摘要：管道支架属于特种结构，管架和管道两者形成一个空间体系而共同工作。根据不同管架的结构特征，合理选择管架类型，确定管架荷载、允许长细比及计算长度，正确分析计算管架内力，选择与管架匹配的管托和基础形式，对管架设计的科学性、安全性、经济性十分重要。
　　关键词：管道支架；设计；荷载
　　
　　
　　前言：在石油、化工、电力、金属冶炼及某些轻工业生产的装置中，管道是重要的组成部分之一，而管道支吊架又是与管道紧密联系在一起的结构。在一个大型装置中，管道支架的设计工作量较大，是重要的设计任务之一。管道支架设计不当，会使管道组成件在运行中损坏，如设备管口法兰，或使转动设备受损，更严重的会使土建结构受到破坏，导致试运中被迫停车。因此，管道支吊架的设计越来越受到重视。
　　一、管道支吊架的分类及结构组成
　　1.管道支吊架的分类
　　按支架的作用管道支吊架分为三大类：滑动支架、导向支架和固定支架。滑动支架是用来承受管道的重力及其他垂直向下荷载的支吊架，适用于无特殊位移要求的管道；导向支架的作用是限制线位移，在所限制的轴线上，至少有一个方向被限制；当支撑点不允许有热位移时选用固定支架。
　　2.管道支吊架的结构组成
　　从管道支承的结构及连接关系等方面考虑，可把整个支架视为以下几部分组成：管部附着件、连接配件、特殊功能件、辅助钢结构及生根件。
　　二、管道支架设计原则
　　1.管道支架选用要求
　　管道支架的选用应根据管道支承点处所承受的各类荷载大小及其方向、位移情况、工作温度、是否隔热、管道材质、生根位置、限位或防振要求等综合考虑，选用具有足够强度和刚度的支架。
　　水平管道支吊架最大间距应满足强度和刚度条件。强度条件是控制管道自身弯曲应力不应超过设计温度下材料需用应力的一半；刚度条件是限制管道自重产生的弯曲挠度，一般管道设计挠度不应超过15mm，根据管道的热位移选用不同的承重支架；
　　沿直立设备顶部出来的管道或侧线管道设置承重支架和导向支架。通常在靠近设备管口处的第一个支架为承重支架，以减少管口受力，当管道垂直荷载过大时，为降低承重支架生根点处塔体的局部应力，可在垂直管中间增设弹簧支架分担垂直荷载。在承重支架之下，按一定间距设导向支架，防止风载等引起的横向位移，需要注意的是最下面的导向支架距管道拐弯处的距离至少为1/3管道间距。
　　管道的支承点在垂直方向无位移时选用刚性支架，有位移且允许荷载变化率大于6%时选用可变弹簧支架，位移量较大且要求的荷载变化率不大于6%时选用恒力弹簧支架。例如沿立式反应器布置的管道与反应器之间、或高温管道与土建构架梁柱之间存在较大的位移差时，需要考虑选用弹簧支架来承受管道荷载，避免管道支撑处脱空或管道变形受到约束，使管道支架处的荷载转移造成管道一次应力增大可能超过材料的许用应力，和使相邻管道支架(或设备管口)受力超出其荷载允许值，或使管道产生的较大二次应力可能超过许用位移应力范围。
　　管道集中荷载处、管道拐弯处和有法兰等可拆连接处需要考虑设置支架，例如烟气轮机人口管道在靠近高温闸阀、蝶阀的两侧设支架，当高温蝶阀后的支架距人口法兰较远时，在靠近人口法兰处的管道上还需要设置弹簧支架，以减少作用于法兰处的垂直荷重。同样安全阀出口放空管道上通常需要设置刚性支架，以承受安全阀起跳放空时，介质排放对管道产生的反作用力。
　　需要维护的管道支架，例如弹簧支架、减振支架和阻尼支架等，应考虑在支架周围留有足够的维护空间。同时管道支架不应妨碍管道与设备之间的连接、设备和管道的运行、操作及检修。例如在靠近泵的管道上设置的支架，应满足泵移走时管道不需要设临时支架。同样加氢反应器出口管道上与反应器顶盖上可拆卸段相接的管道需要考虑设承重支架，以便反应器顶盖拆卸时支撑出口管道。
　　2.管道支架对设备运行的影响
　　管道设计除了满足满足强度和刚度条件要求外，还应保证管道在各种工况下具有足够的柔性，保证设备管组受力和力矩满足设备正常运行的要求。设备管口的允许推力和力矩应由制造厂提出，当制造厂无数据时，可按下列规定进行核算：
　　1)离心泵管口的允许推力和力矩应符合API610的规定；
　　2)蒸汽轮机管口的允许推力和力矩应符合NEMA SM23的规定；
　　3)离心压缩机管口的允许推力和力矩应符合API617的规定；
　　4)空冷器管口的允许推力和力矩应符合API661的推荐值；
　　例如在靠近进出口处要设置支架，以防止机器管口承受过大的管道荷载，例如催化主风机人口立管下部弯头处应设固定支架，上部设导向支架，出口管道第一个弯头处应设置弹簧支架和限位支架。往复式压缩机和往复泵进出口管道除了满足管道的柔性要求外，还应考虑流体压力脉动的影响，支架选用防震管卡，同时支架应做成独立支架；
　　三、管道支架设计注意问题
　　1.管道运行工况
　　管道支架的设计不仅要考虑正常操作条件，还要考虑开工、停车、除焦、再生和蒸汽吹扫等各种工况。例如分馏塔侧线产品抽出管道的垂直管段中间增设的彈簧支架，正常操作时塔体支撑点处的向上热位移值大于管道支架处的热位移值，弹簧刻度向上位移，而开、停工管道进行蒸汽吹扫时塔体支撑点处的向上热位移值小于管道支架处的热位移值，弹簧刻度向下位移，因此选择弹簧的工作位移范围时，不仅要考虑正常操作时向上位移值，更要考虑开、停工蒸汽吹扫时向下位移值。
　　2.管道支架的生根
　　管道支架的生根部位应具有足够的强度和刚度。例如支撑在地面上的支架，当管道支架荷载较大，特别弯矩较大或有振动荷载时，需要设置支架生根的基础。同样蒸汽轮机进出口管道上的固定支架和限位支架的生根部位强度不够，就会造
　　成支架达不到预期的固定和限位作用。管道支架的生根部位常常与其他专业有关，考虑到支架的生根条件和承载能力，需要事先与有关专业联系。例如当管道支架直接生根焊或通过高强度螺栓连接而生根于设备外壁时，其生根部位将产生局部应力，特别是管道支架所承受的荷载较大时，可能造成设备外壁生根部位局部应力过大，同时由于管道荷载的偏心作用，还可能对设备的整体稳定性产生影响。支架作用在土建梁上时，需要考虑梁的挠度对支架的影响；
　　3.支架拉杆的长度
　　当管道支架选用吊架形式时，需要注意的是吊杆不能太短，防止管道发生水平热位移后吊杆过度偏斜，而产生较大的水平力，影响管道的柔性。一般当管道从安装状态变到操作状态时，吊杆有水平位移，拉杆两端应为铰接，拉杆要有足够长度以适应管道的水平位移。
　　4.弹簧支架的设计
　　弹簧支架选用的型式需要考虑支架本身需要的安装空间尺寸、管道和设备布置的要求。当支架荷载较大，单个弹簧不能满足要求时，可选用两个相同规格的弹簧并联安装使用；
　　5.对管道材料的性能和几何参数进行检测与分析
　　管道材料的性能和几何参数的检测与分析应根据结构类型的不同分别进行。所采用的方法与民用建筑基本相同，只是由于企业的产品属性的特性，致使在检测与分析的过程中需要对结构的耐久性、耐火等性能进行检测。结构材料的性能和几何参数的检查应计入锈蚀、腐蚀、腐朽、虫蛀、风化、缺损以及施工偏差等的影响。管道构件的材料强度的标准值依据规范确定。各子项的检测按规范要求进行。
　　结语：总之，各专业管道（线）要统一布置，集中敷设，与总图布置及其他管线协调一致，力求缩短管路。管托类型、管架类型及基础形式三者要相互匹配。管架结构形式应力求实现管廊化、标准化、系列化，做到技术经济安全合理，施工维修方便。
　　参考文献
　　[l]王志宏，李苏秦.石油化工管道支吊架设计规范SH/T3073se-2004[S].北京：中国石化出版社，2005.
　　[2]张德姜，王怀义，刘绍叶主编.石油化工装置工艺管道安装设计手册(第三版)[M].北京：中国石化出版社，2005.
　　[3]马金国 唐永进 张发有 石油化工管道柔性设计规范 SH/T3041-2002
　　[4]工业金属管道设计规范 GB50316-2000