管道支吊架管托结构的设计和形式选用是管道系统设计中的一个重要...
韩敏
[摘 要]在工艺装置的管道设计中，进行支吊架的设计时，应使支吊架间距不超过管道刚度允许值并满足柔性要求，本文介绍了支吊架的设计、计算与选型，此外还介绍了支吊架对管道产生的一、二次应力，说明设置支吊架对管道应力的重要性。
[关键词]计算 选型 位置 应力分析
中图分类号：TQ05 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0028-01
在管道支吊架的设计时，首先要考虑满足工艺要求，还要考虑设备、管道以及组成件的受力状况，以保证安全运转。管道的应力分析是涉及多学科的工程技术，是管道设计的基础。在管道应力分析过程中，正确设置支吊架是一项重要的工作，选型得当，布置合理，所设计的管系不仅美观，而且经济安全。
1.管架跨距
保温冷管道：DN小于等于40的管道，每一跨加活动支座，每两、三跨加一导向支座；DN50-150的管道，每两跨加一活动支座，每四到六跨加一导向支座；DN200的管道，每三跨加一活动支座，每六跨加一导向支座。不保温管道：DN小于等于150的管道，每三到四跨加一导向支座；DN5大于等于200的管道，每五到六跨加一导向支座。
2.管架荷载分析
管架垂直荷载包括基本垂直荷载和可变垂直荷載，因可变垂直荷载无法精确计算，为此将基本垂直荷载乘以一个经验系数，一般是1.2-1.4。其重力方向的荷载为G=aG0（a取1.2-1.4）。管道水平方向的荷载是作用在管架上的水平推力，根据支架类型可以分为活动管架上的水平推力f=uG和固定管架上的水平推力T=ηΔL。
3.管道受力计算实例
现有5根管并排放置，拟用╨型刚吊架支撑。有2根DN400冷水管，管材为无缝钢管U426X9；2根DN200冷水管，管材为无缝钢管U219X6；1根DN100蒸汽管道，管材为无缝钢管U108X5，对该管组的防晃支架进行分析。根据规范，因DN100的管架最大跨距为5m，故该管组设置的共用支架最大跨距为5m，由此根据最不利情况支架间距为5m分析管架的受力。依条件计算管道垂直方向荷载和水平推力。
4.管架梁选型
合理的管架梁就是管架梁要满足抗弯和抗剪要求。
（1）管架梁内力分析
根据管架受力分析得出管架梁垂直受力简化分析图和弯矩图。得到管架梁垂直方向的最大弯矩为17715N.M，最大剪力为24843N.管架梁水平方向的最大弯矩为3155N.M，最大剪力为5521N.
（2）管架梁抗弯强度计算+≤0.85δ
-截面塑性发展系数，型钢一般取1.05；-所验算梁截面绕X轴和Y轴的最大弯矩；-所验算梁截面绕X轴和Y轴的截面系数；δ-钢材的抗拉强度，型钢取210MPa；
因H型钢150x150x7x10满足弯矩要求且比重最小，从经济方面暂定150x150x7x10为管架梁。
（3）管架梁抗剪强度校验
τ=1.5=1.5≤0.85f
τ-抗剪强度；-梁所承受的X、Y轴方向的最大剪力；S-梁截面面积；
δ-钢材的抗拉强度，型钢取160MPa；
故H型刚满足抗剪要求，因此选用H型钢150x150x7x10。
5.管架柱选型
根据管架梁的受力分析，为满足管架梁的管道重力和水平推力的平衡，管架柱的受力有2个，一个是垂直方向的拉力（或压力），一个是水平方向的推力。
（1）管架柱的横截面计算公式
S=1.5R/（0.85δ）1.5x24843/（0.85x210）=209mm2
S-管架柱的最小截面积；R-管架柱竖直方向的拉力或压力；δ-型钢的抗拉强度，一般取210mpa；
（2）管架柱弯曲计算
w≥=1.5x5521x1/（0.85x1.05x210）=44cm3
r-截面塑性发展系数；F-管架梁作用给管架柱的水平支座反力；h-管架梁距离支撑点的高度；W-管架柱的最小截面系数；δ-型钢的抗拉强度，一般取210mpa；
查型钢规格表，型钢截面面积大于209mm2，同时其截面系数必须大于44cm3，我们为了管道支架的整体协调，管架梁和管架柱采用同规格的H型钢150x150X7X10。
6.确定管道支吊架位置要点
管架设置满足管道最大允许跨度的要求。有集中荷载的地方，支架要布置在靠近荷载的地方，以减少偏心荷载和弯曲应力。在敏感设备（泵、压缩机）附近，应设置支架，以防管道荷载作用于管嘴。往式压缩机的吸入或排出管道以及其他有强烈振动的管道，宜单独设置支架，支架生根于地面的管墩、管架并与建筑物隔离，以避免将振动传递到建筑物上。除振动的管道外，应尽可能利用建筑物、构筑物的梁柱作为支架的生根点，且应考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造应能满足生根件的要求。对于复杂的管道，尤其是要做应力分析的管道，应根据应力计算结果调整支吊架的位置。设置在不妨碍管道和设备连接和检修的部位。应设置在弯管和大半径三通式分支管附近。安全泄压装置出口管道应根据需要，考虑是否设置支架。
7.应力分析
（1）在泵出口管道布置处，若弯头处选用刚性吊架，对于温度较高的介质，刚性吊架势必会托空，管系上管道、阀门重量以及热胀力都落在泵管嘴上，支吊架失去了作用。改用弹簧吊架会大大改善泵嘴受力。（2）在利用管道支吊架调节管道的受力时，管道中充分利用或消除支架的杠杆效应是十分重要的。由于管道是一个刚性足够大的弹性体，那么在任何有刚性支架的地方都会产生杠杆效应。以某厂减压转轴线为例.整个减压转轴线只有一个支架，它好比是一个杠杆，支架设置的位置直接影响到加压塔嘴子的受力，支架a、b位置不同，减压塔嘴子的受力如表1。
从数据可以看出，Fy方向的力比较大，故My的力矩较大，但Fy值大，不一定Mx的值就大，它还与力臂有关，所以通过应力分析不断的尝试，最终可以找到一个最理想的位置，使减压塔嘴子受的力和力矩最小。管道人员在设计支吊架时，先应将管系通盘考虑一下，如果管系复杂可将它分成几个简单的管系；对于高温、高压管道一定要进行应力分析，以免由于支架的选择不当造成不良的后果。
8.结语
综上所述，在整个管道工程的投资中，虽然支吊架系统所占的比例很小，但支吊架对整个管系的安全运行起着至关重要的作用；管道支吊架的设计与管系的应力密切相关，可以借助设计支吊架来限制某个方向的力或位移，从而使管系处于安全运行状态。由此可见，管道支吊架的设计在管道设计中起着非常重要的作用。
参考文献
[1] 刘辉.管道支吊架的选用与设置.石油化工设计，2004.05.
[2] 唐飞，刘新然.化工管道支吊架的设计与选用.工程技术，2010.09.endprint
