石油化工管道支吊架的布置及选用

杨向涛

(华陆工程科技有限责任公司,陕西 西安 710065)

对于石油化工领域而言，在对管道进行设计时，不但需要满足日常的输送要求，还需要考虑管道附件的受力状况，从而使得整个管道系统处于安全运行的状态，而管道支吊架正是保障管道受力安全的关键部件[1]。由于不同管道或管道不同部位的附件类型存在较大差别，所以，不同管道或管道不同位置所使用支吊架种类也存在差异。支吊架的安装要求也各不相同，若支吊架的选择及安装存在问题，则支吊架就失去了其自身的意义，从而使得管道受力增加，威胁管道的安全[2]。但是，目前国内外学者对支吊架的研究主要集中于支吊架的材料强度及刚度方面，对其选用和安装的研究相对较少，这给石油化工企业带来了极大的困扰。针对此问题，文章将从支吊架的种类及安全因素出发，在跨度设计的基础上，介绍支吊架的选用原则及要求，为支吊架的安全使用奠定基础。

1 石油化工管道支吊架分类及安全因素分析

在石油化工企业内，从支吊架的主要用途出发可以将其分为三种类型，支吊架的种类如表1所示，每种类型的支吊架如图1～图3所示，每种类型的支吊架仅有用途差别，并无优劣之分。

表1 支吊架的类型及用途Tab.1 Types and uses for supports and hangers

图1 承重支吊架Fig.1 Bearing supports and hangers

图2 限制性支吊架Fig.2 Limited supports and hangers

石油化工企业内存在大量威胁支吊架安全的因素，为了保障企业的正常运行，防止发生各种安全事故，有必要对其安全因素进行深入分析，其安全因素主要分为以下六点：

图3 减振支吊架Fig.3 Shock absorption supports and hangers

(1) 在管道进出支吊架的位置需要设置截断阀，在管道产生安全事故时可以及时截断管道，从而防止安全事故扩大化；

(2) 由于支吊架位置管道最容易出现泄漏问题，如果管道内输送的介质存在一定的毒性，则需要在支吊架位置安装泄漏报警器，从而在管道产生泄漏时可以及时发现漏点；

(3) 如果管道的实际输送温度大于输送介质的自燃点，则需要在管道支吊架位置处设置孔管保护；

(4) 如果管道的脆性较强，或管道上连接的阀门等类型的附件数量相对较多，则需要在支吊架位置处设置专门的保护罩；

(5) 如果管道需要穿越火灾易发区，则管道与支吊架之间选用的材料需要专门挑选，同时，该区域的支吊架需要在设计图纸中专门标出；

(6) 在管道支吊架位置处设置专门的截断阀，如果无意外出现，截断阀应处于开启且锁住的状态。

2 石油化工管道支吊架载荷及跨度设计

支吊架在承受管道所施加的载荷之后会产生一定的变化，如果支吊架的变化率超过额定的变化率，则支吊架就会失去其自身作用[3]。一般来说，非弹簧类支吊架的变化率极小，而弹簧类支吊架的变化率较大，支吊架变化率必须满足小于25%的要求，在实际中，支吊架变化率的计算公式如式(1)。

(1)

式中：k——支吊架的变化率；p2——管道的实际工作载荷，MPa；p1——管道的安装载荷，MPa。

由于企业内每个支吊架所承受的载荷大小及载荷类型各不相同，所以，各个支吊架之间的距离也各不相同，即支吊架的跨度不同。一般来说，需要根据管道的性质及所承受的载荷确定支吊架的跨度，跨度的确定需要根据管道的刚性要求进行计算，然后根据管道的强度要求进行校核，最后选取刚性要求计算结果和强度要求计算结果的最小值[4]。支吊架根据固定有否其跨度计算也存在差别，其中，固定支吊架在按照刚性条件进行计算时，装置内支吊架跨度的计算公式如式(2)，装置外支吊架跨度的计算公式如式(3)。

(2)

(3)

(4)

式中：D0——管道的内径，mm；Di——管道的外径，mm。

固定支架在按照强度条件进行校核时，不承受内压管道支吊架跨度的计算公式如式(5)，承受内压管道吊支架跨度的计算公式如式(6)。

(5)

(6)

活动支吊架在按照刚性条件进行计算时，承受内压管道支吊架跨度的计算公式如式(7)，不承受内压管道支吊架跨度的计算公式如式(8)。

(7)

(8)

活动支架在按照强度条件进行校核时，其计算公式如式(9)。

(9)

式中：Lm——支吊架按强度条件计算的跨度，m；Et——管道在设计时的弹性模量，MPa；I——管道所承受的惯性矩，mm，其计算公式如式(4)；q——每单位管道的质量，N/m。

管道导向支吊架之间的间距根据管道的延伸方向的不同存在一定差异，其中，水平走向管道导向支吊架之间的距离可以按表2确定，垂直走向管道导向支吊架之间的距离可以按表3确定。

表2 水平走向管道导向支吊架之间的距离Tab.2 Distance between horizontal pipeline and guiding supports and hangers

表3 垂直走向管道导向支吊架之间的距离Tab.3 Distance between vertical pipeline and guiding supports and hangers

3 石油化工管道支吊架的选用原则及要求

(1) 支吊架在进行选用和安装的过程中必须遵循以下四大原则：

① 假设要求支吊架上的管道处于完全固定状态，在任何方向上都不存在位移，此时应使用的支吊架为固定支架，该种类型支吊架的作用是在管道沿线的补偿器中间，将管道所产生的热伸长量进行平均，此时即可保障管道在支吊架上不再存在位移[5]。但是该种类型支吊架的受力相对较为复杂，在工作的过程中不但需要承受管道的自身重量，还需要对管道的轴向压力进行补偿；

② 假设管道在热胀冷缩的作用下，管道与支架之间会产生一定的位移，则需要使用活动支架，一般情况下可以将活动支架分为两种类型，分别是滚动支吊架和滑动支吊架，管道与支吊架之间的位移通过滑动产生时，应选用滑动支吊架，管道与支吊架之间的位移通过滚动产生时，应选用滚动支吊架。这两种类型支吊架的受力相对较为简单，仅受管道与支吊架产生相对位移时的摩擦力，其应用范围也相对较为广泛，不但可以应用于存在位移的管道，也可以用于不存在位移的管道；

③ 如果管道在轴向方向上存在位移，此时应选择在支吊架的两端增设挡块，从而使得管道在轴向位置的过程中，其自身位置不会过于偏离轴线；

④ 假设管道在垂直方向上存在较大热位移，或管道在日常使用中可能出现严重的热胀冷缩现象，则需要选择弹簧支吊架，但是该种类型支吊架在使用的过程中，不可安装于转动机管道附近[6]。

(2) 支吊架在进行选用和安装的过程中必须遵循以下七大要求：

① 支吊架在选择的过程中，需要根据管道自身及附加载荷的大小、方向，位移与否、环境温度、管道材料等条件进行选择；

② 在使用支吊架时，尽可能使用尺寸较为标准的支吊架；

③ 由于支吊架的管道托板焊接过程较为简单，且制作工艺较为简洁，使用时也相对较为方便，所以除以下三种情况外，应尽可能使用焊接型支吊架：管道所处环境温度高于400 ℃；管道属于低温管道；管道在使用的过程中需要经常拆卸；

④ 如果管道在使用的过程中，其热胀冷缩所产生的变形量可能会超过100 mm，此时则需要对管托进行加长处理；

⑤ 如果支吊架需要焊接在金属设备上，此时焊接所需要的垫板形状应与支吊架底部形状相同，如果焊接的金属设备壁厚高于38 mm，则焊接过程必须征求相关设备专家的意见；

⑥ 如果支吊架安装以后所承受的载荷相对较大，则支吊架的安装过程需要征求相关专业人员的意见，并对支吊架的位置进行核实；

⑦ 在以下条件下，所选用的支吊架为弹簧支吊架：管道在垂直方向上可能会出现位移，且该位移可能会使支吊架失去其作用，或位移会使得支吊架的跨度超过其允许值[7]；当管道可能会出现向下的位移时，则弹簧支吊架上弹簧的变化率也不得超过25%，如果无法满足需求，则需要使用两个支吊架进行串联处理；当需要选用两个弹簧支吊架进行串联处理时，每个弹簧支吊架所承受的压力必须相同。

4 结束语

文章首先对支吊架的种类和安全因素进行了深入分析，并给出了不同类型支吊架的适用范围和示意图；对支吊架所承受载荷及跨度设计中所涉及的计算进行了深入介绍；最后提出了支吊架的选用原则及要求。可以发现，如果要求支吊架上的管道处于完全固定状态，则需要使用固定支架；如果管道在热胀冷缩的作用下，管道与支架之间会产生一定的位移，则需要使用活动支架；如果管道在轴向方向上存在位移，则需要使用挡块固定管道；如果管道在垂直方向上存在较大的热位移，此时则需要使用弹簧支吊架。