浅谈工厂设计中的管架设计

摘 要：管道支吊架的设计不仅关乎整个工厂管道系统的设计质量和工厂运行的生产安全，也关系到整个管道设计是否达到更经济，更合理且美观。由于受经济影响，国内外企业为了缩减项目成本，减小项目风险，改造项目多是在设备布置很紧凑，设计区域很有限的情况下，在某种程度上限制了管道的走向，这种情况下管架的设置合理性尤为明显，其中最重要的就是应力管线的管架设计。文章一并探讨了国有企业管架和国外某跨国企业管架设计的比较和偏重方面，企业间虽有不同设计理念以及采用的不同的管架设计方式，但殊途同归。

关键词：支吊架；应力管线；设计；设置合理性

1 概述

从当前以工艺优化牵头进行的改造项目上来讲，在老厂房增加新装置或增加其他设备以达到生产扩能的目的，无一不是在缩减项目风险，减少土地成本，毕竟在现今社会土地资源紧张的化工跨国企业中，毕竟多占一块土地就要多付出成几何倍数的成本，狭小的空间既要保证应力管道的走向符合工艺要求，又要保证其他的管线的合理布局，尽量减小老管线特别是应力管线的moc，一方面压缩施工量缩短工期，另一方面是增加对于项目成本的控制，减少不确定因素，避免无绝对必要的老管线修改，满足工艺要求之后，美观的管道走向及支架布置，以及给业主带来的便捷以及宽敞舒适的操作检修通道同样也不能忽视，很多时候，需要考虑的优先是支吊架适不适合做来决定管道的布置。对于非应力管道，在一定程度上或者可以说管架的布置决定了管道的布置。

2 管架定义

2.1 管道支架

是指用于地上架空敷设管道支承的一种结构件。

2.2 管道一次架

指通常所说的管托以及u-bolt等一般分为固定、滑动、导向等。

2.3 管道二次支架

3 管架分类

指通常所说的支吊架。

（1）按荷载分为三个等级：特轻级（Q）、中级、特重级（Z）。在每一个荷载等级中，包含轴向滑动、双向滑动、导向滑动、双导向滑动四种结构类型。

（2）按支架的材料可分为钢结构、钢筋混凝土结构、砖木结构等。

（3）按用途可分为活动支架（允许管道在支架上有位移的支架）和固定支架（固定在管道上用的支架）。固定支架用在不允许管道有轴向位移的地方。活动支架分为滑动支架、导向支架和滚动支架。

4 管架设计一般范围

管架设计大致包括部分，一次架（包含管托、u-bolt、阀架）等的选用，支吊架的选用（外企中的俗称二次支架），此外，还包含弹簧架的选用。属于应力管线的，需要经过应力计算，来确定是否需要增加弹簧架膨胀节等。此外，管道支架的混凝土基础也是管道支架设计中安装中最重要的一部分，应该是要通过设计的。但是现实的安装中，有的管道不是很大的管径和振动的话，是可以按照原有的支墩进行安装的。如果管道的管径大而且振动大的话，应该通过设计进行计算后再做支墩。此支墩大小和一些承受载荷较大的支架我们都会给csa也就是结构专业提支墩和大管架条件，包括平台上做的管架，我们需要一并注明需承受的管道载荷。

5 管道跨距计算

5.1 按刚度条件计算管道的跨距

连续敷设，均布荷载的水平直管道的支架跨距为：

式中：Lmax-管道支架最大允许跨距，m；q-管道单位长度计算载荷，N/m；q=管材重+附加重；W-管道截面抗弯截面系数（cm3）；φ-管道横向焊缝系数；？坠-钢管许用应力，MPa。

5.3 在工程设计时按强度和刚度两个条件，取两者最小值，作为管道支架间距。当然，在实际设计过程中，我们一般是按照金属管道跨距表，和其他管道跨距表来进行设计较为便捷。

6 管架的设计

6.1 管托的选用

6.1.1 金属管管托选用

金属管管架首先就是确认管道材质，碳钢管还是不锈钢的，国内有选用碳钢焊接管托，不锈钢管夹管托，国外不管管道材料，都不采用直接在管道上焊接的管托，因为对于国企中常用的焊接相比，国外更愿意使用管卡类的管托和他们自己的猫爪（claws）。claws是用来卡住我们管托和其支撑的结构梁或二次支架上型钢与型钢之间的连接件，是由四个claws和四套螺栓以及一块垫板组成。国外设计者对这个连接件的推崇无疑是因为这些支吊架具有的可拆卸性以及可调节性的优点，且国外管理者出于对焊接成本的考虑，因国内的焊接成本相对于与国外的焊接成本是非常低廉的。但在中国，显然此猫爪其使用成本高于在我国的焊接成本。然后是看绝热类型，保不保温决定用u-bolt还是管托。特别注意的是，热油管道以及保冷管道的管托是区别于其他金属保温管管托的，以上对管道设计刚入门的设计者来说具有参照性。

6.1.2 塑料管管托选用

在塑料管道上，有塑料管专用管托的型号，有时候，我们也加一些阀架，并且这个阀架多用于塑料管道阀门的支撑上，由于塑料管道刚性不够，跨距又小，建议有阀门必加，特别是仪表阀门的支撑。

6.1.3 管道支吊架设计

支吊架管道支吊架的选用就是指外企所说的的二次管架的设计。

6.1.4 弹簧架的选用与设计

多用在应力管线上。有单弹簧吊，双弹簧吊，弹簧支架等，有外企采用licad软件。根据计算出的位移量，以及受到的冷载荷，查厂家标准找出适合的弹簧架型号，输入此软件中，能自动出弹簧材料表以及弹簧的各种数据。在选型时最好优先选用采购周期短即组成简单的。

6.2 应力管线管架设计

6.2.1 应力管线管架设计注意点

关于管架的合理性配置与选型，正确地选择支吊架的形式，是减小管道向上推力和力矩的有效措施，在管道系统的某些地方，加装一些管架。可以限制主管道系统在一些地方的线位移，从而改变整个关系的力和力矩的分布，减小管道对设备管嘴的推力，管道水平推力与管道的牵引作用有关，正三角地等系管架的水平推力，也可以帮助我们合理地选用管架让设计的管架不至于太笨重。为了防止侧向有大的位移或者振动，这对应力管来说至关重要。

对于高压管道管架的设计主要考虑的是应力问题（如管道振动、脉动等），这方面管架的设计一般根据管道应力程序计算确定。计管架除应满足管道允许最大跨距和最大导向间距外，管架应尽量设置在直管段部分，避免在小半径弯头、支管连接点等局部应力较高的部位设置支承点，以防管系中局部应力过载；刚性支吊架应设在沿支承方向上管道位移为零或要求为零的位置上；支吊架应尽可能靠近阀门、法兰及重管件，但不要对它们作直接支承，以免因局部载荷作用引起连接面泄露，或阀体因受力变形导致阀瓣卡住，关闭不严等不良后果；导向架不宜过分靠近弯头和支管连接部位，否则可能额外地增加管系应力和支承系统的载荷；对因清理、维修等要求而需经常拆卸的管段，不适合设永久性管架。还有一些属于应力管线的临时支架，多出现在施工过程中。

6.2.2 管架的合理性问题

设计时应充分考虑管架的合理性，是否便于安装、空间是否足够。选择弹簧的形式时候，应考虑安装空间，特别是对恒力弹簧。另外，载荷很大的恒力弹簧，自重能达到好几吨重，在给土建专业提条件的时候，应将弹簧的自重考虑充分。有些管道上方有梁，能用吊簧的地方，就没必要在柱上焊三角架做支簧了。再比如，对施工开车检修等工况考虑的不周到，管架应该尽量做到施工开车检修时，不用设置临时支架。为使管道支承系统的设计更加合理，对比较复杂的管系宜按以下步骤配置管架：根据配管要求和初步应力分析划分管段，并确定端部固定架和必不可少的导向架位置；阀组的支撑：非必要时，阀组最好考虑成刚性支撑，因为到货阀门的重量和设计重量可能偏差较大（特别是电动或气动调节阀）。阀组一般都有多个支撑，为增强管道系统的稳定性，在不影响管道热胀变形的情况，最好将其中一个支架考虑成固定支架。

6.2.3 蒸汽管线的管架设计

以蒸汽管线为例：

图1

图1中所示，蒸汽管道支撑在活动支架上，管道断面承受由内压和持续外载产生的应力。管道在工作状态时，由内压和持续外载产生的应力不得大于钢材的计算温度下的基本许用应力在工程设计时应考虑管道支架的最大允许跨距，以确保管道的安全运行。特别是在管廊上，在设置靠近补偿弯的管道导向架时，距离loop最近的一个导向架不能距离补偿弯太近，标准中规定32-40DN，以避免此处管道碰撞弯第一个确保安全运行前提下，应尽可能扩大活动支架的间距，以节约蒸汽管线的投资费用。

6.2.4 夹套管架设计

对于夹套管的管架设计而言，夹套管（蒸汽、热油、热水）计算（端部强度计算、内部导向翼板位置确定、同时包括任何应力分析管道的所有内容）；夹套管内管和外管之间的需要加spacer也就是我们说的定距板或定位板，功能相当于夹套管的法兰的与内管相焊接的作用，主要是起到防止内、外管的偏心。定距板设置详见表1。

表1 夹套管定距板设置最大间距

此外，夹套管的支架设置更为复杂，当遇到空间拥挤，夹套管上仪表多，分支多，阀门多时，夹套管能做支架的位置很有限，因为有很多跨管，以及这里面不得不提到高温热油夹套管的支架，它选用的管托是和保冷管托一样箍在管道保温外的，所以设计管道的时候就要加以重视。并适当考虑，既要保证操作检修通道，又要预留做管架足够的余量和直管段。

管架在国企的设计中，支吊架的设计或许会让人感觉受到了忽视，一方面是因为设计周期太短而做的不够详细，图纸也十分粗糙，另一方面，看起来国内的支吊架设计比起外企不得不更加倚重于现场的施工调整，在一些现场对于支吊架的修改在国企总包的国内项目施工中，浪费了一部分人工时。而国外依照的公司标准和严谨的设计态度，在详细设计中，国外设计企业对支吊架设计方面细节上的把控尤为重视，这在设计之后出的管架施工图中可见一斑。管道支吊架图会比国内设计出来的文件来得更加详尽，对于管道支吊架图纸的要求也比较高，正好弥补了国内的施工人员对其标准的不熟悉。

7 高温工况管架用材质

高温工况在输送介质温度大于等于400℃的碳钢管道和合金钢、不锈钢管道以及需进行焊接处理的管道优先选用卡箍式管托、管吊或选用带同类材质垫板的支吊架。与管道直接接触的支吊架零部件的材料应按管道设计温度选用，与管道直接焊接的零部件的材料与管道材料相同或相容。关于高温等工况下管道管架材质方面要符合标准要求。

8 结束语

管架的形式多种多样，可选用的类型以及适用的环境也不会单一，设计很多时候可以因地制宜，但必须遵循的就是管架设计须以管道系统的安全运行为前提。设计时要做好管架的设计，尽最大可能精准化，能避免由于后期管架预制而造成不匹配的大量的修改工作，对项目而言，能缩短项目建设周期，在节约建设成本方面起着至关重要的作用。

参考文献

[1]SH/T 3041-2002.石油化工管道柔性设计规范[S].

[2]SH3073-2004.石油化工管道支吊架设计[S].

[3]GB50316-2000.工业金属管道设计规范[S].

[4]SH /T3040-2002.石油化工管道伴管和夹套管设计规范[S].

作者简介：纪文（1986，10-），男，民族：汉族，籍贯：江苏省句容，学历：大专，现有职称：初级工程师，工作单位；南京中图数码科技有限公司，研究方向：化工管道设计。