浅谈典型化工管道管架设计注意事项

摘要：简单介绍化工项目管道管架的作用及分类，以及在管道设计中，对于典型化工管道管架设置时需要注意的事项。
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　　关键词：典型化工管道；管架；设计注意事项
　　化工项目中的管道是机械、设备和装置之间物料流通所用的连接设备，管道一般是架空或埋地敷设，因此，需要根据管道的特性设置适当的管架，如若管架设置不合理，管道就会不稳定，就会产生偏心、震动、扭曲等影响安全生产的隐患，为了消除这些潜在的隐患，就必须要选用合适的管架来对管道进行有效的限制，以达到安全生产的目的。
　　1、管架的作用与分类
　　管架是管道的支承结构，其作用有如下几点：
　　（1）承受管道的自重荷载，包括管子、管件、阀件的重量和管道内部介质重量及管道外层保温材料重量等全部重量，对每个单一支架或吊架而言，是该支吊点管道所分配值与该支吊架的实际荷重值，由于多种原因、会有少量偏差。（2）增强管道的抗变形刚度、使水平挠度和由此引起的振动得到控制。（3）以其限位作用控制与引导管线热位移的大小和方向（弹性支吊架无此作用）。（4）对管道流动介质的冲击力、激振力、排气反作用力以及由设备传递的振动、风力、地震等起缓冲减振作用。（5）控制由管道施加给设备接口的荷重和热位移推力和力矩；以保护设备的安全运行。（6）承受管道冷拉施加的力和力矩。根据管道的运转性能和布置要求，管架分为固定支架、活动支架、导向支架和吊架四种。设置固定点的地方采用固定支架，这种支架与管道之间不能发生相对位移，而且，固定管道支架受力后的变形与管道补偿器的变形值相比，应当很小（管架要具有足够的刚度）。设置中间支承的地方采用活动支架，管道与管架之间允许产生相对位移，不约束管道的热变形。导向支架也称导向滑动支架，是管道应用最为广泛的一种支架。它同样是管道自重的一个支承点，但它对管道有两个方向的限位作用，它能引导管道在导轨方向（即轴线方向）自由热位移，起到稳定管线的重要作用。吊架用于常温管道，或用于热管道无垂直热位移和此种热位移值很微小的管道吊点，除承受管道分配给该吊点的重量之外，它允许该吊点管道有少量的水平方向位移，而对管道的向下位移有限位作用。
　　2、管架的组成和结构
　　管架分为管道支架和管道吊架，管道支架一般由管座（管托）、管架柱（简称柱）、管架梁（横梁或纵梁，简称梁）和基础等组成，如图1所示；管道吊架一般由管夹、吊杆（弹簧）、管架梁等组成。
　　管路上按其需求设计相应的管架，管架布置示例如图2所示。
　　3、典型化工管道管架的设计要点
　　3、1支承自重的管架设计
　　对于一定管径、中间不用管架的长距离化工管道，因自重下垂，看上去会倾塌，故必须设置最低限度的支架。事实上，即使看上去不担心倾塌完全符合要求的配管，因有着固有振动频率的问题，有时也会引起共振。特别是下垂和倒悬的管道，因其固有振动频率非常低，即使没有特定的振动源，只要受到外界的一些振动，也会引起大的谐振。因此，如何避免因固有频率产生的共振和其它振动而引起的各种故障，就成为管架设计所研究的对象。
　　3、2避免使机械承受大的管道荷载的管架设计
　　机械下部垂下的吸入管，诸如大型压缩机、汽轮机、鼓风机、泵的进出口管等，这些管道如果直接作用在机械上，由于它的重量或管道应力会使机械接口发生形变，从而产生振动，影响机械的使用寿命。为了避免此类情况的发生，就必须要在管道的有效部位设置支吊架，以承受管子自身的重量或消除管道应力，延长机械使用寿命，保证安全生产。
　　3、3防止机械振动的管架设计
　　每根化工管道由于直径、壁厚、长度、支架间距等不同，有着各自固有的振动频率，如管道固有的振动频率与有关联的机械振动的频率接近，就会引起大的振动，会发生危险。为减少此类危险的发生，就需要选择合适的支吊架来对管道进行限制；此类防止管道振动的支吊架，需要具有一定的刚性，同时应支持在管道的振动方向，使管道有最大的刚性。
　　3、4防止管内气流振动的管架设计
　　在与往复机械连接的管道内，如往复式压缩机，真空泵等，由于气体脉动压力变化，也会引起管内流体的振动。为了避免产生这种情况，需要在管道系统内闭塞部位和开口部位的相对位置来设计管架，不使它们之间的固有振动频率与管内流体振动频率一致。
　　3、5防止节流阀、溢流阀、安全阀等阀芯振动的管架设计
　　对于节流阀、溢流阀、安全阀等阀门，使用时往往只作微小的开启，这是阀芯的振动不仅与固有振动频率有关，还有可能发生其它的种种振动。对于大口径的阀门，如选用低升程动作的，阀与阀座，特别是导杆稍有不吻合，圆周开度就会不一样，产生阀芯振动。因此，一方面阀门需要选用难以引起阀芯振动的结构；另一方面在这些阀门的附近应设计与其相匹配的管架，以尽可能地减少这些阀门阀芯的振动。不管在什么情况下，防止振动的管架，应能有效地增强管道在振动方向的刚性。管架应在配管的振动方向有最大的刚性，只有这样，才能取得较好的设计效果。
　　3、6应力管道的管架设计
　　对于应力管道，要经过应力计算来完成。现以较为普遍的蒸汽管道的管架设计为例来进行详细说明：
　　蒸汽管线是一个比较庞大而复杂的管系。从界区引入的中高压蒸汽经过一组仪表调节阀和减温减压器后变为低压蒸汽，然后送人装置各单元的各级用户使用。由于管线过长而且考虑管系的柔性需在应力和应变限制的许可范围内，于是设置了两段π型补偿器，分别设置在中压蒸汽管线和低压蒸汽管线的中间段，来帮助吸收轴向、横向和角位移及所产生的推力、弯矩和扭转。经过应力分析后，在减温减压器处容易引起振动的地方增设两个减振拉杆，而且调节阀两端全部设为弹簧架。
　　3、7其它管道的管架设计
　　（1）安全阀出口要加支架，以抵消反坐力；（2）两相流管道注意每隔一定距离加管卡，但必须与应力计算协调，以免应力通不过；（3）小口径管道并排配管时，可考虑每隔2-3m用角钢和U型管夹支撑一下，以增加刚性；（4）小管道可利用大管支撑（吊）但要考虑两者温度及位移的一致性。
　　4、管架设计常用的标准、规范
　　管架设计时，工艺专业、材料专业、压力分析专业、管道专业、设备专业等相关专业应相互协商，尽量做到安全、合理；管架设计常用的标准规范如下表1：
　　表1 管架设计常用标准规范一览表
　　序号 标准或规范名称 备注
　　1 石油化工装置工艺管道安装设计施工图册第三分册--管道支吊架
　　2 管架标准图（HG/T 21629-1999）
　　3 石油化工管架设计规范（SH/T 3055-2007）
　　4 化工、石油化工管架、管墩设计规定（HG/T20670-2000）
　　5 管道支吊架（GB/T17116-1997
　　5、结束语
　　随着我国石油化工行业的快速发展，管道支架也得到越来越广泛的应用和重视。管架是一种数量多、分布广的特种结构。因此，做好管架的设计、施工工作，对加快基本建设速度、节约建设投资、保障安全高效生产，具有非常重要的意义。
　　参考文献
　　1、国振喜、曲昭嘉，编.管道支架设计手册，中国建筑工业出版社；
　　2、小栗富士雄著，康文甲、周正民，译.配管设计施工指南，中国建筑工业出版社。
　　3、《石油化工装置工艺管道安装设计手册》第四版，中国石化出版社