(yīng)設(shè)置支架, 以防管道荷載作用于設(shè)備管嘴。
f.4.往復(fù)式壓縮機(jī)的吸入或排出管道以及其他有強(qiáng)烈振動(dòng)的管道, 宜單獨(dú)設(shè)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(dòng)傳遞到建筑物上。
f.5.除振動(dòng)的管道外, 應(yīng)盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的生根點(diǎn), 且應(yīng)考慮
生根點(diǎn)所能承受的荷載, 生根點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)能滿足生根件的要求。
f.6.對(duì)于復(fù)雜的管道, 尤其是需要作詳細(xì)應(yīng)
力計(jì)算的管道, 還應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果調(diào)整其支吊架的位置。
f.7. 應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位。
f.8.應(yīng)設(shè)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(yīng)根據(jù)需要, 考慮是否設(shè)置支架。
3.選用原則
(1) 選用管道支吊架時(shí), 應(yīng)按照支承點(diǎn)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(zhì)等條件選用合適的支吊架。
(2) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)管托、管卡、管吊。焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊節(jié)省鋼材且制作簡(jiǎn)單和施工方便。因此, 除下列情況外,應(yīng)盡量采用焊接型的管托和管吊: ①管內(nèi)介質(zhì)溫度≥400 ℃的碳素鋼材質(zhì)的管道; ②低溫管道; ③合金鋼材質(zhì)的管道; ④生產(chǎn)中需要
經(jīng)常拆卸檢修的管道; ⑤架空敷設(shè)且不易施工焊接的管道; ⑥非金屬襯里管道。
(3) 防止管道過(guò)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(shè)置導(dǎo)向管托: ①安全閥出口的高速放空管道和可能產(chǎn)生振動(dòng)的兩相流管道; ②橫向位移過(guò)大影響鄰近管道; ③固定支架之間的距離過(guò)長(zhǎng), 可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定時(shí); ④為防止法蘭和活接頭泄漏而要求不宜發(fā)生過(guò)大橫向位移的管道。
(4) 熱脹量超過(guò)100mm 的架空敷設(shè)管道應(yīng)選用加長(zhǎng)管托, 以免管托落到管橋梁下。
(5) 支架生根在鋼質(zhì)設(shè)備上, 若設(shè)備需熱處理時(shí), 應(yīng)給設(shè)備專(zhuān)業(yè)提供墊板委托。當(dāng)設(shè)備為合金材質(zhì), 墊板材料應(yīng)與設(shè)備材質(zhì)相同。
(6) 對(duì)于生根在設(shè)備或土建平臺(tái)上荷載較大的支架位置、標(biāo)高和荷載應(yīng)事先與相關(guān)專(zhuān)業(yè)聯(lián)系。
(7) 凡需要限制管道位移量時(shí), 應(yīng)考慮設(shè)置限位架。
(8) 當(dāng)垂直方向有位移時(shí), 可選彈簧支吊架; 彈簧根據(jù)具體情況可用于并聯(lián)和串聯(lián)。
(9) 當(dāng)管道在支承點(diǎn)有垂直位移且要求支承力的變化范圍在6 %以?xún)?nèi)時(shí), 管系應(yīng)采用恒力彈
簧支吊架。
(10) 在管道支吊架通用圖中無(wú)法選出合適的支吊架時(shí), 可采取其它特殊形式支吊架。
4 應(yīng)力分析
管道支吊架的設(shè)置除了對(duì)管系一次應(yīng)力的大小有著直接的影響外, 還對(duì)調(diào)節(jié)管系的二次應(yīng)力/ 端點(diǎn)推力起著重要的作用。正確選用支吊架,調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布狀態(tài), 使管系適應(yīng)變形的需要和管系端點(diǎn)推力在使用范圍內(nèi)是十分重要的。同時(shí), 還可選擇某種類(lèi)型支架來(lái)限制管系在某個(gè)方向的位移, 從而減少設(shè)備管嘴的應(yīng)力以保護(hù)設(shè)備, 尤其是那些敏感設(shè)備, 如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和機(jī)泵的管嘴等。
(1) 泵
若彎頭處選用剛性吊架, 對(duì)于溫度較高的介質(zhì), 剛性吊架勢(shì)必會(huì)托空, 管系上管道、閥門(mén)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(huì)大大改善泵嘴子受力。
(2) 杠桿效應(yīng)
在利用支吊架調(diào)節(jié)管道的應(yīng)力時(shí), 管道設(shè)計(jì)中充分利用或消除支架的杠桿效應(yīng)是十分重要的。由于管道是一個(gè)剛度足夠大的彈性體, 那么在任何有剛性支架的地方都會(huì)產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。
綜上所述, 在整個(gè)管道工程的投資中, 雖然支吊架系統(tǒng)所占的比例很少, 但支吊架對(duì)整個(gè)管系的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用; 管道支吊架的設(shè)計(jì)與管系的應(yīng)力密切相關(guān), 可以借助設(shè)置支吊架來(lái)限制某個(gè)方向的力或位移, 從而使管系處于安全狀態(tài)。從某種意義上來(lái)說(shuō)管道的規(guī)劃過(guò)程實(shí)際上是規(guī)劃管道支吊架。由此可見(jiàn), 管道支吊架的設(shè)計(jì)在管道設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。
滄州五森管道設(shè)備有限公司 管道支吊架
