管道门字型支吊架的设计
2018-06-22刘玉王冠男
刘玉 王冠男
摘要：用来支撑管道的结构叫管道支吊架，管道在敷设时都必须对管子进行固定或支承，固定或支承管子的构件是支吊架。在化工工程里，管道支架分布广、数量大、种类繁多，同时管道支吊架的设计和安装对管道及其附件施工质量的好坏取决定性作用。如何采用安全适用、经济合理、整齐美观的管道支吊架是化工设计的一个重点。
关键词：管道布置；支架计算
一、管道的布置
对管道进行合理的深化和布置是管道支吊架设计的前提条件。欲设计安全使用、经济合理、整洁美观的管道支吊架，首先需对管道进行合理的布置，其布置不得不考虑以下参数：
1.管道布置设计应符合各种工艺管道及系统流程的要求；
2.管道布置应统筹规划，做到安全可靠、经济合理、满足施工、操作、维修等方面的要求，并力求整齐美观；
3.在确定进出装置（单元）的管道的方位与敷设方式时，应做到内外协调；
4.管道宜集中成排布置，成排管道之间的净距（保温管为保温之间净距）不应小于50mm。
5.输送介质对距离、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直径管道的布置，应符合设备布置设计的要求，并力求短而直，切勿交叉；
6.地上的管道宜敷设在管架或管墩上，在管架、管墩上布置管道时，宜使管架或管墩所受的垂直荷载、水平荷载均衡；
7.管道布置应使管道系统具有必要的柔性，在保证管道柔性及管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超出过允许值的惰况下，应使管道最短，组成件最少；
8.应在管道规划的同时考虑其支承点设置，并尽量将管道布置在距可靠支撑点最近处，但管道外表面距建筑物的最小净距不应小于100mm，同时应尽量考虑利用管道的自然形状达到自行补偿；
9.管道布置宜做到“步步高”或“步步低”，减少气袋或液袋。不可避免时应根据操作、检修要求设置放空、放净。
二、管架跨距
管架的跨距的大小直接决定着管架的数量。跨距太小造成管架过密，管架数量增多，费用增高。所以设计管道的支吊架应先确定管架的最大跨距，管架的最大允许跨距计算应按强度和刚度两个条件分别计算，取其小值作为推荐的最大允许跨距。
1.按强度条件计算的管架最大跨距的计算公式：
Lmax——管架最大允许跨距（m）
q——管道长度计算荷载（N/m），q=管材重+保温重+附加重
W——管道截面抗弯系数（cm3）
Φ——管道横向焊缝系数，取0.7
[δ]t 钢管许用应力——钢管许用应力（N/mm2）
2.按刚度条件计算的管架最大跨距的计算公式：
Lmax——管架最大允许跨距（m）
q——管道长度计算荷载（N/m），q=管材重+保温重+附加重
Et——刚性弹性模量（N/mm2）
I——管道截面惯性矩（cm4）
i0——管道放水坡度，取0.002
三、管架分析
1.管道支吊架介绍
用来支撑管道的结构叫管道支吊架，管道在敷设时都必须对管道进行固定或支撑，固定或支撑管子的构件是支吊架。管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊杆（简称柱或吊杆）、管架梁（简称梁）和支撑节点组成。
2.管架荷载分析
（1）垂直荷载
管道支吊架垂直荷载根据性质可分为基本垂直荷载和可变垂直荷载，其中基本垂直荷载指管道支吊架所承受的管道重力、介质重力、保温层等附件的重力等永久性荷载。可变垂直荷载指管道所承受的活荷载、沉积物重力和发生地震时所应该承受的特殊变化的荷载。因可变垂直荷载是无法精确计算的，为此我们将管道支吊架的基本垂直荷载乘以一个经验系数（一般为1.2～1.4）作为管架垂直方向的计算荷载。
管道支吊架基本垂直荷载计算，可先将复杂的管道支架体系近似的看作简支梁，根据受力分析，管架B所承受的基本垂直荷载为GB‘=（GL1+ GL1）/2
因管道支吊架在一个工程里数量种类繁多，不可能一一计算，为此我们只需考虑同类型支架的最不利受力状况即可，根据管道支吊架的最大允许跨度来计算最不利支架，此时就只需计算长度为最大允许跨度L的管道、介质、保温层的重力GB即可。
其重力方向的计算荷载为G=αGB （α=1.2～1.4）
（2）水平荷載
管道水平方向的荷载是作用在管架上的水平推力，根据支架类型可分为活动管架上的水平推力和固定管架上的水平推力。
a.活动管架水平推力主要来自管道摩擦力，吊杆水平推力可忽略；
水平推力即为管道摩擦力f=μG（μ为摩擦系数，G为管道垂直荷载）
b.固定支架的水平推力主要来自补偿器的弹性变形力。
采用补偿器补偿的管道，其作用在固定管架上的水平推力为补偿器被压缩或拉伸所产生的反弹力。
水平推力=补偿器反弹力T=ηΔL （η为补偿器的弹性模量，ΔL为补偿器发生的变形长度）
采用自然补偿的管道，是利用管道的自然弯曲形状所具有的柔性以补偿管道的热胀和冷缩位移，如图所示。
固定支架变形管道长度为L，补偿臂管道长为Lb
管道安装温度按t1℃考虑，管道工作温度为t2℃，故钢管材质的管道会在温度变化下缩短ΔL=α×ΔT×L（式中α为钢管的线膨胀系数，ΔT为温差，L为固定支架变形管道长度）
故作用在管道补偿上的推力为T=3ΔLEI/Lb3（E为管道的弹性模量，I为管道的惯性矩）
四、管架梁选型
根据管架梁的受力分析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有可能出现2种现象，一是管架梁会沿着受力方向被剪断，另一种是管架梁会沿着受力方向发生过大弯曲变形，严重的会发生弯曲折断。所以合理的选择管架梁就是使管架梁能刚好满足梁的抗弯和抗剪要求。
1.管架梁内力分析
将管架假设为刚性结构的简支梁，分别根据管架梁的垂直受力和水平受力情况，按照平面简支梁进行内力分析，并根据静力方程求得管架梁的内力，并绘制梁的剪力图和弯矩图，求出最大剪力和最大弯矩。
2.管架梁选型
（1）管架梁抗弯强度计算
管架梁的最大弯矩计算得出后，根据以下公式对管架梁的材料规格型号进行选择：
式中：rx、ry——截面塑性发展系数，一般型钢取1.05
Mx、My——所验算梁截面绕X轴和绕Y轴的最大弯矩（N·m）
Wnx、Wny——所验算梁截面对X轴和对Y轴的截面系数（cm3）
σ——钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取210MPa
采用验算法将初步估计型钢规格所对应的截面系数代入以上公式进行验算，满足该方程的型钢可作为管架梁的备选材料。
（2）管架梁抗剪强度校验
根据管架梁的抗弯强度计算所选出的支架，还需检验其是否满足管架梁的剪切要求。参照如下公式对管道所承受的剪力进行校验。
式中：τ——抗剪强度
Vx、Vy——梁所承受的X轴方向、Y轴方向的最大剪力（N）
S——梁截面面积（m2）
σv——钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取160MPa
