压力管道技术-8

第八章管道支撑管道的支撑设计是管道设计的一个重要组成部分，它与管道力学分析一样直接影响到管系强度的安全可靠性。

第六和第七章介绍的管道力学分析都与管道的支撑有着密切的关系。

换句话说，管道的力学分析是在管道布臵和管道支撑设计的基础上进行的，而管道力学分析的结果反过来又影响着管道布臵和管道支撑设计。

另一方面，由于管道的支撑设计本身又涉及到许多力学计算，因此，本书将管道的支撑设计归入管道力学研究的范畴。

一般来说，管道的支撑设计是伴随着管道布臵进行的，它是由富有经验的配管工程师根据管道的走向和生根条件，初步确定管道的支撑点和支撑型式，待管系的力学分析完成之后再对其进行调整，或根据力学分析的结果进行某些支撑件的强度设计。

由此也可以说，管道的支撑设计是管道布臵专业和管道机械专业的交叉点。

通过多年来的设计应用，目前管道的支撑件已形成系列化，并称之为管道支吊架系列，因此本章在对管道支撑的概念和支撑位臵的选用进行介绍之后，重点介绍一下管道支吊架的型式选用。

至于管道支吊架本身的强度设计，在某些专著或手册中已有详细的介绍，在此仅介绍一般的原则而不再展开讨论。

第一节概述就管道支吊架的作用而言，可以概括为以下三个方面：其一，承受管道的重量荷载(包括自重、介质重和隔热材料重等)；其二，限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；第三，用来控制管道的振动、摆动或冲击。

因此，管道支撑的位臵确定、支撑型式的确定以及管道支吊架本身的强度设计也主要是围绕着上述支吊架的三个功能展开的。

一、管道支吊架的分类根据管道支吊架的用途来分，可以分为如表8－1所示的三大类：（一）承重支吊架以支撑管道自重及其它持续载荷为目的的支吊架统称为承重支吊架，它主要用于防止管道因自重及其它持续载荷（如介质重、隔热材料重、雪载荷等）而导致的管道强度或刚度超出标准要求。

根据管道相对于支撑结构的空间位臵不同，承重支吊架可分为支架和吊架两大类。

支撑件将管道支撑在它的上方时，这类支撑件叫做支架。

用可以空间摆动的支撑件（吊杆）将管道吊在其下面支撑时，这类支撑件叫做吊架。

支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位移，但二者的支撑效果有所不同。

支架因与支撑管道之间可能存在摩擦而使得管道的水平位移受到一定的阻碍，同时产生摩擦力。

支架的刚度也比较大，故其稳定性较好。

吊架对管道的约束刚度相对较小（除竖直方向外），也不存在摩擦力，如果在一根较长的管道中吊架用的太多，会使管系不稳定，故在一条管道中，一般不宜均用吊架进行支撑。

根据承受管道重量的特点不同，承重支吊架又分为刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架四类。

1、刚性支吊架刚性支吊架仅限制管道一个方向（通常为+Y方向）的自由度。

它常用于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移的情况下，或用于支撑点有较小的向下位移和附加位移但不会由此在管系中造成较大的管系力的情况下。

刚性支吊架是应用最多的一种支吊架。

根据应用场合和生根条件的不同，常用的刚性支吊架系列有平（弯）管支托、假管支托、悬臂支架、临管支架等。

有关它们的结构型式和应用将在下一节中详细介绍。

2、可调刚性支吊架可调刚性支吊架是一般刚性支吊架的一种特殊型式，即通过旋拧可调螺丝，使支吊架的高度在一定范围内得到调整，用于有少量竖直方向的热位移或附加位移的场合。

在工作工况下，当支撑点有竖直方向的热位移或附加位移时，会使管道脱离支架（俗称支架脱空）而起不到支撑作用，或使支架被顶死而产生较大的管系力，此时应采用下面将要介绍的弹簧支吊架。

如果支撑点竖直方向的热位移或附加位移比较小，而且又位于容易接近的地方时，采用可调刚性支吊架比弹簧支吊架会更经济、更方便。

例如，作者在平常的设计图纸校对中就发现过这种情况：一些支撑点的热位移仅几毫米，甚至仅有1mm，查其载荷变化率则不足1000N，支撑载荷也只有几千牛顿，设计人员在这种场合选用了弹簧支吊架。

这显然是不经济的。

可以想象或计算求证，如果此时支架在短时间内脱空或者顶死，也不会由此危及管系的强度安全，此时若选用可调刚性支架并及时进行调整，不仅可减少支撑空间，而且更方便、更经济。

3、可变弹簧支吊架179可变弹簧支吊架适用于支撑点有垂直位移、用刚性支吊架会脱空或造成过大热胀推力的场合。

与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的荷载转移。

为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控制在25%以下。

当然，有时根据实际需要而有意识地去分配管系在各支撑点的载荷，即有意识地给定一个较大的安装载荷而获得较大的载荷转移。

常用的可变弹簧支吊架有支、吊两种，根据载荷情况和受力条件还可采用串联和并联两种型式。

4、恒力弹簧支吊架恒力弹簧支吊架适用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受力要求较苛刻的场合。

通过采用恒力弹簧支吊架，可以避免管道支撑点冷态和热态的受力变化太大而导致管系本身的应力或相连设备的受力超标。

恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。

恒力弹簧支吊架一般采用吊架型式，且根据受力情况可并联使用。

如果认为刚性支吊架的刚度理论上为无穷大的话，那么恒力弹簧支吊架的刚度理论上则为零，而可变弹簧支吊架的刚度介于二者之间，它等于弹簧产生单位变形所需要的力。

（二）限位支吊架以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的支吊架称为限位支吊架。

管系受热而发生热胀时，管系中的各点将发生位移。

在管系中适当设臵限位支吊架，可控制支撑点的位移或某些方向的位移，使管系的变形或各点的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于热补偿的方向进行。

根据对管系热位移约束的方式不同，限位支吊架又可分为固定支架、导向支架和止推支架三种。

1、固定支架固定支架可限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的角位移，因此它常用于管道上不允许有任何位移的地方。

固定支架一般同时又能起承重作用。

常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托两种。

2、导向支架导向支架可限制管道支撑点两个方向的线位移，因此常用于引导管道位移方向、使管道能沿轴向位移而不能横向位移的情况。

当用于水平情况时，导向支架又同时能起承重作用。

常用的导向支架型式有管托型导向支架、光管型导向支架、管卡型导向支架等型式。

3、止推支架止推支架常代替固定支架用于限制管道的轴向位移。

根据限位方式的不同，常用的止推支架又分为“+X/+Z”和“－X/－Z”双向止推支架和“+X/+Z”或“－X/－Z”单向止推支架两种。

常用的止推支架为单向止推架，它可限制管道支撑点一个方向的线位移。

（三）防振支架专门用于控制管道振动的支吊架叫做防振支架。

防振支架常用于控制或缓解往复式机泵进出口管道或由地震、风载荷、水击、安全阀排出反力引起的管道振动场合。

应该说，前面所讲的支吊架类型中，除吊架以外，其它支架都在某种程度上起到防振作用，但它们中要么防振作用的效果不好，要么会带来其它问题（如降低或限制了管系的热补偿能力），因此，工程上对于防振情况则给出了专用支架。

常用的防振支架主要有两类，其一是防振管卡，其二是阻尼器。

1、防振管卡防振管卡能有效地控制管系的高频率强迫振动。

防振管卡与固定支架不同，它允许管道有一定的轴向位移而使管系不会因热胀而破坏。

防振管卡与一般的刚性承重支架和导向支架不同，它对管道施加了较大的刚度（从型式和数量上实现），且增加了支架对管道的阻尼作用，从而有效地阻滞了管系的振动。

2、阻尼器阻尼器与减振支架的最大区别在于它给予了管系较大的自由度，因而对连续强迫型高频机械振动的抑制效果较差，它常用于缓解瞬间激振（如主汽门突然关闭、泵突然停车、地震、水锺等）引起的有阻尼自由振动。

工程上应用的阻尼器有油压式阻尼器、摩擦式阻尼器等。

二、支吊架的结构组成一般情况下，管道支吊架可以分为三部分，即附管部件、生根部件和中间连接件。

与管子直接相接触或与管子直接焊在一起的部分称为附管部件。

与地面、设备、建构筑物等支撑设施相连的部分称为生根部件。

连接附管部件和生根部件的部分称为中间连接件。

但不是所有支吊架都由这三部分组成，有时仅有两部分甚至一部分组成。

1、附管部件既然管道支吊架是用于支撑管子的，那么一般情况下附管部件是必不可少的部件。

但也有例外，如不需要隔热、又无坡度要求的光管直接敷设在管架上时，就可以认为它没有附管部件。

由于附管部件与管子直接相连接，故应考虑它对管子材料及操作条件的适应性。

一般情况下，附管部件与管子的连接有两种方式，即直接焊接或管卡连接。

下列情况下，附管部件不能与管子直接焊接：a、吊架支撑且管内介质温度等于或大于400℃的碳素钢管道。

对于吊架支撑情况，由于焊缝受拉，而且焊缝受力面积较小，又存在较大的应力集中，焊后一般也不进行热处理，故在高于400℃的情况下，焊缝会因回火而发生应力松驰，而且是在高应力的作用下发生应力松驰，此时容易在应力松驰过程中因金属不稳定而造成焊缝拉裂。

故焊接型吊架不应用在高于400℃情况下。

b、低温管道。

180对于低温管道，如果采用焊接结构，会由于金属传热较快而造成较大的冷量损失。

因此，对于低温管道一般应选用管卡型式，且管卡卡在保冷层的外层，使金属支吊架不直接与管子接触。

保冷层中要适当设臵一些软木块等以起到强度加强作用。

c、高空敷设的合金钢或有热处理要求的碳钢管道。

对于多数合金钢管道，或者设计提出要求焊后热处理的碳钢管道，如果焊后不进行热处理，会影响材料的使用性，例如增加其应力腐蚀开裂的倾向，或增加高合金钢延迟裂纹产生的倾向。

对于高空敷设的管道，现场不能或者不便进行热处理，故此时不应采用焊接型支吊架。

对于大气腐蚀较较严重的潮湿地区，不锈管道也不宜采用焊接，以防电偶腐蚀的发生而导致支吊架很快破坏。

d、生产中需要经常拆卸检修的管道。

经常拆卸的管道，如果采用焊接，不便于支吊架的拆除，除非附管部件与中间连接件可以拆除。

e、高空敷设且不宜焊接施工的管道。

众所周知，金属焊接的劳动强度较大，而且需要专用的设备，高空作业比较困难，故高空敷设的管道不宜采用焊接型管道支吊架。

非金属衬里管道、镀锌管道、渗铝管道等不允许焊接的管子，一旦现场焊接了支吊架，会损坏其耐腐蚀复层，故此时也不应采用焊接型管道支吊架。

一般情况下，附管部件应与管子同材质，只有当管子为普通碳素钢，并确认管子壁厚有较大的富裕量时，可采用普通碳素钢。

理论上认为，当管子与附管部件焊接时，具有较多杂质元素的附管部件材料其有害杂质元素硫、磷等会侵入管子部分，并影响到管子材料的局部性能。

又由于管子在支撑处有较大的应力集中，因此容易导致管子在支撑处形成薄弱环节，尤其是对工作温度超过100℃的低碳不锈钢管道，还会发生碳迁移现象，使不锈钢管子局部碳量增加，影响其耐腐蚀性能。

不能采用焊接附管部件时，应采用管卡（管箍）型附管部件。

在使用管卡（管箍）作为附管部件时，除上面讲到的保冷管道其附管部件应臵于保冷层外面时，尚应注意下列问题：a、与不锈钢管子（尤其是温度高于100℃的不锈钢管子）相连时，应在管子与管卡（管箍）之间设臵非金属（如石棉）垫层，使其隔离，以免发生电偶腐蚀或碳迂移现象；b、对于DN≥50的管子，当采用管卡承重时，应设臵挡铁，详见第二节所述；c、当管子有保温时，管卡（管箍）与中间连接件相连的部分应漏出隔热层外，以便于隔热保护层的封闭；d、当水平管子在工作状态下有平面位移时，管卡（管箍）宜与吊架配合使用，以适应管子支撑点的位移，避免隔热层的损坏。