钢铁企业自备电厂管道支吊架间距计算标准分析.pdf

收稿日期:作者简介:张 茂()高级工程师/硕士 .钢铁企业自备电厂管道支吊架间距计算标准分析张 茂 孟百宏(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司 长江重庆航运工程勘察设计院)摘 要 文章对比分析了钢铁企业自备电厂单元内外热力管道支吊架间距计算相关的规范梳理了相应的计算公式及合格判定条件 并以典型的能源介质管道为例 列举了管道支吊架间距计算的三种情况 分析了造成计算值差异的原因 同时还指出了各规范在固有频率校核以及/强度条件计算简化公式的不完善之处关键词 支吊架间距 强度 刚度 挠度 坡度 固有频率文献标识码:文章编号:()(.)/.自备电厂是钢铁企业的重要能源单元 与独立的火力发电厂不同 自备电厂的热力管道在进行支吊架间距计算时 不仅要满足火力发电厂的相关规范 还要兼顾钢铁行业的要求 因此 有必要对热力管道支吊架间距计算标准进行梳理、对比 以明确相应的计算方法 找到更加经济合理的支吊架间距 电厂单元外的热力管道为自备电厂服务的热力管道在电厂单元外敷设时 应按钢铁企业内热力管线进行设计 此类热力管道分为非压力管道和压力管道 各自参照的设计规范有所不同 非压力管道常见的非压力管道主要包括:公称直径小于 的压缩空气管道、采暖热水管道 对于此类管道 一般按普通工业金属管道的要求来计算支吊架间距 主要参照的规范为:工业金属 冶 金 能 源 管道设计规范(年版)、管 道 支 吊 架 第 部 分:技 术 规 范/两个规范都属于通用型规范对所有圆截面金属管道均适用 规范条款根据 第 和 条的要求 水平管道支吊架最大间距应满足表 要求 取强度条件和刚度条件计算的最小值表 水平管道支吊架最大间距计算标准判定条件管道类型判定值强度自重弯曲应力许用应力/装置内自重弯曲挠度 刚度装置外自重弯曲挠度 无坡度敷设的蒸汽管道自重弯曲挠度 有特殊要求管道按国家现行标准附加不允许积液、有坡度的管道 公式()/第 节规定 水平直管道的支吊架间距应按下列公式计算 仅以单跨简支梁为例()强度条件计算公式:()/()()式中:为最大弯曲应力 为管道单位长度自重荷载/为跨中集中荷载 为支吊架间距 为管子抗弯截面系数()刚度条件计算公式(考虑疏放水、抗振及抗地震要求):()/()()式中:为最大弯曲挠度 为管道一阶固有频率 为在工作温度下的管道材料弹性模量 为管子截面惯性矩()水平拐弯处支吊架间距折减系数为 对比分析()给出了强度条件及刚度条件下支吊架间距计算的最大弯曲应力和挠度标准 但并未给出具体的支吊架间距计算公式因此可结合/使用()/给出了强度条件和刚度条件下支吊架间距的计算公式在 版规范中 要求管道自重产生的最大弯曲应力不宜大于 相对挠度应小于疏放水时实际坡度的/一般管道的弯曲挠度不宜大于 取值源于 但并未明确取值的依据 由于不同的工程所选管道材料的差异及其挠度要求的不同 版规范删除了以上限制要求 因此在计算支吊架间距时需根据管道属性参考相应的规范进行取值规范中给出了一阶固有频率的计算方法 但各种计算工况下如何取值 只能进一步参照相关规范或手册 以单跨简支梁为例 当不考虑跨中集中载荷 时 将式()带入式()经过变形转化可得:/()由此可见 一阶固定频率只和最大弯曲挠度有关 为简化计算过程 只考虑最大弯曲挠度()刚度条件挠度的取值与 石油化工管道支吊架设计规范/和 化工装置管道机械设计规定/一致 可根据管道固有振动频率来计算挠度值 即装置内管道固有振动频率不低于 装置外管道的自由振动频率不低于 由此得出最大允许挠度值为装置内 、装置外 ()结合/的计算公式及 的判定值 分别计算两种条件下的支吊架间距 并取最小值 水平拐弯处支吊架间距折减系数为 根据管道性质 压缩空气和采暖热水可按“装置外管道”考虑计算标准为:强度条件:最大弯曲应力设计温度下材料许用应力的一半刚度条件:最大弯曲挠度 压力管道/规定的管道均为 类压力管道 主要是公称直径 的压缩空气管道、低压辅助蒸汽管道及电厂抽汽外送管道 规范条款根据/第 节规定 水平管道支吊架间距计算公式参照/特别指出大直径薄壁管道应根据规范冶 金 能 源 中公式()进行局部应力校核计算各条件判定值:强度条件:自重弯曲应力 刚度条件:自重弯曲挠度 疏放水实际坡度/固有频率条件:适当范围 挠度 局部应力条件:/公式()对比分析与 一样 强度和刚度条件的计算公式都是按/要求执行 但在最大弯曲应力和挠度取值上差别较大强度条件:以/的 碳钢管为例 以内许用应力均为 按 最大弯曲应力取值为 是/规定值 的 倍 在无集中荷载时 中间跨简支梁支吊架间距/是 的 倍增加了约一倍的支架刚度条件:对于有疏放水要求的管道 为防止凝结水聚集 根据不同工艺要求 跨度较大的管道需设置一定坡度 通常取 例如 对于支吊架间距为 的管道 按照坡度 计算 其末端低于起点 中点低于起点 对于有疏放水要求的管道 沿长度方向任何一点的挠度应小于管道实际坡度(设计坡度)的/也就是中点处挠度值需小于 如不能满足要求 可增大坡度或减小支吊架间距固有频率条件:可能产生振动或有抗震要求的管道挠度不宜大于 根据前节分析规范仍然没有直接给出固定频率的合理范围 而是通过最大弯曲挠度值来限制固有频率 同时对比 挠度不大于 的要求 此条对于管道支吊架间距影响非常大 根据式()可知 当不考虑跨中集中载荷 时 同一管道的支吊架间距仅为 的 倍局部应力条件:除高炉鼓风管道外 一般热力管道都不是大直径薄壁管 可不考虑综上 对于单元外管道而言 压力管道的支吊架间距仅为非压力管道的一半左右 电厂单元内的热力管道电厂单元内的热力管道种类较多 在进行支吊架间距计算时需根据介质选择相应的规范 相关规范主要包括:电厂动力管道设计规范 、压力管道规范 动力管道/、火力发电厂汽水管道设计规范/发电厂油气管道设计规程/规范范围各规范适用的范围见表 汽水管道需遵循规范、的要求 其他热力管道可遵循规范、的要求表 发电厂各管道规范适用范围序号规范号适用单元适用介质 火力发电厂蒸汽、水和易燃易爆、有毒及腐蚀性液体或气体/火力发电厂蒸汽、水和易燃易爆、有毒及腐蚀性液体或气体/火力发电厂汽水管道/发电厂油管道和气体管道 包括:燃油管道、润滑油管道、天然气管道、压缩空气管道、氢气管道、氧气管道、氮气管道、二氧化碳管道和抽真空管道等 规范条款规范 第 节、/第 节给出的支吊架最大允许间距计算公式均与/相同:按强度条件确定的支吊架间距应按公式()计算 按刚度条件确定的支吊架间距应按公式()计算 水平拐弯处支吊架间距折减系数为 垂直管道支吊架的间距的选取主要考虑管壁应力及管道侧向振动规范/第 节给出了支吊架最大允许间距的计算公式 与/完全相同 同时 也给出了只考虑管道自重均布荷载的水平直管道支吊架允许最大间距的简化公式 分别为:冶 金 能 源 ()刚度条件(最大挠度值取 )/()()强度条件(最大弯曲应力取 )/()()水平拐弯处支吊架间距折减系数为()垂直管道支吊架的间距的选取主要考虑管壁应力规范/第 节给出了支吊架最大允许间距的计算公式 公式及合格条件与 、/及/完全相同 水平拐弯处支吊架间距折减系数为 应核算有压力脉冲的气体管道固有频率 防止管道产生共振 对比分析()这几个规范的公式均来源于/合格条件取值都引用了 的数据 在计算热力管道支吊架间距时 可采用统一的支吊架间距计算公式()/给出的简化公式 式()和式()中管道单位长度自重荷载 的单位是不一样的 式()中为/式()中为/但规范中并未注明()/刚度条件要求管道的一阶固有频率应大于 最大挠度值不应大于 强度条件则要求管道自重引起的最大弯曲应力不大于 /参照/和 将刚度和强度条件的限值进行了统一 支吊架间距更加保守()控制管道的一阶固有频率是为了避开管道输送介质的激振频率 以防止发生共振 由式()可知 可通过控制单跨管道的挠度来控制一阶固有频率 从而限制整个管系的固有频率 达到防振的目的按式()计算 当管道挠度为 时 管道固有频率为 并非对应的 /中固有频率计算公式为:/()式中:为固有频率 为重力加速度 取 /为弹簧的静伸长 可视为两支架间管道的挠度 根据式()当管道挠度为 时管道固有频率为 也不是 不过两个公式计算出的管道固定频率均大于 由式()计算管道挠度为 时 管道固有频率为 根据/条文说明 水管道流速一般在 /以下激振频率小于 由式()可以反算 对应的管道最大挠度值为 远大于 的允许挠度值 可视为避开了其固有频率 蒸汽管道流速高 其激振频率一般在 以上 同样由式()可以反算 对应的管道最大挠度值仅为 改变支吊架间距对这么小的挠度值是没有影响的 只能采用其他措施来控制振动 比如阻尼器等()对于水平拐弯管道 各规范要求差异不大 其支吊架间距折减系数可按 执行()对于垂直管道的支吊架间距 规范并未给出明确的计算方法和要求 参照相关文献建议不超过水平直管道支吊架最大允许间距的 倍()四个规范均未提及管道坡度和固有频率对支吊架间距的影响 只有/要求对有压力脉冲的管道进行固有频率核算 计算实例分析以常见的电厂能源介质管道为例 此类管道往往由钢铁厂管网接入电厂单元内 需要接受两种支吊架间距计算方法的约束 分别按电厂单元内外的计算方法计算管道支吊架间距见表 均按无坡度敷设考虑 电厂内外两种介质压力管道的支吊架间距计算值基本相同 辅助蒸汽计算值差异主要是由于不同的规范许用应力取值有偏差/规定的许用应力值大于/由于 的压缩空气为 类压力管道 许用应力均按/取值 因此支吊架间距计算值相同 非压力管道的支吊架间距计算值差异较大 主要是由于刚度条件计算时电厂单元外按 最大弯曲挠度上限取值为 而电厂单元内最大弯曲挠度上限取值仍然为 和压力管道取值一致冶 金 能 源 表 支吊架间距计算对比介质名称管道类别设计压力/设计温度/管道规格/()支吊架间距/电厂单元外电厂单元内辅助蒸汽压力管道 压缩空气压力管道 压缩空气普通管道 结论()各规范给出的支吊架最大允许间距的刚度条件和强度条件计算公式是相同的 都是参照/但由于使用场景的不同 采用了不同的判定条件 其中电厂单元外压力管道和电厂单元内热力管道支吊架间距计算值差异不大 而电厂单元外非压力管道支吊架间距计算值与二者差异较大()电厂单元外非压力管道支吊架间距为压力管道的 倍()电厂单元外无坡度敷设压力管道支吊架间距与电厂单元内管道相同()电厂单元外压力管道有坡度敷设时需满足相对挠度与坡度之间的比例关系 为保持支吊架间距不变 一般考虑增大管道敷设坡度()由于/的挠度值与管道固有频率不对应 其他规范未给出固有频率合理范围及挠度与固有频率的关系 计算支吊架间距时可不考虑固有频率 直接进行挠度校核()鉴于/的重要性 建议在修订时将式()修改为 按单位/计算时的变形式 以便和式()统一 避免引用错误参考文献 中华人民共和国原化学工业部 工业金属管道设计规范:.年版 北京:中国计划出版社:全国管路附件标准化技术委员会 管道支吊架 第 部分:技术规范:/.北京:中国标准出版社:机械工业部机械科学研究院 管道支吊架 第 部分:技术规范:/.北京:中国标准出版社:.:.:.:高晓频 张方绮 等 管道支吊架间距计算标准比较分析.热力发电 ():中石化洛阳工程有限公司 石油化工管道支吊架设计规范:/.北京:中国石化出版社:全国锅炉压力容器标准化技术委员会 压力管道规范 工业管道 第 部分:设计和计算:/.北京:中国标准出版社:中国电力工程顾问集团东北电力设计院 电厂动力管道设计规范:.北京:中国计划出版社:全国锅炉压力容器标准化技术委员会 压力管道规范 动力管道:/.北京:中国标准出版社:中国电力工程顾问集团东北电力设计院 火力发电厂汽水管道设计规范:/.北京:中国计划出版社:中国电力工程顾问集团西南电力设计院 发电厂油气管道设计规程:/.北京:中国电力出版社:潘恒超 付祥卫 火力发电厂汽水水平直管道支吊架间距计算方法的探讨.吉林电力():万 雪编辑 冶 金 能 源