王 勋

(天津博迈科海洋工程股份有限公司，天津300452)

在石油化工、海洋油气等行业，管道作为流体输送的主要承载体应用广泛，而作为保证管道系统安全、稳定的管道支架也同样必不可少。管道应力分析是指为保证管道自身和与其相连的机器、设备及支吊架和土建结构的安全，而进行的管道应力计算及评定[1]。因此，对支架进行分析校核在工程设计中是一个常见且必要的过程。

1 假管支托的特点

管道支架分为一次支架和二次支架[2]。一次支架指与管道直接连接或接触的管支架，如U型螺栓、焊接管鞋、管夹式管鞋等；二次支架指生根于结构或设备(如混凝土或钢结构梁、柱)、用于承载一次管支架的支架，如三脚架、悬臂梁、简支梁等。工程公司和设计院都有一套自己的行业标准、企业标准，甚至是项目标准来指导支架的选型设计。

在众多的支架中，假管支托作为一种特殊的支架型式，因其安装建造比较方便而被广泛使用，假管支托的安装只需要将一段管子直接焊接在输送流体的母管上(通常假管比焊接的母管小1～2个NPS管径)。但是假管支托相对于上面所说的通用支架，对管道的载荷承载能力相对较弱，这就导致应力工程师需要校核假管支托与母管焊接点的可靠性以及假管支托承受管道载荷的能力[3]。

假管支托一般应用在水平管道上，有时也应用在弯头处，但是弯头处的假管会降低管道的柔性，通常要求尽量避免使用。假管支托与母管直接焊接时，假管支托的校核通常会失败，常用的解决方法是焊接加强板，加强板只允许使用在直管段上，而不允许在弯头处。如果管道的材料不是碳钢，加强板的材料一般与母管材料保持一致，假管支托的材料选用碳钢。

2 影响因素

假管支托的影响因素和影响结果见表1。

表1 假管支托的影响因素及影响结果

3 假管支托校核实例分析

假管支托的校核方法有多种，M.W.Kellogg方法在海内外工程公司的应用较为广泛，有些工程公司也使用WRC的方法校核假管支托。这里主要介绍如何使用M.W.Kellogg方法校核假管支托，此方法通常会被编制成Excel表格在工程公司中应用。

管道应力分析主要包括正确建立模型、真实地描述边界条件、正确地分析计算结果[4]。只有假管在CAESAR II中正确地建模、真实地描述边界条件，才能取得正确的受力分析结果，进而确保假管支托校核的准确性。

3.1 计算案例

4”(101.6 mm)的无缝钢管用3”(76.2 mm)的假管支托支撑。无缝钢管选用标准ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B；假管支托无缝钢管选用标准ASME B36.10，壁厚STD，材料ASTM A106 GR B，管道的设计压力为2.2MPa，管道与假管支托间的加强板厚6mm，假管支托长度200mm，查阅ASME相关规范后获取的设计输入数据见表2。

表2 假管支托计算设计输入值

3.2 计算步骤

(1)首先使用CAESAR II模拟分析管系，假管支托需要在软件中正确建模，进行静态分析。获取三个方向假管支托处的载荷，一般取HYD/SUS/OPE工况下的最大载荷，以上案例应力计算的结果归纳见图1。

图1 假管支托受力图示

(2)假管支托由于受力FA，及力矩MC和ML的作用，被支撑管生根部位产生局部应力，其计算方法如下[5]：

因纵向力矩(Longitudinal Bending)ML产生的线载荷：

因环向力矩(Circumferrential Bending)MC产生的线载荷：

因轴向力(Axial Force)FA引起的线载荷：

(3)使用M.W.Kellogg公式计算生根部位的局部应力，Kellogg公式：

其中，Sb为被支撑管生根部位的局部应力；R为被支撑管外半径；TC为被支撑管扣除腐蚀裕量后加上补强板的厚度；f为由力或力矩引起的线载荷。

TC=6.02-3-6.02×0.125+6=8.2675 mm

=8.52MPa(系数取1.75)

=0.88MPa(系数取1.75)

(4)计算由管道设计压力引起的纵向应力和环向应力：

(5)将以上计算的应力用如下公式进行组合后，与许用应力值进行比对，通常取1.5Sh做为许用应力值，Sh为ASME标准中的基础许用应力，若3个公式都满足要求，即校核通过，否则假管支托不合格，需要根据具体情况进行分析调整，重新核算。

SL+SA+SLP≤1.5Sh

SC+SA+SCP≤1.5Sh

假管支托弯曲应力ST

×[d4-(d-1.75t)4]≤1.5Sh

计算结果见表3。

表3 计算结果

经比对，假管支托校核结果通过。

以上案例校核虽然满足要求，保证了安全稳定性，但是裕量过大，经济上不合理，此时可以优化设计，通过取消加强板或者减小假管支托的尺寸，重新选用假管后再校核。此优化过程是一个反复迭代、寻找最优解的过程，且结果不唯一。

首先，取消加强板，Tc=2.2675 mm，校核失败，结果见表4：

表4 取消加强板后校核结果

然后，考虑保留加强板，减小假管支托的尺寸，选用2”(50.8 mm)，壁厚Sch.STD，校核通过仍有较大裕量，结果见表5。

表5 保留加强板后的校核结果

最后，在保证焊缝强度的基础上，在以上假管支托尺寸减小后，将加强板厚改为3mm，即Tc=5.2675mm，校核通过，计算的局部应力接近许用应力值，既满足了设计要求，也减少了材料的浪费。优化设计后的结果见表6。

表6 加强板厚改为3 mm后的校核结果

4 结语

假管支托因其特点而使用广泛，但在使用假管支托的过程中，需要校核假管的选取是否满足要求，以上校核方法配合焊缝强度的校核，就可以在工程上确认假管支托是否适用。焊缝强度的校核通常包含剪切应力的校核和弯曲应力的校核。

在校核假管支托的过程中常常会遇到校核失败的情况，如果遇到这些情况，需要根据具体情况分析调整，常用的解决方案有增加补强板、增大假管支托的尺寸、减小假管支托的长度，或者调整假管支托的方向。

以上校核案例不仅提供了假管支托的校核方法，还提供了优化假管支托设计的思路，这样既可以保证工程运行上的安全稳定性，同时又可以减少不必要的浪费，节省材料，保证经济性，有利于设计时选出最经济合理的假管支托。