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管道支吊架的设计及应注意的若干问题
苏 军
2010-4-21

2010-4-21
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管道支吊架是与管道紧密联系在一起的结构，是管道重要的组成部分之一。管道支吊架设计不当，在运行中会使管道其他组件易于损坏，更严重的是会使转动设备受损直至被迫停运。因此，该问题在工程设计中不可忽视。正确设计管道支吊架，这对于改善管系振动、适应管系变形等都有着重要的作用与意义。

一、管道支吊架的分类与结构组成

管道支吊架的种类很多，按功能和用途可分为4大类8小类，详见表1。从管道支承的结构及连接关系等方面考虑管道支吊架有管部附着件、连接配件、特殊功能件、辅助钢结构及生根件等组成。

     表1 管道支吊架的分类
大分类
小分类
序号
名称
用途
序号
名称
用途
1
承重支吊架
用来承受管道的重力及其它垂直向下荷载的场合
1
刚性支吊架
无垂直位移的场合
2
可调刚性支架
无垂直位移、安装误差严格的场合
3
弹簧支吊架
有垂直位移的场合
2
限制性支吊架
用来阻止、限制或控制管道系统热位移的场合
4
固定支架
在固定点处不允许有线位移和角位移的场合
5
限位支架
限制某一方向位移的场合
6
导向支架
允许管道有轴向位移、不允许有横向位移的场合
3
恒力支吊架
用于垂直位移大、希望保持管道在冷、热状态下支吊点的荷载不能变化很大的场合

4
防振支架
用于限制、缓和往复式机、泵进出口管道和由地震、风压、水击、安全阀排出反力引起的管系振动
7
减振器
需要弹簧减振的场合
8
阻尼器
缓和往复式机泵、地震、水击、安全阀排出反力等引起的油压式振动

二、管道支吊架位置的确定方法

1.确定管道支吊架位置的要点与要求
应满足管道最大允许跨度的要求，有压力脉动的管道，要按所要求的管道固有频率来决定支架间距，避免发生共振；有集中荷载时，支架应在靠近集中荷载的地方设置以减少偏心载荷和弯曲应力；在敏感设备（泵、压缩机）附近设置支架，以防止设备嘴子承受过大的管道荷载；往复式压缩机的进出口管道或者是其它有强烈振动的管道，应单独设置支架且要落地生根，以避免振动传递；除振动管道外，应尽量利用已建构筑物的梁柱作支架的生根点，并考虑生根点所能承受的荷载，生根点的构造满足生根件的要求；要求作更详细应力分析的管道，其支架位置根据分析决定，基于维修方便，管道支吊架应设在不防碍管道与设备的连接和检修的部位；管道的支撑点在直立方向无位移时应采用刚性支吊架，有位移时应采用可变弹簧支吊架，位移量大时应采用恒力弹簧支吊架；沿直立设备布置的管道，第一个管架应设置承重支架，其后应分别设置导向支架。
2.典型配管的支架位置的确定方法
针对容器类设备上部接管的支架位置的确定，通常的作法是，每根管道都有一个滑动承重架，当垂直管段较长时，可增加一个导向架，支架均生根在设备上。
塔类设备管道的支架位置的确定方法是，塔类管道通常支承在塔壁上，第一个支架尽时靠近设备管口，以减小设备口和支承点的相对热膨胀位移，减小热胀的反力。如果第一个支架至管口的管道柔性不够，可改变管道走向适当增加管道的柔性。如果第一个承重架荷载过大时，可另设第二个承重架，但第二个承重架应选用弹簧架。
泵管道的支架位置的确定情况是，泵的管道布置方式有很多种类，如RS—1支架通常可作成可调节高度的承重架，再如DS—1是限位架，要使泵进口水平管的轴线保持无偏移，泵口不至于承受过大的弯矩；RS—2支架为滑动架，应注意支架至弯头的距离不易过小，否则将会脱空。DS是水平向限位架。此外，对大型水泵出口要注意止回阀关闭时的推力作用，在止回阀和切断阀附近应有坚固的支架，以承受水击及重力荷载。
安全阀管道的支架位置的确定，其情况是，安全阀的管口承受外载引起的弯矩要求尽量小，以免阀体变形影响阀的性能。设置支架时除考虑承受管道的重力荷载外，还应注意泄放流体时产生的反力及其方向。安全阀出口管第一个支架的生根点不应生根在柔性大的刚结构上，同时支承点的垂直向热位移应尽量小。在温度较高的管道上，阀出口水平段应足够长，避免支架脱空安全阀突然开启，容易产生振动，特别是大口径、大压差的安全阀应注意防振，出口管为气液两相时，更要注意防振和避免水击。
关于控制阀组管道的支架位置的确定，其情况是，控制阀组通常在管道的弯头下面设置支架，对于常温的管道可采用固定架，对于有热胀的管道，应根据柔性分析的要求，将一个架设置成固定架，另一个架设置成滑动架或导向架。如果阀组很长，仅在阀组两端支撑，会使阀组中间下垂较大，应在中间增加一个支架，中间支架最好采用可调式支架，以便安装。中间架也可设置成固定架，热胀时向两端位移。

三、管道支吊架设计中应注意的问题

1.节省弹簧架
弹簧架比普通支架贵，在长期工作状态下还有失效问题，不如刚性支架耐用可靠，过多的设置弹簧支吊架还会使管系各点位移方向失去控制，管系稳定性差，容易产生偏斜和振动，因此设计中应尽量减少弹簧架的设置。
2.减小管道与支架间的相对位移
管道与支架间的相对位移在管道支架设计中非常重要。如透平机的蒸汽管道，低点为管径较小的冷凝水排出管，若在A点设支于地面的支架，弯头处设弹簧支座，这样会因蒸汽主管垂直管段很长又向下膨胀，而冷凝水管在A 点支于地面刚性较大，阻碍弹簧向下移动，这样易造成机器损坏，或导致其运行不正常。因此应将支于地面的支架改在从主管上生根，由于支架随主管一起升降，主管能够自由向下膨胀，这样管径较小的冷凝水管与支架间垂直向相对位移就会减至很小。
3.放空管道的支架，设计时要求计算反力及倾覆力矩，核算放空管的强度
放空管末端部型式不同，对支架的设置要求亦不同。绝大多数常压设备及管道，包括水平力为平衡的三通式，多用于压差较大或要求排气垂直向上，它们在设置支架时都要考虑风荷载的影响。末端带弯头，对排气要求确定方向，但放空时会产生水平力。如果支架设置不合适，出口与支架的距离过大，喷气反力又大时，放空管可能会发生倾斜，因此管道支架设计时要求计算反力及倾覆力矩，核算放空管的强度。
4.防止管道振动
刚性圆钢吊架连续安装多个时，管道的横向阻力很小，容易引起摆动和振动，从防止管道振动的角度出发，管架选型时应尽量不用圆钢吊架，或者不连续使用圆钢吊架。往复式压缩机对管道振动的防止更为突出，除考虑支架间距与固有频率的关系外，还要避免在楼面上、梁上设支架，以避免把管道的振动传递给建筑物，因此要求配管时把管道的支架生根在地面基础上。调节阀组除考虑支承重量外，还要考虑管道热膨胀以及承受振动的力。当阀门进出口压差大时，或液体管道减压过程产生气体时，均易产生剧烈振动。两相流的管道还应考虑水锤的可能性。如果热胀力允许，宜在调节阀的出口侧设固定架，进口侧设滑动架，必要时在调节阀出口侧的垂直管段上设导向架。
综上所述，管道支吊架在管道设计中尤其重要，管道支吊架的设置主要是承受管系的自重和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在允许使用范围之内。此外，基于使管系适应位移的需要，控制管系二次应力和综合应力不应超过允许界限，以使管系的端点推力在许用范围之内，从而达到保护设备之目的。