转动设备配管支吊架设置探讨

摘要：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、安装不当，在运行中会使管道及其它组件容易损坏，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、施工中不可忽视，尤其是对于转动设备配管的支吊架。正确设计并安装转动设备配管的支吊架，这对于改善管系振动、适应管系变形及确保转动设备正常运转等都有着重要的作用与意义。

关键词：转动设备;管道;配管;支吊架

Abstract: Pipe support and hanger is the structure closely linked to pipe, it is one of the important parts of the pipeline. Design of piping support and hanger, improper installation will be in operation so that the pipeline and other components are easy to damage, more serious is that rotating equipment was damaged and forced outage. Therefore, the problems can not be ignored in the engineering design and construction, especially for rotating equipment piping support and hanger. The correct design and installation of rotating equipment piping support and hanger, which for the improvement of pipe vibration, adapt to the pipe deformation and ensure the normal operation of rotating equipment has an important role and significance.

Key words: rotating equipment; pipe; pipe; pipe support and hanger

中图分类号；F252.82文献标识码：A 文章编号：

工业管道安装的各类标准、规范中对于传动设备的配管的安装都作了严格的要求，要求管道在安装完后不得给设备带来附加外力，以免影响设备的正常运行。但这都是冷态（即非工作状态）下完成的，其实在热态（即工作状态）下，大部分设备的配管的操作温度都会有所升高，有时甚至很高。随着温度的升高，这些管线都会产生一定的热膨胀，如果在管道的设计与安装中不考虑这些因素影响而引起支架设置或安装不当的话，就有可能对设备产生较大的附加载荷，从而在运行过程中造成设备与管线的损坏。

1合理设置转动设备配管支吊架的重要性

以下通过两则案例说明转动设备配管支吊架的合理设置的重要性。

1.1 汽轮机背压蒸汽线支架设置

在某炼厂电站一期工程中，发电机组汽轮机背压蒸汽线设计如示意图所示，其中汽轮机排汽口处支架①为刚性支架，其余支架均为弹簧支吊架。支架①生根于汽轮机基础框架的砼立柱上。虽然在施工中根据图纸及施工规范的要求精确下料、认真组对、仔细安装，确保了在安装完后管线未给设备带来附加载荷，但是在机组的试运中，由于操作的失误和机组本身的缺陷，造成背压蒸汽温度、压力升高超过设计值，险些酿成机毁人亡的大事故。

事后经观察现场发现，背压蒸汽出口处两支架生根的预埋件已被连根拔起，整个汽轮机组也遭到一定的损坏。经现场分析，造成事故的原因之一就是由于背压蒸汽出口处的两支架设计有误所致，背压蒸汽的设计温度为310℃，但在事故状态下，其实际温度已接近主蒸汽温度，达到400℃，由于温度过高，管线产生的热膨胀量很大，但由于支架的限制，致使管线的热胀力直接作用于汽轮机轴及出口处支架上，从而造成了机组及支架的损坏。

众所皆知，温度变化会引起物体的热胀冷缩，随着温度的变化，管道的长度将发生变化，如果此变化受到限制的话，将产生巨大的应力。通过下列公式的计算可知当时由于热胀冷缩给汽轮机组带来的推力及管线的热应力。为了简化计算，将设备出口与支架简化为一段两端固定的直管，其长度L=2750mm，管径为φ377*10，材质为20#，由胡克定律可知，应力与应变的关系为：δ=Et*Qt*Δt

其中：δ—应力

Et—钢材在计算温度下的弹性模数（40℃时取Et＝158*103MPa）

Qt—钢材在计算温度下的线膨胀系数（40℃时取Et＝13.83*10-6/℃）

Δt—温度差（取Δt＝400-20＝380℃）

则 δ=158*103*13.83*10-6MPa*380＝830.35MPa

热膨胀对两端所产生的推力：RA=RB=δ*A

管线截面积 A＝π*(D2-d2)/4=π*(37.72-35.72)/4=115.24cm2

则2RA=2RB=1913.87吨

从上面两个计算结果可以看出，此时管线的应力已远远大于其在400℃时的许用应力86MPa，而其对汽轮机组的推力更高达1913.87吨，在如此大的推力作用下，最终的结果是：要么设备或支架被破坏，要么管线被破坏。由此可见，因支架的设置不当，会给设备、管道带来多大的破坏作用。

1.2 空压机I级缸出口至I级缸出口分离器管线支架设置

在实际中，热膨胀影响带来的问题时有存在。虽然当今设计部门对这一问题已考虑的足够多，但是常常有所疏忽。如在同一炼厂空分站的改造工程中，空压机I级缸出口至I级缸出口分离器管线布置如下图：

其中①和②号支架都为刚性支架，管道规格为φ273*8，材质为20#钢。由于压缩机本身做功，使得I级缸出口管线的温度将达到160℃。正因为有了前面电站施工的经验教训，对此根管线，技术人员事先进行了认真的分析，认为虽温度不太高，但管线膨胀所带来的应力也将很大。技术人员马上将此情况反映给设计部门，经设计部门对此根管线进行仔细分析后也认为膨胀所产生的推力已足以损坏设备。经讨论后决定将①和②号固定支架取消，改为在③处加一弹簧支架，这样就解决了管线的热膨胀影响。

2合理设置转动设备配管支吊架的方法

2.1 冷态和热态下管系的受力分析

通过以上两则事例的分析可知，进行热力管线的支架设置，特别是对于和转动设备相连的热力管线的支架设置在管线的安装中具有重要的意义。在汽轮机、空压机等对应变很敏感的高速而精密的传动机械配管的设计中，应引起设计人员的充分重视。对于管系在冷态及热态下对机械设备可能产生的推力、力矩都要进行仔细的考虑、分析，不仅要确保管线在冷态条件下的安装符合规范要求，而且还要充分考虑到管线在热态下的变形受力情况，对于转动设备进出口管线的支架设置应充分考虑到管线膨胀的需要，而且在进行进出口支架的施工中也应确保其安装正确可靠，不可出现卡死等现象。

2.2 冷态和热态下应对热膨胀的措施

在冷态下，我们可以通过控制与设备相连的法兰自由状态下的配对间隙，对与设备相连管线安装从设备端开始向外进行，且不允许强力对口而达到预期的目的。在热态下，我们要充分考虑到热膨胀的影响。在近代的管道设计中，对具有膨胀的管道一般都采用布置较柔软的管系，通过管线的自身变形来吸收其热膨胀，或者在管系中适当的部位设置一些补偿器，通过补偿器来吸收管线的热膨胀。

目前常用的补偿法有自然补偿法和人工补偿法。对于有弯曲部分的热力管线，受热时自身可产生一定的变形，因而不会产生较大的热应力和推力，从而能有效地防止管道及支架因热膨胀而受到破坏，这种借助管道自身的弹性变形来吸收热膨胀影响的补偿方法称为自然补偿法。在选择管道的布置及支吊架时，应尽量使每两个固定支架间的管系由几个相互垂直且长短不一的管段组成，使管系具有足够的柔软性，以保证管道的变形能被自身所吸收而不至于产生过大的应力而引起破坏。当管线的膨胀过大，或由于空间位置的限制而无法采用占用空间较大的自然补偿法时，就必须设置专门的设备来吸收热膨胀量，这种方法称之为人工补偿法，所使用的设备称为人工补偿器。常用补偿器有波纹管补偿器、填料式补偿器、球形补偿器、热补偿弯管等。这些补偿器都有较大的补偿量，可以通过选择合适的补偿器安装在合适的管线位置来吸收管线的热膨胀，达到降低热应力的影响。

2.3 合理设置转动设备配管支吊架

通过上面的讨论，可知如果要避免由于管线的热膨胀给转动设备带来附加载荷的话，设计方案可采用布置较柔软的管系，或在其进出口的管线上加波形补偿器；施工方在安装时应避免强力对口并确保管道安装不给设备管口带来附加载荷。但是无论采用那一种方法，都必须通过选择合适的支吊架，才能达到预期的效果。

管道支吊架的种类很多，在确定配管支吊架的位置和种类时首先要考虑配管支吊架的用途，诸如承重、防振、固定还是导向等，或者几种用途的组合。在此列举几列典型的配管支吊架的设置方法：

1. 在转动设备进出口处的支吊架，应以能承受管线的重量、限制管线的振动为主，而不能限制管线轴向的热膨胀。为了能使管系自由地热胀冷缩，支吊架应选择不限制管道热胀冷缩的弹簧类支吊架或活动性支吊架为宜。

2. 对采用补偿器的管道，应设置一定的导向支架和固定支架，使得热膨胀能按预定的方向被吸收，而其它部分的支吊架应能自由地移动。

3. 对大型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。

4. 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，将一个支架设置成固定支架，另一个支架设置成滑动支架或导向支架。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。

上述汽轮机背压蒸汽线布置已足够柔软，但就因汽轮机排汽口处的两固定支架限制了管线的热膨胀所致。最后是通过改变出口处支架的形式，即将这两处的支架改为双弹簧吊架，也就很好地解决了管线的热膨胀问题。当然，也不是说可以过多的使用弹簧架，一来弹簧架比普通支架贵，二来在长期工作状态下还有失效问题，不如刚性支架耐用可靠，再说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。

3结束语

结合多年的现场施工经验可知，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，从而达到保护设备的目的。同时在考虑技术可行性、运行可靠性，还得考虑经济合理性。

作者简介：束志军男生于1968年9月，工程师，目前就职于中石化南京工程有限公司技术质量管理部，长期从事技术质量管理工作。