架空管道支架跨距.pdf

l 9 9 8年第 3期 化工给排水设计 弓 一 如何增大架空管道支架跨距(院 淄 博L c y-255 o05)。山 东 新 华 医 药 集 团 有 限 责 任 公 司 设 计 院 淄 博 V f【摘要】在现有条件下，如何节省材料，减少工程投资，根据地彤条件和实际情况进行外 管设计 本文以工程实例提 出在设计中应注意的几点问 题，同时提供了具体的计算方法、图表 微 籍 越蝰 錾 强 觳，【关 饕 词】鉴 琶 垂 蝰 錾 管 道 补 强 务 ，前言 用管道输送流体介质是石油、化工、医药 企业中生产装置 的重要组成部分。外管 的敷 设方式一般为地上架空敷设和地下敷设(地 沟敷设和直埋)两大类。我国一些建厂较早的 石化、制药等企业，外管敷设方式多数为架空 敷设。架空敷设具有检修、维护方便，直观易 分辩，易检测和计量等优点。在老厂区，当一 项新产品上马或技术改造，其工艺所用到的 如：动力管道、物料管道等多数还要在现有 的 管架(或桁架)上敷设。本文要介绍的是，在外 管设计工作中应注意的几点 问题以及根据实 际情况，园地形和条件的限制，在设计有时需 要采取增大管道支架跨距 的措施。1 外管工程管道支架设计应注意的几点问 题 1 1 管架之问的牵制作用 在设计中我们会经常遇到，管道支架上 支撑有多根管道的情况，管道支架之间会发 生牵制作用，牵制作用 的大小与管道支架上 的布置方式有以下关系：a 支架上 管道根数越 多，牵 制作用越 大；b 常温管道 的重量所 占比例越大，牵制 作用越大；c 管道中介质温度高的和温度低 的，重 量大的和轻的，其排列越对称，越均衡，牵制 作用越大；d 双层支架上 的管道牵 制作用 比单层 的大；e 高温 管道偏设 于一侧 时，牵制 作用 小；f 管道同时启动运行，牵制作用小，否则 牵制作用大。在管道支架设计时，应在满足工艺安装 要求的条件下使管道布置尽可能达到牵制作 用最大的效果。由于管道布置的情况对管道支吊架所承 受水平推力的大小有很大的影响，因此，当管 道支 吊架上支撑多根管线时，在计算多根管 道轴 向水平推力时要考虑牵制系数。管道布 置的牵制系数可参见表 1：表 1 管道布置 的牵 制系数 管子 管子 主要热管重量 牵f|系数 K q)层数 根数。全部管线重量 对昔颦拄计算 横集木平每矩 1 2 1 0 7 4 0 I 50 8 按 圈 1 查取 上下共 2 1 双 上下共 3 同 单层3 根管 层】一 2 报管：l 上下共 4 注：1所谓主要热管就是支架上温度直高，径大 荷太)布置位置最不利 的一根热管。2 以牵制系数乘 以多根管 道轴 向水 平推力 EP m J!lJ 得 话动支架的计算术平推力。维普资讯 http:/ 4 4 化工给排水设计 1 9 9 8年第 3 期 图 1 K q d关系图 1 2 能否增大管道支架的允许跨距 管道支 吊架允许跨距 的太小，直接决定 着管架 的数量。管道允许跨距太小造成管架 布置过密，这是过去设计中实际存在的问题 之一 在确保安全和管道正常运行的前提下，应尽可能地扩大管道允许跨距。通过实际调 查测试证 明管道的允许跨距是可以增大的。管道 允许跨 距 的大 小取决 于管材 的强 度、管子截面刚度、外荷载的太小、管道敷设 的坡度以及管道允许的最大挠度。管道 的允许跨距应按照强度及剐度(挠 度)条件来确定，并取其 中最小值。1 2 1 按强度条件确定管道的跨距 管道断面上的最大应力不得超过管材的 许用应力，以保证管道强度 的安全。根据这一 原则所确定的管道允许跨距，称为按强度条 件确定的管道跨距。对于连续敷设 的水平直管跨距(不少于 五跨)，按下式计算：L：1(1 1)式 中：一管子 断面的抗弯矩(c I n)；一 横向焊缝系数 一管道单位长度计算重量(k g m)；f j 一 许用外载综合应力(k g rn n )f =0 8 7 1 2 一 )3(1 2)式 中；一 额定许用应力(k g r n m 2)J 一 内压折算应力，按下式计算：-3)式 中：P一管道介质工作压力(k g c m 2)；一管子外径(r n m)；口 一应力修正系数 无缝钢管：1；焊接钢管：=0 8 1；s 一管子壁厚(m r l 1)；c 一 管子壁厚 附加值(m m)；对于无缝钢管按下式计算 c：1 (1 4)一+，式中；A 一管子壁厚负偏差系数 根据管子产 品技术条件中规定 的壁厚允许负偏差，按 表 2取用。衰 2壁厚允许负俯差衰 曩 盖 。一 s s 一 o 一 s s 一 s 一 o f A，l 0 0 5 0 1 0 6 0 1 4 6 01 6 6 0 】9 8 0 2 4 0 0 2 舯 0 3 1 3 上表 A 值中已增加管子壁厚约 5 的裕 度，可作为弯管减薄量补偿 的一部分。实地弯 管时应尽量挑选壁厚为正偏差的直管弯制。衰 3 管道强度的焊缱 系数 横向焊缝系数 纵向焊缝系数 轴 焊接情况 口 焊接情况 手工电弧焊 0 7 手工电弧焊 0 7 有垫环对焊焊接 0 9 直缝 焊接锯营 0 8 无垫环对焊焊接 O 7 螺旋焊接钢管 0 6 手动 面加强焊接 O 9 5 自动 面焊接 1 0 无缝 钢管】0 自动单面焊接 0 8 对于焊接钢管 n 若焊接钢管产品供货技术条件 中，已 规定有管子壁厚负偏差者，可按无缝钢管 壁厚附加值的方法确定。b 若焊接铜管采用钢板制作，管子壁厚 附加值按下式计算：C=0+G(m m)(1 5)维普资讯 http:/ 望 竺 !三 塑 fi r工 给 排 水 设 计 _ L甜 悱 球 设 计 式中 O一钢板允许负偏差值 r 。j：一 当钢板厚度 455 5l m1 时，o：05 ram；当钢板厚度 67 r a i n时，取 岛：0 6 r r 叮 m：当钢 板厚 度 82 5mn时，取 O：0 8 I m n：4 5 固 2 连续敷设的水平童管 当热卷，州域焊 营子：m m；主兰主 一 二一图 萎 一 棼 茎 许反坡，应能适 当扩大管道的允许跨 小直 ：苎 能力，将 嚣 条件 雅 管道允许跨 竺子的 妥 对连续敷设的水平直管r 不少于五 用桅缆式斜吊架敷设僦L iX 2 a 2 4 E rD +、I 6，一()=：碌 冒架等措 m cc m 嚣 赣 茎 差 釜：量 cIn：霉委 蓊 茎 蓦 茎耋 善 一 管 道公 称直 径()；竺 伺 飘严 生 的 最大 弯 曲力 矩 作用 卜一 管道坡度。=喟删霄于张断面的刚度可 采取在管 戤 l(1 一 妨 维普资讯 http:/ 4 6 化工给排水设计 1 9 9 8 年第 3期 的弯曲力矩数值迅速降低，肋板的适当长度 约等于支架间距的 2 0，支架问距较长时，可 以在支架处管道上方和跨距 中部管道下方均 加焊肋板，肋板可以用扁钢或钢板制成。2 1 1 加焊肋板补强的理论计算 当采用两并列 的肋板时，管 子在焊接肋 板后，组合断面的重心位置按下式计算：一F D 2+2 aP8(1，)+a e o s a 2)(2一1)，+n0 式 中：一 焊肋板后组合断面的重心距 离 f J F-管壁断面面积()；O-管子外径()；一肋板厚度()；r一 肋板高度()；。一肋板对管子 断面 中心垂直线 的倾斜 角 跨 X 、9 X 图 4管道补强示意图、I I 窖 U l J 1 2 L 2 j 图 5 支架上管道的弯曲力矩计算示意图 组合断面对轴 恐 惯性矩和断面系数 的 计算式：I s=I+F(Y s D2)1+2 曲(D+a t o m 2 一 j (2 2)W s=I s e (2 3)式 中：尽 一加强断面的惯性矩(，)；，-一 未加强断面的惯性矩(C T I 4)；骶一加强断面的断面系数(c )；一通过重心 S的轴 置 与焊有胁板 的 组 合断面最远边线之间的距离(c m)；肋板长度按照管道弯曲力矩 W数值 相等的条件来确定 f 为未加强肋板的管子 的断面系数，；弯曲应力，采用范围为 5 0 0 6 0 0 k g 。)距离 管道支架 处的弯曲 力矩按下式计算：胁=q L X 2 一q X 2 2一q L 2 1 2 (2 4)式 中：Mx-支 架 在 处 的 弯 曲力矩(k g a I 1)；口 一 管道每米重量(k g m)；X-肋板长度(m)L-未加强管的管道支架跨矩(m)；将在(2 4)中 M x的数值等于 d 即 得肋板长度 的方程式。加强板的支架跨矩 由下式确定：维普资讯 http:/ 1 9 9 8年第 3 期 化工给排水设计 4 7 L s=CWs (25 1 式 中 一加强管理 的管道支架跨矩(1 1 1)；卜未加强管 的管道支架跨距(m)；骶一 加强管 的断面系数(e m 3)；一未加强管的断面系数(e m 3)将式(2 5)变形得：L s L：；而 即为管道焊接肋板后的跨距增长上 匕。2 1 2 几种管道加焊肋板补强的计算结果 下面 D坷 D2 1 9 X 6管道 的加强 各种 特性以及支架最大允许跨距的数值见表 表 4 D7 6 X 4 D2 1 9 X 6管道的加强各种特性豆支架最大允许跨距数值裹 瞥子 管壁 肋板尺寸 不加强管的断面 加强瞥的断面 支架跨距 踌艇 外径 厚度 高度 厚度 长度 惯性矩 惯性矩 断面系数 惯性矩 惯性矩 增长伯(n-1，)(ta m)n a n)(m吡)n a n)(椰)(c )f c )椰)(c )7 6 3 6 0 6 6 0 4 6 I 2 1 2 6 4 4 5 5 9 5 9 0 l 0 8 4 8 0 8 8 5 I 7 7 3 2 8 8 4 7 8 0 8 l 2 5 o l 5 9 4 5 l 2 l 8 5 65 2 8 2 2 3 3 8 1 8 8 9 5 l 4 5 o 21 9 6 l 5 1 2 l 8 o 2 2 7 9 2 0 8 8 4 6 0 l 8 2 6 2 5 2 1 3工程 实例 例 如：在 生 产 区 有 两 条 管 子 管 径 为 D 7 6 X 4的循环水管，需要跨越 1 2 m宽的厂区 道路。从 化工工艺设计手册 中查得，管道支 架的跨距为 6 5i 1 1，以此来看，管道要跨越 l 2 m的道路是不 可能的。在设计 中采取了在管 子上加焊肋板 的措施，解决了这一难题，详细 计算如下：计算参数：D=7 6 o n i；8=1 0 e m；a=8 e ra；I=5 8 8 2 6；W=1 5 4 8 e m 3；F=9 0 5 c l ：n=l 6。(o 0 s l 6 0 9 6)：L=6 5 m；q=1 0 7 4 i n；d=5 0 0 k g c ；首先将有关的参数代人(2 1)式：9 0 5 X 7 6 2+2 【2 6+8 X 0 9 6 2 Y s T 一8 6 8 7(e m)将计算得 Y s 及相应参数代人(2 2)式：k：5 8 8 2 6+9 0 5(8 6 8 77 6 2)+2 8 1 7 6+(8 X 0 9 6 2)一 8 6 8 =3 9 6 2 3()加强断面的断面系数为：Ws=I s e 根据加强断面图，利用相似三角形的方 法计算得 出 y=1 5 2 6 5 c m；从而计算 出 e：e=Y =l 5 2 8 6 8 6 8 7 =6 5 8 5(t yro)所 以；W s=3 9 6 2 3 6 5 8 5 6 0 1 7(e ra 3)将 L、代公式(2 5)计算得 厶：6 5 丽 7 i l 2 8 r m)有上面计算我们可以看出在支架上 方 焊接肋板可使管子剐度增加，同时管道支架 跨距增大。焊接 了肋 板后管子 刚度增加 W s 3 8(倍J 以乘积 代替 M x，由式(2 4)得 一5 0 01 5 4 8 X 1 0 =0 51 0 7 X r 6 5 X一 一6 5 2 6)化简得：一6 5 +7 3 7=O 解上方程式，即得肋板长度r 支架轴线与 肋板两端的距离J 一1 0m 由公式(2 5)可知道焊接肋板后，跨距 的增 长 比为：L s L=,r e 1 9 7 倍 2 2 大管上架设 小管的布置方式 在热力网设计中应注意。采用“大管背小 管”的敷设方式，但管内热介质的温度不应超 过 3 0 0，井为减少管道的热损失起见，还必 维普资讯 http:/ 4 8 化工给排水设计 1 9 9 8 年第 3 期 须要考虑安 装在大管道 上 的支 架结构 的保 温。当采用“大管背小管”的敷设方式时，一般 有两种伸缩器，节点的布置方式详见图解，同 时采用下列配合管径r 上下皆为热力管道j：衰 5 支承管与被支承管衰鼍台管径 5 o。7 o。8 0 1 1 2 5 5 o，7 O，8 0，1 ，1 2 5，l 5 O 8 0，l ，l 2 5 1 5 o 1 7 5 1 1 2 5 1 5 0，1 7 5，2 0 0 1 0 0。1 2 5，1 5 0，1 75，2 0 0 1 5 0，1 7 5 2 0 0，2 50 1 5 0 1 7 5 2 0 0，2 5 0 1 5 0 1 7 5 2 0 0 2 5 0，3 O 0 2 0 0。2 5 0 3 O 0 2 0 0。2 5 0，3 O 0 2 0 0。2 5 0，3 O 0 在设计上管和下管的方形伸缩器时，应 采取同样的尺寸，并按计算选定两者中较太 的膨胀器尺寸，自然补偿 的弯管壁长按强度 计算决定，支承结构应满足支座发生横向位 移的条件，即支座有横 向位移时，不会达到支 架的边缘，且两侧均保 留 2 0 2 5 T n裕量，弯 管不考虑预先冷紧。当采用“大管背小管”的敷设方式时，还 要考虑 由于大管所背起管道的附加重量，必 须对下管进行刚度和强度验算。b C d 圈6 大管背小 管 的情况下伸缩器布置示意围 2 3 桅缆式斜吊架敷设方式 管道采用桅缆式斜 吊架敷设方式，管道 在两个支柱之间，受两点悬 吊，两点支托，四 点成一 直线，可以视为连续粱。在管道安装完 毕后，用松紧螺丝调节拉杆长度，使沿 直线排 齐的支座具有给定的坡度，详见桅缆式管架 及弯曲力矩示意图。L L L L L L 、r 7 d l l 回 1l l l l I 】l l l l J r -l l 1 日 1 l l l I l l 1 l l l l D l l l n、V 圈 7 桅缆式管架弯曲短示意图 桅缆式昔 架示意 图 管架拉杆下沉引起的弯 曲应力 c 臂架拉杆上移 I 起 的弯 曲应力 管道 自重 I 起 的弯 曲应力 瑚瑚瑚枷珊瑚 咖啪哪m 维普资讯 http:/ 1 9 9 8 年第 3 期 化工给排水设计 4 9 当外界气温发生变化时，拉杆 的长度随 之而变，从 而，吊架高度位置也发生变化，因 此，在管子 内部产生相应的纵 向弯 曲应力，在 设计施工 中，应根据 吊架 间距，拉杆的长度、温差来 计算斜拉杆和水平拉杆 的热伸长量，然后 由拉杆倾斜角 口来决定吊架下沉量。计算调整支架最适宜的温度，此温度为 夏季最高温度 和冬季最低温度的平均值。斜吊架的下沉量按下列近似公式可求得 足够精确的结果 一(2 6)式中：L t=L a r 斜拉杆的垫伸 长量(m m)厶=a 卜-水平拉杆 的热伸长 量(n m)。从 图表中可以看出二拉杆 的倾斜角小于 l 5 c J将使支架的 调整过大，当吊架问的距 离为=7 9 T e l 时，可达 3 0 4 0c 这样会 降低采用桅缆式敷设管道 的效果，最适宜的 口角度应当是 2 0。一2 5 进一步增加倾斜角将 使支柱增高，也是不太合理的。*瑚 衄 瞎 口 巳 ，y-l=6 0*_-，_ ，厂 l 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 吊架之间 的距离(爿 t)图 8 吊架间距斜拉倾斜角 与下沉的关 系图表 吊架下沉引起 的管道纵向弯曲力矩为：M1=3 9 8 E J B,L (c 1)(2 7)尬=1 9 6 跳 E(c 1)(2 8)式中：一 管道在 支架 处 的弯 曲力矩(c 1)；飓一 管道 在 吊架处 的弯 曲力矩(e n 1)；L-吊架之间的距离(一)；r一 吊架下沉量(一)。由于冬天拉杆缩短，将 吊架稍微提起，在 管子 内产生的应力，也可以采用公式(2 7)，(28)进行计算，此应力和夏天 吊架下沉在 管子 内所产生的应力，符号相反，详见桅缆式 管架及弯曲力矩示意图。计算结果表 明，吊架下沉引起的应力，随 着管子直径的加大而迅速增高，例如：小直径 管道(1 0 0m 及 以下)吊架下沉所产生的纵 向弯 曲应力不超过 1 5 02 0 0 c ，中等直 径(2 5 03 0 0n m)其应力为 3 5 0 4 0 0 M c a?，而管径为 4 0 05 0 0 r p a l l 时，应力升高到 6 0 0 7 0 0 亡 ，因此 对于直径大于 5 0 0wn的管 径，不推荐采用桅缆式斜吊架。3 小结 以上所谈到 的是我们在外管工程设计 中 会经常遇到的几个问题。外管设计涉及到工 艺要求输送介质的性质特点、力学、地质环境 以及大量的计算等方面的知识，因而，设计计 算较为繁琐、复杂，同时设计技巧、工程 施工、运行经验等 对于外管设计也十分重要，要使 工程项 目设计 的更加经济合 理，使其安全 的 投入运行，还要求我们在技术上和工程实践 中做更细致 的工作。收稿 日期：1 9 9 7一1 0 3 1 维普资讯 http:/