管道位移对支吊架载荷的影响及对策

摘要：通过分析管道实际运行情况，阐述了管道位移的原因，研究了管道位移对支吊架系统的影响，并经由理论计算反应影响的程度大小，另外提供了部分解决对策。给管系设计和支吊架设计提供参考。

关键词：管道位移；支吊架；载荷；偏装

中图分类号：U173文献标识码： A

一、前言

在实际工程设计中，有不少技术人员（包括支吊架厂家的设计人员和设计院的管道设计人员）对于管道位移对支吊架的载荷影响有部分了解，但是缺乏系统的认识。在设计支吊架的时候，难免出现考虑不周到和设计不合理的情况，这些情况已经在国内的部分发电厂实际遇到，并造成了部分损失。本文在于厘清认识上的误区和不足，为工程实际提供参考。

二、管道位移的原因

1、管道自重

管道由于其自身重量作用，将产生挠曲变形。它的变形犹如多跨连续梁，大多数是向下位移。但当支吊架点间距不均匀或某一跨有相当的集中载荷而未缩小跨距时，支吊点间距小或邻近集中载荷一跨的跨中可能出现向上位移。当采用吊零分配管道自重时，管道在吊零状态下，支吊点处的自重位移为零。而对某些按人为给定载荷的支吊点处，其自重位移不为零。

2、支吊架附加反力

支吊架附加反力是指管道由一个状态（冷态或热态）变到另一个状态（热态或冷态）时，支吊力的改变量。从广义上讲，它包括弹簧反力改变量、刚性约束支吊架的约束力该变量和支吊架的摩擦力等。其中刚性约束支吊架约束力变化不改变约束方向的位移；支吊架摩擦力，虽然会减少管道位移，但因计算相当复杂，目前尚难以在工程设计中考虑。因此，通常所说的支吊架附加反力是指弹簧组件（可变弹簧支吊架、弹簧减震器等）的附加反力。

3、管道端点附加位移

管道断点通常是指管道与设备的连接点。设备接口随着温度的变化会产生热胀冷缩位移；还因为支承设备的地基在整个施工和运行期间会产生不均匀的沉降。这就是引起端点附加位移的两个主要因素。前者主要产生线位移；后者产生线位移和角位移。

4、管道热胀冷缩

管道在输送介质或停止运行时，管道金属将因温度变化产生热胀冷缩位移，即热位移。在长管道中，热位移可能很大。它是管道位移的主要因素。管道热伸长如果受到约束，就将产生很大的应力。它可以采用专门的补偿装置补偿，也可以由管系自身柔性产生弹性弯曲和扭曲变形实现自补偿。依靠管道自身补偿能力来吸收管道热伸长，不仅有线位移，还有角位移。

5、管道冷紧

为了减少管道热胀在运行初期的热态应力，减少管道对端点的热态推力，促使管道的冷、热态应变达到最佳的自均衡，常常需对管道进行冷紧。冷紧作业通常是在安装时在管道一定位置上沿冷紧方向长短切短（有时加长）一定尺寸，待所有吊架配齐和管道牢固的固定在固定点（包括设备端点或固定支架）上之后，将冷紧口两端管道拉紧对焊。冷紧引起的管道变形位移和管道热位移的方向相反。

三、管道位移对支吊架载荷的影响

1、管道位移对吊架吊杆的影响

管道吊架通常是与管道同步安装的，并在管道冷紧时调整拉杆长度，但从冷态到热态过程中吊杆就不再调整。因此，管道吊架拉杆长度在安装态和冷态是不同的；而拉杆位置则在安装态、冷态和热态时都不相同。如图一，

图一

在空间直角坐标系中，组成水平面，轴垂直向上。假设管道某一吊架的吊点坐标，在安装态为，，；冷态为，，；热态为，，，并假设在安装态时吊架拉杆呈垂直状态，其生根点至吊点之间的距离为；即生根点的坐标为，，。吊点从安装态到冷态的冷位移值为，，；从冷态到热态的热位移值为，，。若位移方向与坐标轴正方向一致为正，与坐标轴方向相反取负。由此可得：

（1）

（2）

由此可得吊架在冷态时从生根点到吊点的距离和热态时的距离：

（3）

(4)

令

（5）

（6）

则式（3）和式（4）可写成

（7）

（8）

如前所述，管道在冷紧时支吊架拉杆需做调整，调整量为：

（9）

而管道从冷态到热态，生根点到吊点的距离变化为：

（10）

吊架拉杆在冷态时的偏斜角和热态时的偏斜角分别为：

（11）

（12）

由式（11）和式（12）可见：当生根点至吊点之间距离一定时，管道水平位移越大，拉杆的偏斜角也越大；当拉杆的偏斜角控制在一定值时，则管道水平位移越大，就要求生根点至吊点之间的距离也越大。

2、管道位移对刚性吊架的影响

管道位移不仅使吊架的拉杆发生偏斜，并要求改变从生根点至吊点间的距离，这对刚性吊架是很难的。若计算的＜0，就意味着刚性吊架脱载，这是不允许的。但只要确保=0且≥就不会脱载。若＞0，则由于吊架的刚度很大，不可能使生根点到吊点之间的距离产生这么大的变化，就会迫使管道在吊点处沿拉杆方向产生附加位移，同时对吊架产生一个附加的约束反力。和的大小与吊架刚度及管道在吊点处的刚度有关，即

（13）

（14）

式中：K为吊点处吊架与管道的总刚度（N/mm），即

（15）

若吊点处管道的冷态荷重和热态载荷分别为和，则拉杆在冷态和热态的荷载和分别为：

（16）

（17）

由此看出，刚性吊架拉杆载荷在冷态时仅与吊点处管道荷重及拉杆偏斜角有关；在热态时，除与吊点处管道荷重、拉杆偏斜角有关外，还与管道在吊点处的刚度（沿拉杆方向）和强迫附加位移有关，或者说还与吊点处吊架与管道的总刚度及管道三向位移要求拉杆长度该变量有关。

当然，由于管道水平位移引起吊架拉杆偏斜并产生载荷增量，将有阻止管道位移的倾向，两者是互相影响，相互制约的。

3、管道位移对变力弹簧吊架的影响

管道位移对变力弹簧吊架的影响同对刚性吊架的影响相似，其主要区别是弹簧吊架吊点处肯定有垂直位移，而刚性吊架没有；弹簧吊架自身刚度远比刚性吊架小。

弹簧吊架从冷态到热态的载荷变化率可以近似看作垂直位移引起的载荷变化率和水平位移引起的载荷变化率之和。

4、管道位移对恒力弹簧吊架的影响

恒力弹簧吊架的特点在于吊点发生位移时，恒力吊架的载荷恒定不变。但由于吊点位移引起拉杆偏斜，则会引起其对管道的实际承载力的变化。

对于主辅弹簧式的恒力吊架，如果恒力吊架的承载力为，由于吊点处管道位移引起恒力吊架拉杆偏斜角，则其实际承载能力

（18）

实际承载能力降低了

（19）

这种实际承载力的降低是很小的，可以忽略不计。

对于连杆式的恒力吊架，吊点位移引起的拉杆偏斜对管道实际承载力的变化，还与载荷臂的安装角有关。

图二

对于连杆式恒力弹簧吊架，在图二中摆动位置（a）和（b）时，在管道载荷作用下得到A点上的力矩：

（20）

若拉杆偏斜后，恒力吊架的承载力为，此时对A点的力矩为：

（21）

因为恒力吊架的,所以恒力吊架的实际承载力为：

（22）

于是得到恒力吊架在位置（a）和（b）时承载力的增加值和增加率分别为：

（23）

（24）

在图二中摆动位置（c）和（d）时，拉杆偏斜后的受力角由在位置（a）和（b）时的“”变为“”，一样的计算法方可得恒力吊架在位置（c）和（d）时承载力的增加值和增加率分别为：

(25)

(26)

由式（24）和式（26）可知，若拉杆偏斜角度过大，连杆式恒力吊架的实际载荷变化率会很大，则有必要采取措施加以限制。

5、管道位移对根部结构的影响

管道位移对吊架的根部结构和对支架的根部结构将产生不同的影响。

对于吊架根部结构的影响如同上述的刚性吊架、弹簧吊架和恒力吊架一样，其载荷的大小和方向都发生了变化，但是这些变化大多作用在根部和吊点之间的吊架组件上（如拉杆、刚性杆、弹吊、恒吊等），所以管道位移的变化量对于吊架根部来说，可以忽略不计。

对于支架根部结构，主要影响是使载荷作用点与生根点的距离发生变化。因为根部设计的时候，多会升档选择型材，所以管道位移的变化量对于支架根部来说，也可以忽略不计。

四、减少管道位移对支吊架载荷影响的措施

1、支吊架的偏装

所谓支吊架的偏装，就是支吊架的根部与管部相对偏移一定水平距离安装，以减少支吊点水平位移对支吊架的影响。

支吊架偏装，可以根部偏装，也可以管部偏装。根部偏装，可以在x轴和y轴同时偏装。管部偏装，只能沿管道中心线方向偏装，而且管部与管道在不焊接连接的情况下，实际支吊点将发生偏移，增加管道静力分析误差。因此，支吊架偏装以用根部偏装来实现为宜。

支吊架偏装量的计算，与管道在其吊点处的冷位移和热位移的方向和大小有关，采取根部偏装，其偏装量为：

（27）

式中：（）--根部在x（y）向的偏装量（mm），正直表示与坐标轴方向相同，负值表示相反；

（）--支吊点从安装态到冷态在x（y）向的偏装量（mm），正负值意义同上

（）--支吊点从冷态到热态在x（y）向的偏装量（mm），正负值意义同上

但是必须认识到，支吊架冷偏装时设备接口受力，但理想状态的安装时设备接口不应受相应的力；另外，采取偏装后，冷态和热态的支吊架受力不同，而设备检修、停机待产等情况时，冷热态工况相互切换，管道位移对支吊架的附加力仍然存在。

2、偏装的另一种方法--滚动轴承吊板

图三

如图三所示的滚动轴承吊板，是近两年出现的一种解决方案。在固定的框架内，吊板在x和y轴都能通过上部两侧的滚珠和滚珠轨道实现滚动。实现了支吊架偏装的同时，也克服了上述偏装带来的问题。另外，在滚动轴承吊板上设立标尺，可以直观且准确的反映出支吊架及管系运行的位移情况，从而在核实设计和预防问题方面，起到作用。

参考文献：

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