在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí), 首先要考慮滿足工藝要求, 還要考慮設(shè)備、管道及其組成件的受力狀況, 以保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)。管道應(yīng)力分析是涉及多學(xué)科的綜合技術(shù),是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在管道應(yīng)力分析過程中, 正確設(shè)置支吊架是一項(xiàng)重要的工作。支吊架選型得當(dāng), 布置合理, 所設(shè)計(jì)的管系不僅美觀, 而且經(jīng)濟(jì)安全。
1 作用
管道支吊架主要有以下幾個(gè)方面的作用。
(1) 承受管道的重量荷載(包括自重、充水重、保溫重等) 。
(2) 阻止管道發(fā)生非預(yù)期方向的位移。
(3) 控制擺動(dòng)、振動(dòng)或沖擊。
2 位置及類型
管道支吊架的位置及其類型對已定管系的受力狀態(tài)的影響很大, 主要有兩個(gè)方面。
(1) 對管系的應(yīng)力分布狀態(tài)、最大應(yīng)力值、
管系的端點(diǎn)作用力和力矩有影響, 因?yàn)檫@種管系端點(diǎn)的荷載將會(huì)傳遞到與該管端相聯(lián)接的設(shè)備上。因此, 支吊架設(shè)置得當(dāng), 能改善管系中的應(yīng)力分布和端點(diǎn)受力以及力矩狀況。因此, 管系的柔性不但受到管系形狀的影響, 也受到所選定支吊架位置和類型的影響。
(2) 支吊架的設(shè)置非常靈活, 可變化的范圍較大。支吊架的位置、數(shù)量和形式選擇往往因人而異。對同一個(gè)管系存在著多種支吊架設(shè)置方案, 不同的設(shè)置形式將反映出不同的應(yīng)力分布,應(yīng)力值及端點(diǎn)受力。因此, 在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí),為使管系具有足夠的柔性, 除了應(yīng)注意管系走向和形狀外, 支架位置和型式也是相當(dāng)重要的。從以下方面分別說明：
a.間距
支吊架間距尤其是水平管道的承重支吊架間距不得超過管道的允許跨距, 以控制其撓度不超限。一般連續(xù)敷設(shè)的管道允許跨距應(yīng)按三跨連續(xù)梁承受均布荷載時(shí)的剛度條件計(jì)算, 按強(qiáng)度條件校驗(yàn), 取剛度條件決定的跨距和強(qiáng)度條件決定的跨距中兩者的小值。
b.柔性
盡量利用管道的自支承作用, 少設(shè)置或不設(shè)置支架。要利用管系的自然補(bǔ)償能力合理分配支吊架點(diǎn)和選擇支吊架類型。
c.位移
有管托的管道縱向位移不得超過管托的長度; 管托長度應(yīng)留足余量, 并排敷設(shè)的管道橫向位移不得影響相鄰管道。
d.生根條件
必須具備生根條件的支吊架一般可生根在地面、設(shè)備或建構(gòu)筑物上。
e.類型
e.1支吊架從限制性可分為3 類: 固定架、導(dǎo)向架和支托架(或單向止推架) 。
e.2支吊架從力學(xué)性能又可分為剛性支架和彈性支架。
e.2.1. 剛性支架
從理論上說, 剛性支架的剛度為無窮大, 在外力荷載的作用下沒有變形, 一般用在無垂直位移的地方。
e.2.2.彈性支架
彈簧都具有一定的剛度, 在外力荷載的作用下可以變形(位移) 。彈簧支架在彈簧工作范圍內(nèi), 管道有小的變形過程時(shí), 不會(huì)完全失去其分配荷載, 從而控制荷載轉(zhuǎn)移量。彈簧支吊架一般用于管段在垂直方向有熱位移的場所, 引起管道支點(diǎn)的變位, 若該支點(diǎn)為剛性支吊架, 將會(huì)妨礙管段的變位, 或使管段脫離支吊架, 致使管道產(chǎn)生過大的力和應(yīng)力。如果采用彈簧管托、管吊則不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。彈簧支吊架分為兩大類: 可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架。
e.2.2.1. 可變彈簧支吊架的特性是當(dāng)管系在垂直方向發(fā)生位移后彈簧壓縮或伸長, 支點(diǎn)受力發(fā)生變化, 管系在支點(diǎn)處的荷載將重新分配給附近支點(diǎn), 一般常指定其荷載變化率范圍為25 %。荷載變化率= | 工作載荷- 安裝載荷工作載荷| 100 25 %當(dāng)可變彈簧無法滿足荷載變化率≯25 %之要求時(shí), 即可選用恒力彈簧支吊架。
e.2.2.2 恒力彈簧支吊架是管系上下(垂直) 位移時(shí), 其荷載不變, 即它的荷載變化率在理論上為零, 此類支吊架適用于垂直位移量較大的管系, 或者荷載變化率要求嚴(yán)格的場合。對用恒力彈簧吊架支承的管道和設(shè)備, 在發(fā)生位移時(shí), 亦可獲得恒定的支承力, 因而不會(huì)給管道和設(shè)備帶來附加的力和應(yīng)力。可避免管道系統(tǒng)產(chǎn)生不利的力轉(zhuǎn)移, 以保證管道及設(shè)備正常運(yùn)行。
f. 位置
確定管道支吊架位置有以下要點(diǎn)。
f.1. 滿足管道最大允許跨度的要求。
f.2.在有集中荷載時(shí), 支架要布置在靠近荷載的地方, 以減少偏心荷載和彎曲應(yīng)力。
f.3. 在敏感設(shè)備(泵、壓縮機(jī)等) 附近, 應(yīng)設(shè)置支架, 以防管道荷載作用于設(shè)備管嘴。
f.4.往復(fù)式壓縮機(jī)的吸入或排出管道以及其他有強(qiáng)烈振動(dòng)的管道, 宜單獨(dú)設(shè)置支架, 支架生根于地面上的管墩、管架上并與建筑物隔離, 以避免將振動(dòng)傳遞到建筑物上。
f.5.除振動(dòng)的管道外, 應(yīng)盡可能利用建筑物、構(gòu)筑物的梁柱作為支架的生根點(diǎn), 且應(yīng)考慮
生根點(diǎn)所能承受的荷載, 生根點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)能滿足生根件的要求。
f.6.對于復(fù)雜的管道, 尤其是需要作詳細(xì)應(yīng)
力計(jì)算的管道, 還應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果調(diào)整其支吊架的位置。
f.7. 應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位。
f.8.應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近。
f.9.安全泄壓裝置出口管道應(yīng)根據(jù)需要, 考慮是否設(shè)置支架。
3.選用原則
(1) 選用管道支吊架時(shí), 應(yīng)按照支承點(diǎn)所承受的荷載大小和方向、管道的位移情況、工作溫度、是否保溫或保冷以及管道的材質(zhì)等條件選用合適的支吊架。
(2) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)管托、管卡、管吊。焊接型的管托、管吊比卡箍型的管托、管吊節(jié)省鋼材且制作簡單和施工方便。因此, 除下列情況外,應(yīng)盡量采用焊接型的管托和管吊: ①管內(nèi)介質(zhì)溫度≥400 ℃的碳素鋼材質(zhì)的管道; ②低溫管道; ③合金鋼材質(zhì)的管道; ④生產(chǎn)中需要
經(jīng)常拆卸檢修的管道; ⑤架空敷設(shè)且不易施工焊接的管道; ⑥非金屬襯里管道。
(3) 防止管道過大的橫向位移和可能承受的沖擊荷載, 以保證管道只沿著軸向位移, 一般在下列條件的管道上設(shè)置導(dǎo)向管托: ①安全閥出口的高速放空管道和可能產(chǎn)生振動(dòng)的兩相流管道; ②橫向位移過大影響鄰近管道; ③固定支架之間的距離過長, 可能產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定時(shí); ④為防止法蘭和活接頭泄漏而要求不宜發(fā)生過大橫向位移的管道。
(4) 熱脹量超過100mm 的架空敷設(shè)管道應(yīng)選用加長管托, 以免管托落到管橋梁下。
(5) 支架生根在鋼質(zhì)設(shè)備上, 若設(shè)備需熱處理時(shí), 應(yīng)給設(shè)備專業(yè)提供墊板委托。當(dāng)設(shè)備為合金材質(zhì), 墊板材料應(yīng)與設(shè)備材質(zhì)相同。
(6) 對于生根在設(shè)備或土建平臺(tái)上荷載較大的支架位置、標(biāo)高和荷載應(yīng)事先與相關(guān)專業(yè)聯(lián)系。
(7) 凡需要限制管道位移量時(shí), 應(yīng)考慮設(shè)置限位架。
(8) 當(dāng)垂直方向有位移時(shí), 可選彈簧支吊架; 彈簧根據(jù)具體情況可用于并聯(lián)和串聯(lián)。
(9) 當(dāng)管道在支承點(diǎn)有垂直位移且要求支承力的變化范圍在6 %以內(nèi)時(shí), 管系應(yīng)采用恒力彈
簧支吊架。
(10) 在管道支吊架通用圖中無法選出合適的支吊架時(shí), 可采取其它特殊形式支吊架。
4 應(yīng)力分析
管道支吊架的設(shè)置除了對管系一次應(yīng)力的大小有著直接的影響外, 還對調(diào)節(jié)管系的二次應(yīng)力/ 端點(diǎn)推力起著重要的作用。正確選用支吊架,調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布狀態(tài), 使管系適應(yīng)變形的需要和管系端點(diǎn)推力在使用范圍內(nèi)是十分重要的。同時(shí), 還可選擇某種類型支架來限制管系在某個(gè)方向的位移, 從而減少設(shè)備管嘴的應(yīng)力以保護(hù)設(shè)備, 尤其是那些敏感設(shè)備, 如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和機(jī)泵的管嘴等。
(1) 泵
若彎頭處選用剛性吊架, 對于溫度較高的介質(zhì), 剛性吊架勢必會(huì)托空, 管系上管道、閥門等重量以及熱脹力都落在泵嘴子上, 支吊架失去了作用。改用彈簧吊架就會(huì)大大改善泵嘴子受力。
(2) 杠桿效應(yīng)
在利用支吊架調(diào)節(jié)管道的應(yīng)力時(shí), 管道設(shè)計(jì)中充分利用或消除支架的杠桿效應(yīng)是十分重要的。由于管道是一個(gè)剛度足夠大的彈性體, 那么在任何有剛性支架的地方都會(huì)產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。
綜上所述, 在整個(gè)管道工程的投資中, 雖然支吊架系統(tǒng)所占的比例很少, 但支吊架對整個(gè)管系的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用; 管道支吊架的設(shè)計(jì)與管系的應(yīng)力密切相關(guān), 可以借助設(shè)置支吊架來限制某個(gè)方向的力或位移, 從而使管系處于安全狀態(tài)。從某種意義上來說管道的規(guī)劃過程實(shí)際上是規(guī)劃管道支吊架。由此可見, 管道支吊架的設(shè)計(jì)在管道設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。
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