化工装置中管道支吊架的设计

参考 文 献
[ 1 ] 蔡尔辅 . 石油化工管道设计 [ M ] . 北京: 化学工业出版社, 2001.
管道支吊架的第二个重要作用是调节管系的 二次应力 /端点推力。一般来说, 管道承受荷载所 产生的一次应力是非自限性的, 其值不超过管材 的许用应力即认为是可靠的, 而对于由管系在热
变形过程中受阻所引起的自限性的二次应力需用
热胀许用应力范围来判断, 通常热胀许用应力范 围不应大于式 ( 4) 计算所得的数值。
中图分类号: TQ 055. 8+ 1 文献 标识码: A 文章编号: 1004-0935( 2009) 02-0139-04
化工管道设计的应力分析是涉及多学科的综 合技术, 是化工管道设计的基础。在进行化工管 道应力分析时, 除做到化工管道布置满足要求并 安排合理外, 还应合理设置化工管道支吊架。正 确设置化工管道的支吊架是一项重要的工作。支 吊架选型得当, 布置合理, 所设 计的管道不仅美 观, 而且经济安全。
下部设承重支架, 垂直管段很长, 中间应设导向 架;
( 5) 尽可能利用建筑物、构筑物的梁、柱设支 架的生根结构, 且不使梁柱弯曲变形;
( 6) 检查附近的管道, 看看是否可以合用 1 个管架;
( 7) 支吊架位置, 不妨碍管系与设备的连接 和检修。不得设在需经常拆卸、清扫和维修的部 位上;
( 8) 对弹簧支吊架应设 在位置量小的 地方, 对人工补偿器两侧的导向支架应按有关规定。
( 1)
装置外: L cS = 0. 048(E t Ip /q) 1 /4
( 2)
式中: L S) 内管道由刚度条件决定的跨距, m;
L cS) 外管道由刚度条件决定的跨距, m;
E t) 管道材料在设计温度下的弹性模数, M Pa;
IP ) 管道扣除腐蚀裕量及负偏差的惯性矩, mm4;
q) 每米管道的基本荷载, N /m。
不得 超过管道的允许跨距 (即管道的最大间距 ), 以控制其挠度不超限。一般连续敷设的管道允许
跨距 ( L ) 应按三跨连续梁承受均布荷载时的刚度
条件计算, 按强度条件校验, 取两者中的最小值。
( 1) 按刚 度条件跨 距的计 算式为 公式 ( 1 )
( 2)
装置内: L S = 0. 039 (E tIp /q ) 1/4
第 38卷第 2期 2009年 2月
辽宁化工 L iaoning Chem ical Industry
V o.l 38, N o. 2 February, 2009
化 工 设 计
化工装置中管道支吊架的设计
李晓丹1, 岳 宏 2, 刘海滨1
( 1. 辽宁省石油化工规划设计院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 新疆石油学院, 新疆 乌鲁木齐 830000)
( 3) 防止管道过大的横向位移和可能承受的 冲击荷载, 以保证管道只沿着轴向位移, 一般在下 列条件的管道上设置导向管托: ¹ 安全阀出口的 高速放空管道和可能产生振动的两相流管道; º 横向位移过大可能影响邻近管道, 以及固定支架 的距离过长而可能产生横向不稳定的管道; » 为 防止法兰和活接头泄露而要求不发生过大横向位 移的管道; ¼ 为防止振动而出现过大的横向位移 的管道。
( 2) 按强度条件跨距的计算式为公式 ( 3) :
L s = 0. 071( [ R ] tW p /p ) 1 /2
( 3)
式中: L s ) 装置内、外管道由强度条件决定的跨距, m;
Wp) 管道扣除 腐蚀 裕量 及负 偏差 后 抗弯 断面 系数,
mm 3;
[ R ] t) 管道材料在设计温度下的许用应力, M Pa;
吊架的设置。因此, 在管道设计或应力分析中, 考
虑如何合理而适当地设置支吊架是很重要的。非
刚性支吊架在管道应力分析中的特殊作用是用以
消除管系因布置不当而造成的荷载, 如采用弹性
支吊架或恒力支吊架来消除刚性支吊架造成的失
载, 满足应力 /推力的要求等。
4结 语
综上所述, 在整个化工装置的投资中, 虽然化 工管道支吊架系统所占的比例很少, 但支吊架对 整个管系的安全运行起着至关重要的作用; 管道 支吊架的设计与管系得应力密切相关, 可以借助 设置支吊架来限制某个方向的力和位移, 从而使 管系处于安全状态。由此可见, 化工管道支吊架 的设计在化工管道设计中起着非常重要的作用。
点推力在许用范围内是十分重要的。
3. 3 消除管道布置不当造成的荷载转移
管道支吊架在柔性设计和应力分析中有着特
殊作用。根据对管道支吊架的分析, 通常为了满 足一次应力 /挠度的要求, 要增加支吊架的数量,
以减少管道的受力, 但从降低二次应力这一方面
出发, 则要求减少支架对管道的约束, 使管系尽可
能地自由变形, 以降低二次应力 /热推力, 考虑到 经济、美观及场地等限制条件, 也要求减少管道支
限制和约束 管系因热胀、 冷缩引起的
位移
限位支架
允许管系某 一点有角位 移, 但不允许 有横向位移
允许该处管
导向支架
道有横向位 移, 不允许
有角位移
限制由外力,
支撑 例如振动、
3
(防 地震、风压、 振用 水击等引起
支架 ) 管系位移或
减振防振用
防振器 缓冲器
用于需要防 有导向防振器, 振、减振的 弹簧式防振器,
2 化工管道支吊架选用原则
( 1) 选用管道支吊架时, 应按照支撑点所承 受的荷载大小和方向, 管道的位移情况、工作温 度、是否保温或保冷以及管道的材质等条件选用 合适的支吊架。 ( 2)设计时应尽可能选用标准管 卡、管托和管吊。符合下列特殊情况者可采取其 他特殊型式管托和管吊: ¹ 管内介质温度 \ 400 e 的碳素钢材质的管道; º 输送冷冻介质的管 道; » 生产中需要经常拆卸检修的管道; ¼ 合金 钢材质的管道; ½ 架空敷设且不易施工焊接的管 道。
( 4) 热胀量超过 100 mm 的架空敷设管道应 选用加长管托, 以免管托落到管架梁下。
( 5) 支架生根在钢质设备上时, 所用垫板应
第 38卷第 2期
李晓丹, 等: 化工装置中管道支吊架的设计
1 41
按设备外形成 型。当碳钢设备 壁厚大 于 38 mm 时, 应取得设备专业的同意; 此外, 当支架生根在 合金设备上时, 垫板材料应与设备材料相同并应 取得设备专业的同意。
( 8) 当管道在支承点有垂直位移且要求支承 力的变化范围在 8% 以内时, 管 系应采用恒力弹 簧支架。
3 化工管道支架在应力分析中作用
3. 1 管道的承重 管道设计中支吊架的基本作用在于承受管道
的自重和外载, 避免产生过量挠度, 控制管系的一 次应力在许用范围内。一次应力的大小是衡量管 系能否安全运行的标准之一。若一次应力过大, 管系可能会受到破坏。由管道的内压和外载产生 的一次应力的大小和作用与在管系上的荷载及管 道和其配件的截面有关。管道的一次应力和支承 端承受荷载的大小可通过 设置支吊架来 加以调 整。当水平管道上支吊架太少时, 不仅会使一次 应力增大, 同时也会使管道的挠度增大, 以至超过 许用值, 而不利于管系的安全运行。 3. 2 调节管系二次应力 /端点推力
地方 由压式防振器等
缓和以地震、 水击安全阀 刚性式弹簧 排出反等外 或油压式 力引起振动
1. 1. 3 弹性支架 弹簧都具有一定的刚度, 在外力荷载的作用
下可以变形 (位移 )。弹簧支架 在弹簧工作范围 内, 管道有小的变形过程时, 不会完全失去其分配 荷载, 从而控制荷载转移量。
收稿日期: 2008-11-11 作者简介: 李晓丹 ( 1982- ), 女, 助理工程师。
RA = f ( 1. 25R c + 0. 25R h )
( 4)
式中: RA ) 热胀许用应力范围, M Pa;
Rh、Rc ) 热态和冷态管材的许用应力, M Pa;
f) 根据管道在工作年限内 伸缩的总 循环次数 确定的
应力降低系数。
所以, 正确选用支吊架, 调整合改善管系得应
力分布状态, 使管系适应变形的需要, 并使管系端
摘
要: 介绍了在化工装置的管道设计中, 支吊架设 置的设计应 严格遵循设 置方法 和选用 原则,
使支吊架间距不超过管道刚 度允许值, 并满足柔性要求。列举了支吊架的具体选用原则。此外, 还介绍
了支吊架对管道产 生的一次应力和二次应力, 并说明了在化工管道设计 中正确设置支吊架的重要性。
关 键 词: 管道支吊架; 应力; 类型; 应用; 管道设计
方向发生位移后弹簧压缩或伸长, 支点受力发生
变化, 管系在支点处的荷载将重新分配给附近支
点, 一般常指定其荷载变化率范围为 25% 。
荷载变化率 =
工作载荷 - 安装载荷 工作载荷
X 100% [
25%
( 2) 恒力弹簧支吊架是管系上下 ( 垂直 ) 位
移时, 其荷载不变, 即它的荷载变化率在理论上为 零, 此类支吊架适用于垂直位移量较大的管系, 或
者荷载变化率要求严格的场合。对用恒力弹簧吊
架支承的管道和设备, 在发生位移时, 亦可获得恒
定的支承力, 因而不会给管道和设备带来附加的 力和应力。可避免管道系统产生不利的力转移,
以保证管道及设备正常运行。
1. 2 化工管道支吊架位置的确定 化工管道支吊架的位置在管道允许的跨度内
设置, 支架间距尤其是水平管道的承重支架间距
14 0
辽宁化工
2009年 2月
弹簧支吊架一般用于管段在垂直方向有热位移的
场所, 引起管道支点的变位, 若该支点为刚性支吊 架, 将会妨碍管段的变位, 或使管段脱离支吊架,
致使管道产生过大的力和应力。如果采用弹簧管
托、管吊则不会产生这种现象。弹簧支吊架分为
两大类: 可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架。 ( 1) 可变弹簧支吊架的特性是当管系在垂直
q) 每米管道的基本荷载, N /m。
管道支吊架 ( 不包括振动管道支架 ) 位置, 除
在管道允许跨度内设置外, 尚应考虑以下事项: ( 1) 靠近管系的两端, 当管系与设备相连时,
尽量靠近设备管嘴, 以减少其受力 ( 和弯矩 ); ( 2) 管系中有阀门Biblioteka Baidu 小型管道设备等集中载
荷时应设在集中荷载的附近; ( 3) 弯管附近, 大直径三通式分支管处附近; ( 4) 管系有垂直管段时宜在垂直管段上部或
1 化工管道支吊架的类型和布置
化工管道支吊架的类型和布置应满足管道荷 重、补偿 和位移的要求, 并应注 意减少管道的振 动。 1. 1 化工管道支吊架的类型
广义的化工管道支吊架包括了所有的管系支 承装置, 其结构形状众多。但就机能和用途可分 为支架 ( 包括管托、滚动支架、管卡、平衡锤支架、 弹簧支 架 等 ) 、吊架 ( 包 括 刚性 吊 架、弹 簧吊 架 等 ) 、限制性支架和支撑装置等等, 或按表 1以不 同用途分类。 1. 1. 1 恒力吊架
大分类 序号 名称 用 途
小分 类
名称
用途
备注
支吊管道的
刚性支吊架
用于无垂直 位移的场合
1
支架 和
吊架
重量 ( 由管 下部支承管 重的叫支架; 由管上方吊
可变吊架或 弹簧吊架
有少量垂直 位移的 场合使用
的叫吊架 )
恒力吊架
用于垂直位 移较大地方
在固定点处 固定支架 不允许线位
移和角位移
2
限制 性
支架
恒力吊架 ( 或称定 负荷吊架 ) 是在指定的行 程范围内, 管系上下 ( 垂直 ) 位移, 其荷重量不变 的吊架它的荷重变化率为零。适用于垂直方向位 移量大的管系。 1. 1. 2 刚性支架
从理论上说, 刚性支架的刚度为无穷大, 在外
力荷载的作用下没有变形, 一般用在无垂直位移
的地方。
表 1 化工管道支吊架的分类
( 6) 对于荷载较大的支架位置需事先与相关 专业联系, 并提出支架位置、标高和荷载情况。
( 7) 下述工况应选可变弹簧: ¹ 当管道在支 承点处有向上垂直位移, 使支架失去其承载功能, 该荷载的转移将造成邻近支架超过其承载能力或 造成管道跨距超过其最大允许值的情况; º 当管 道在支承点处有向下的垂直位移, 而选用一般刚 性支架将阻挡管道位移的情况; » 垂直位移产生 的荷载变化率应不大于 25% ; ¼ 当选用的一个弹 簧的变形量不能满足要求时, 可串联安装两个弹 簧; ½ 串联的两个弹簧, 承受的荷载应相同, 总位 移量按每个弹簧的最大压缩量的比例进行分配; ¾ 当实际荷载超过选用弹簧规格表中的最大允 许荷载时, 可选用 2个或 2个以上的弹簧并联安 装; ¿ 并联弹簧应选用同一型号的弹簧, 按并联 弹簧数平均分配荷载。