核电站管道支吊架的布置和选型

摘要：本文对某核电站管道支吊架的布置原则进行了初步介绍，并对支吊架的选型进行了分析。

关键词：核电站 管道支吊架 布置 设计

中图分类号：S611 文献标识码： A

1.引言

在核电站管道设计中，支吊架的布置和选型是其中重要的环节。支承的位置、形式、数量直接影响管道应力分布、管道的制造和安装成本。合理的支吊架布置和选择适当的型式，能使管道应力大为改善，保证管道的安全；给施工带来方便，缩短工期，降低成本；同时使得支吊架与整个厂区的建筑物协调一致，整洁美观。

2.管道支吊架的形式

核电站管道支吊架从功能上主要分为：承受管道载荷、限制管道位移、控制管道振动等。

以承受管道载荷为目的的支吊架类型有：恒力弹簧支吊架、可变弹簧支吊架、刚性支吊架、滑动支架以及滚动支吊架等；

以限制管道位移为目的的支吊架类型有：导向支架、限位支架以及固定支架等；

以控制管道振动为目的的支吊架类型有：减振装置、阻尼装置等。

3.管道支吊架的布置

管道支吊架的布置主要包括支吊架的位置和功能的确定。管道支吊架的位置和功能应根据管道系统的总体布置综合分析确定。

支吊架系统应合理承受管道及在线设备的动荷载、静荷载和偶然荷载；合理约束管道位移；保证管道应力在允许范围内；满足管道所连设备对接口推力（力矩）的限制要求；增加管道系统的稳定性，防止管道振动；根据管线周围可生根支架的环境情况合理布置。并从以下几个方面进行综合考虑。

3.1.支吊架间距

核岛管道支吊架布置时推荐的最大允许间距如表1[ 摘自RCC-M第Ⅰ卷H篇。]示。

表 1 钢管支承件最大间距近似值

注1：所推荐的最大间距适用的最高运行温度为400℃。

注2：在支承件之间有集中载荷时（如法兰、阀门等），本表的值不适用。

注3：表的间距值以下述条件为基础：由支承找出的弯曲应力和剪应力的组合为10MPa；管道充水保温管；支承件之间允许管道下垂2.5mm。

注4：直径未在表中给出的管道，其支承件间距可用插值法计算。

3.2.在线设备的支撑

注意管系上的在线设备（如阀门）、在线部件（如法兰）的载荷，对管线造成较大应力的在线设备和部件，应当考虑对其设置单独支撑。

3.3.功能要求

管道上支吊架的功能应根据管道系统的布置进行初步确定，其原则如下：

管道上不允许有任何方向的线位移和角位移的支承点应选用固定支架；

管道上不允许有竖直向下位移的支吊点应选用滑动支架；

管道上不允许有竖直位移的支吊点应选用刚性吊杆；

管道上径向或轴向有较大竖直位移的支吊点应采用弹簧支吊架；

管道上垂直位移较大或需要限制转移荷载的支吊点应采用恒力支吊架；

需引导管道某方向位移而限制其他方向的位移的位置应采用导向支吊架；

管道上需要限制某个或几个方向位移的位置应采用限位支吊架；

管道上需要防止振动的地方选用减震装置时，此处允许装置对管道热胀冷缩有一定的影响；

管道上需要承受地震荷载、冲击荷载或控制管系高速振动位移的位置应选用阻尼装置，它不影响管道热胀冷缩。

3.4.管道的柔性要求

对于有工作期间有热胀的管道，在再用自然补偿方式时，必须考虑热膨胀延伸的管道短臂长度问题，避免固定或导向支架定位于膨胀最小补偿范围内的管段之中，以避免对管道热膨胀的延伸产生约束，阻碍管道的热态运行。

3.5.满足应力分析的要求

对于所有的管系，在确定其支吊架的位置、数量、型式等时都应满足下列要求：

管系静应力分析的要求，包括管系自身的强度、稳定性、最大位移以及对相连设备、生根设施的力学要求；

管系动应力分析的要求，包括管系对管道的机械振动、水击、放空反冲击、地震、风载等载荷作用下的力学要求。

3.6.生根条件

管道支吊架布置受支吊架生根位置限制。支吊架尽可能利用已有的建筑结构，如：墙、梁、柱、平台、天花板、地面、钢结构等作为生根点。支吊架设计者应充分考虑其生根的可能性，并根据相关设计规则（如基板的膨胀螺栓打孔位置距孔洞边缘的要求、）做出正确的支吊架布置。

对于有可能集中支撑的管道，应尽可能选择适宜的地方和方式集中支撑。

当无法进行支吊架生根时，应考虑改变管道的走向，最终使支吊架生根情况得到满足，并应注意考虑应力分析结果。

3.7.空间要求

支吊架位置应不妨碍操作人员的通行、设备的检修和管道的拆卸等；并应避免与其他专业设备的碰撞。

3.8.经济性

支吊架的位置尚应考虑经济性原则。例如，对于管道比较集中的管廊，共用支吊架的跨距应视多数管道的允许跨距而定，而不宜以少数较小直径管道的允许跨距确定，当较小直径管道的吊架间距不满足管道应力要求时再为其单独支吊架。

3.9.整齐性

支吊架的位置应尽可能整齐有序，使支撑效果美观大方。

4.管道支吊架的结构设计

4.1.核电站用管道支吊架部件

核电站常用管道支吊架的结构部件分为：管部、功能件、连接件、根部结构件以及附属件。

管部件主要包括：管夹、管卡、耳轴及衬垫等；

功能件主要包括：支撑杆、阻尼器、弹簧支吊架及恒力吊架等；

连接件主要包括：螺母、拉杆、延长杆及支撑臂等；

根部结构件主要包括：吊板、支撑座、悬臂梁、单柱型梁、L型梁、T型梁、三角型架、门型架及箱型架等。

4.2.各结构部件的确定

管部件及功能件的确定应根据支吊架功能、管道材质及是否保温等相关参数进行选取。例如：对于不锈钢管道，与管道相连接的作用部分应当选用不锈钢材质的支吊架部件，以防止发生腐蚀；保温管道上支吊架的作用部分应采用可以包裹保温材料的支吊架部件，以防止管道在发生正常热位移时保温层受到破坏。

连接件的确定需根据管部及功能件进行选用。例如：对于弹簧吊架其功能件应选用相应的拉杆及螺母。

根部结构件的确定需根据管部件、功能件及连接件的型式，并综合考虑支吊架位置处的生根条件和附近空间允许情况后确定。在做到安全性的同时使支吊架的结构更加简单合理。

5.支吊架布置和设计的注意要点

5.1.选用标准支吊架

在支吊架结构设计时，应尽量采用标准核级支吊架。标准核级支吊架的零部件在工厂生产，而在其研制阶段已经进行了应力分析、强度评定、样件制造和合格性鉴定实验，而且建立有必要的质保体系，因此能够保证支吊架产品的质量。另外标准支吊架的选用，使支吊架的材料采购、工厂预制、现场施工都能实现标准化，批量化，加快建造速度，缩短施工周期。

5.2.充分考虑生根部位

在确定支吊架位置时应充分考虑支吊架的生根位置。

支吊架应尽量在混凝土或楼板上生根，而且最好在支吊架的生根位置处设置预埋板，这样可以方便支吊架的安装，减少因使用膨胀螺栓带来的问题（打孔的操作空间、距墙边或孔洞边缘的距离要求、打孔遇到钢筋等）。

在选用膨胀螺栓时应注意混凝土墙或楼板的厚度，避免选用不当造成打孔穿透墙或楼板。

注意墙为空心墙或墙的强度不够时应禁止使用膨胀螺栓。

支吊架在钢平台上生根时，尤其载荷较大的，则应征得结构工程师的同意。

5.3.避免碰撞

在已建成的某核电站的重大的改进项DCS系统房间的安装施工过程中，产生了大量的修改。原因是支吊架布置和选型时设计的不合理，导致设计的消防系统管道的支吊架与电气托盘及其支吊架碰撞情况较多，产生了大量的返工，耗费了大量的人力、物力、时间、和精力。为了减少此类问题，支吊架设计人员在设计时应充分考虑平面布局，避免支吊架结构与其它物项碰撞。

如有条件应尽可能的采用三维设计软件（如PDMS、PDS等）进行管道及其支吊架的设计，并用三维软件的自动碰撞检查功能可以在设计阶段避免管道支吊架的碰撞，减少设计修改量和现场返工量。

5.4.尽量避免使用阻尼器

在管道支吊架设计中，应尽量减少阻尼器的使用数量，阻尼器属精密机械，安装和维护要求都较高，如果出现问题，不仅不能起到应有的抗震作用，而且可能阻碍管系的正常热膨胀。

5.5.注重力学分析结果

支吊架设计的正确性以管道及其支吊架力学分析报告为准绳，如力学分析不能通过，则应与应力分析人员加强沟通，并修改支吊架布置及结构，以使其合理。如有必要，修改管道布置，以满足规范要求。

5.6.结合现场施工工艺

管道支吊架设计是与施工过程有着紧密联系的设计过程，支吊架的设计应充分考虑现场施工工艺，可以在设计过程中把施工现场支吊架的可操作性以及维修的可达性加以综合考虑，从而使设计更加合理。

6.结束语

综上所述，管道支吊架设计首先应满足管道走向和管道功能的要求，同时应有较强的可操作性，尽量选用标准支吊架，设计出最合理的布置和选型方案。以提高管系的安全性、支吊架施工的可操作性进而达到缩短施工周期的目的，提高整个核电厂的经济性。

参考文献：

[1]《DESIGN AND CONSTRUCTION RULES FOR MECHANICAL COMPONMENT OF PER NUCLEAR ISLANDS》 RCC-M 2000版+2002补遗

[2]水利电力部西北设计院 火力发电厂汽水管道支吊架设计手册 西安

[3]徐至钧 主编 《管道工程设计与施工手册》 北京：中国石化出版社

[4]动力管道设计手册编写组 编 《动力管道设计手册》 北京：机械工业出版社