楊向濤

(華陸工程科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065)

對(duì)于石油化工領(lǐng)域而言，在對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但需要滿足日常的輸送要求，還需要考慮管道附件的受力狀況，從而使得整個(gè)管道系統(tǒng)處于安全運(yùn)行的狀態(tài)，而管道支吊架正是保障管道受力安全的關(guān)鍵部件[1]。由于不同管道或管道不同部位的附件類型存在較大差別，所以，不同管道或管道不同位置所使用支吊架種類也存在差異。支吊架的安裝要求也各不相同，若支吊架的選擇及安裝存在問題，則支吊架就失去了其自身的意義，從而使得管道受力增加，威脅管道的安全[2]。但是，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)支吊架的研究主要集中于支吊架的材料強(qiáng)度及剛度方面，對(duì)其選用和安裝的研究相對(duì)較少，這給石油化工企業(yè)帶來(lái)了極大的困擾。針對(duì)此問題，文章將從支吊架的種類及安全因素出發(fā)，在跨度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，介紹支吊架的選用原則及要求，為支吊架的安全使用奠定基礎(chǔ)。

1 石油化工管道支吊架分類及安全因素分析

在石油化工企業(yè)內(nèi)，從支吊架的主要用途出發(fā)可以將其分為三種類型，支吊架的種類如表1所示，每種類型的支吊架如圖1～圖3所示，每種類型的支吊架僅有用途差別，并無(wú)優(yōu)劣之分。

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

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

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

石油化工企業(yè)內(nèi)存在大量威脅支吊架安全的因素，為了保障企業(yè)的正常運(yùn)行，防止發(fā)生各種安全事故，有必要對(duì)其安全因素進(jìn)行深入分析，其安全因素主要分為以下六點(diǎn)：

圖3 減振支吊架Fig.3 Shock absorption supports and hangers

(1) 在管道進(jìn)出支吊架的位置需要設(shè)置截?cái)嚅y，在管道產(chǎn)生安全事故時(shí)可以及時(shí)截?cái)喙艿溃瑥亩乐拱踩鹿蕯U(kuò)大化；

(2) 由于支吊架位置管道最容易出現(xiàn)泄漏問題，如果管道內(nèi)輸送的介質(zhì)存在一定的毒性，則需要在支吊架位置安裝泄漏報(bào)警器，從而在管道產(chǎn)生泄漏時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)；

(3) 如果管道的實(shí)際輸送溫度大于輸送介質(zhì)的自燃點(diǎn)，則需要在管道支吊架位置處設(shè)置孔管保護(hù)；

(4) 如果管道的脆性較強(qiáng)，或管道上連接的閥門等類型的附件數(shù)量相對(duì)較多，則需要在支吊架位置處設(shè)置專門的保護(hù)罩；

(5) 如果管道需要穿越火災(zāi)易發(fā)區(qū)，則管道與支吊架之間選用的材料需要專門挑選，同時(shí)，該區(qū)域的支吊架需要在設(shè)計(jì)圖紙中專門標(biāo)出；

(6) 在管道支吊架位置處設(shè)置專門的截?cái)嚅y，如果無(wú)意外出現(xiàn)，截?cái)嚅y應(yīng)處于開啟且鎖住的狀態(tài)。

2 石油化工管道支吊架載荷及跨度設(shè)計(jì)

支吊架在承受管道所施加的載荷之后會(huì)產(chǎn)生一定的變化，如果支吊架的變化率超過額定的變化率，則支吊架就會(huì)失去其自身作用[3]。一般來(lái)說，非彈簧類支吊架的變化率極小，而彈簧類支吊架的變化率較大，支吊架變化率必須滿足小于25%的要求，在實(shí)際中，支吊架變化率的計(jì)算公式如式(1)。

(1)

式中：k——支吊架的變化率；p2——管道的實(shí)際工作載荷，MPa；p1——管道的安裝載荷，MPa。

由于企業(yè)內(nèi)每個(gè)支吊架所承受的載荷大小及載荷類型各不相同，所以，各個(gè)支吊架之間的距離也各不相同，即支吊架的跨度不同。一般來(lái)說，需要根據(jù)管道的性質(zhì)及所承受的載荷確定支吊架的跨度，跨度的確定需要根據(jù)管道的剛性要求進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)管道的強(qiáng)度要求進(jìn)行校核，最后選取剛性要求計(jì)算結(jié)果和強(qiáng)度要求計(jì)算結(jié)果的最小值[4]。支吊架根據(jù)固定有否其跨度計(jì)算也存在差別，其中，固定支吊架在按照剛性條件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，裝置內(nèi)支吊架跨度的計(jì)算公式如式(2)，裝置外支吊架跨度的計(jì)算公式如式(3)。

(2)

(3)

(4)

式中：D0——管道的內(nèi)徑，mm；Di——管道的外徑，mm。

固定支架在按照強(qiáng)度條件進(jìn)行校核時(shí)，不承受內(nèi)壓管道支吊架跨度的計(jì)算公式如式(5)，承受內(nèi)壓管道吊支架跨度的計(jì)算公式如式(6)。

(5)

(6)

活動(dòng)支吊架在按照剛性條件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，承受內(nèi)壓管道支吊架跨度的計(jì)算公式如式(7)，不承受內(nèi)壓管道支吊架跨度的計(jì)算公式如式(8)。

(7)

(8)

活動(dòng)支架在按照強(qiáng)度條件進(jìn)行校核時(shí)，其計(jì)算公式如式(9)。

(9)

式中：Lm——支吊架按強(qiáng)度條件計(jì)算的跨度，m；Et——管道在設(shè)計(jì)時(shí)的彈性模量，MPa；I——管道所承受的慣性矩，mm，其計(jì)算公式如式(4)；q——每單位管道的質(zhì)量，N/m。

管道導(dǎo)向支吊架之間的間距根據(jù)管道的延伸方向的不同存在一定差異，其中，水平走向管道導(dǎo)向支吊架之間的距離可以按表2確定，垂直走向管道導(dǎo)向支吊架之間的距離可以按表3確定。

表2 水平走向管道導(dǎo)向支吊架之間的距離Tab.2 Distance between horizontal pipeline and guiding supports and hangers

表3 垂直走向管道導(dǎo)向支吊架之間的距離Tab.3 Distance between vertical pipeline and guiding supports and hangers

3 石油化工管道支吊架的選用原則及要求

(1) 支吊架在進(jìn)行選用和安裝的過程中必須遵循以下四大原則：

① 假設(shè)要求支吊架上的管道處于完全固定狀態(tài)，在任何方向上都不存在位移，此時(shí)應(yīng)使用的支吊架為固定支架，該種類型支吊架的作用是在管道沿線的補(bǔ)償器中間，將管道所產(chǎn)生的熱伸長(zhǎng)量進(jìn)行平均，此時(shí)即可保障管道在支吊架上不再存在位移[5]。但是該種類型支吊架的受力相對(duì)較為復(fù)雜，在工作的過程中不但需要承受管道的自身重量，還需要對(duì)管道的軸向壓力進(jìn)行補(bǔ)償；

② 假設(shè)管道在熱脹冷縮的作用下，管道與支架之間會(huì)產(chǎn)生一定的位移，則需要使用活動(dòng)支架，一般情況下可以將活動(dòng)支架分為兩種類型，分別是滾動(dòng)支吊架和滑動(dòng)支吊架，管道與支吊架之間的位移通過滑動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)選用滑動(dòng)支吊架，管道與支吊架之間的位移通過滾動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)選用滾動(dòng)支吊架。這兩種類型支吊架的受力相對(duì)較為簡(jiǎn)單，僅受管道與支吊架產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)的摩擦力，其應(yīng)用范圍也相對(duì)較為廣泛，不但可以應(yīng)用于存在位移的管道，也可以用于不存在位移的管道；

③ 如果管道在軸向方向上存在位移，此時(shí)應(yīng)選擇在支吊架的兩端增設(shè)擋塊，從而使得管道在軸向位置的過程中，其自身位置不會(huì)過于偏離軸線；

④ 假設(shè)管道在垂直方向上存在較大熱位移，或管道在日常使用中可能出現(xiàn)嚴(yán)重的熱脹冷縮現(xiàn)象，則需要選擇彈簧支吊架，但是該種類型支吊架在使用的過程中，不可安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)管道附近[6]。

(2) 支吊架在進(jìn)行選用和安裝的過程中必須遵循以下七大要求：

① 支吊架在選擇的過程中，需要根據(jù)管道自身及附加載荷的大小、方向，位移與否、環(huán)境溫度、管道材料等條件進(jìn)行選擇；

② 在使用支吊架時(shí)，盡可能使用尺寸較為標(biāo)準(zhǔn)的支吊架；

③ 由于支吊架的管道托板焊接過程較為簡(jiǎn)單，且制作工藝較為簡(jiǎn)潔，使用時(shí)也相對(duì)較為方便，所以除以下三種情況外，應(yīng)盡可能使用焊接型支吊架：管道所處環(huán)境溫度高于400 ℃；管道屬于低溫管道；管道在使用的過程中需要經(jīng)常拆卸；

④ 如果管道在使用的過程中，其熱脹冷縮所產(chǎn)生的變形量可能會(huì)超過100 mm，此時(shí)則需要對(duì)管托進(jìn)行加長(zhǎng)處理；

⑤ 如果支吊架需要焊接在金屬設(shè)備上，此時(shí)焊接所需要的墊板形狀應(yīng)與支吊架底部形狀相同，如果焊接的金屬設(shè)備壁厚高于38 mm，則焊接過程必須征求相關(guān)設(shè)備專家的意見；

⑥ 如果支吊架安裝以后所承受的載荷相對(duì)較大，則支吊架的安裝過程需要征求相關(guān)專業(yè)人員的意見，并對(duì)支吊架的位置進(jìn)行核實(shí)；

⑦ 在以下條件下，所選用的支吊架為彈簧支吊架：管道在垂直方向上可能會(huì)出現(xiàn)位移，且該位移可能會(huì)使支吊架失去其作用，或位移會(huì)使得支吊架的跨度超過其允許值[7]；當(dāng)管道可能會(huì)出現(xiàn)向下的位移時(shí)，則彈簧支吊架上彈簧的變化率也不得超過25%，如果無(wú)法滿足需求，則需要使用兩個(gè)支吊架進(jìn)行串聯(lián)處理；當(dāng)需要選用兩個(gè)彈簧支吊架進(jìn)行串聯(lián)處理時(shí)，每個(gè)彈簧支吊架所承受的壓力必須相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章首先對(duì)支吊架的種類和安全因素進(jìn)行了深入分析，并給出了不同類型支吊架的適用范圍和示意圖；對(duì)支吊架所承受載荷及跨度設(shè)計(jì)中所涉及的計(jì)算進(jìn)行了深入介紹；最后提出了支吊架的選用原則及要求。可以發(fā)現(xiàn)，如果要求支吊架上的管道處于完全固定狀態(tài)，則需要使用固定支架；如果管道在熱脹冷縮的作用下，管道與支架之間會(huì)產(chǎn)生一定的位移，則需要使用活動(dòng)支架；如果管道在軸向方向上存在位移，則需要使用擋塊固定管道；如果管道在垂直方向上存在較大的熱位移，此時(shí)則需要使用彈簧支吊架。