郑廷鹏
成都益志科技有限责任公司 四川成都 610000
摘要：在以往的工艺管道设计中管道支架的设计往往存在被忽略的现象，但是随着石油化工装置大型化的不断发展，装置中大直径的管道越来越多，而管道支架设计是否合理直接影响到了装置的安全性，因此现在设计对管道支架设计的合理性要求越来越高了。本文浅谈了管道支架的选用和支架位置的确定。
关键词：管道；支架。
一、概要
石油化工装置中的管道种类繁多、使用工况千差万别、影响其使用的因素复杂，但是所有的管道敷设都需要借助各种不同形式、不同性能的支架来完成，所以管道支架对于整个装置都起着十分重要的作用。特别是如今高温高压、有毒可燃和强腐蚀性的管道越来越多，正确设置满足安全生产的管道支架更为重要。
管道支架按照其所起的作用可分为一下几类：承重支架、限制性支架和减震支架。承重支架顾名思义其主要作用是承受管道的荷载；限制性支架主要用于限制、控制和约束管道在某一方向上的变形或位移；减震支架用于限制和缓和由地震、风压、水击、安全阀出口反作用力等引起的管道振动。具体的，承重支架又可以分为：刚性支架、可调刚性支架、可变弹簧支架和恒力弹簧支架；限制性支架可分为：固定支架、导向支架和限位支架；防震支架可分为：防振管卡和阻力减震器。每一种支架都有其特有的用途，在具体的设计过程中根据实际需要进行选择。
管道支架的结构组成基本上可以分为三部分，第一部分与管道直接接触或与管道直接焊接的部分——附管部分；第二部分与地面、设备、建筑物及构筑物等支承设施相连的部分——生根部分；第三部分连接附管部分和生根部分的部分——中间连接件。在具体的设计过程中，根据实际情况确定使用何种管道支架结构。
二、管道支架的选用
管道支架的选用应按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移方向、工作温度、是否保温或保冷、管道的材质等条件选用合适的标准支吊架。
2.1荷载大小和方向问题
荷载大小和方向除了考虑管道自身管道重量、介质重量和管道保温保冷材料重量外，还应根据实际情况充分考虑热态时的位移载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷、安全阀开启时的反冲载荷、水压试验时的充水重量等，在考虑了上述荷载以外还应适当的考虑流出余量。在实际的项目设计过程中，往往需要利用建筑物的梁柱、立柱、设备本体等设施进行生根，此时还应跟土建结构专业、设备专业相互协调，确定这些设施的生根条件和承载能力是否满足要求。
2.2管道位置问题
管道位移通常情况下是由于热胀冷缩引起的，可能引起支吊架悬空、顶死等问题。对于温度高且长度长的管道，还可能会因位移过大而造成支架破坏，管道推力或力矩过大，使与其连接的设备产生过大的应力或变形，仅为影响设备的正常运行。在这种情况下应选择能够消除管道位移的支架设计，如采用滚动支架、导向支架等。其实需用有利于消除管道位移的支架已经是第二选择了，最好的方法是在考虑管道的设计走向的时候就应充分考虑管道的位移，从管道的自然补偿入手，尽量减小因为管道布置引起的位移量。
2.3管道工作温度问题
管道工作温度主要是指管道内工艺介质的温度。当管道内工艺介质温度高于或等于400℃时，此时不应选用焊接型的支吊架，如果将支架与管道焊接，会在焊接位置产生应力松弛造成焊缝拉裂。导致管道被破坏，进而影响装置的正常安全运行。
2.4管道保温保冷问题
保温和保冷管道由于在管道表面增加了保温保冷材料，因此在选择支吊架是需要考虑管道保温层厚度对管道支架的影响。如保冷管道，应考虑选择保冷型管道支架且支架的高度应可以避免保冷层被破坏；保温隔热管道，应使附管部件及相应的中间部件伸出隔热层外，以避免管道发生位移时破坏隔热层。
2.5管道材质问题
石油化工管道设计中常用到的管道材质主要有：碳钢、不锈钢、合金钢、塑料管等。
不同材质的管道在刚度和强度方面都是不相同的，不同的刚度和强度导致管道的最大跨距也是不尽相同的，在具体的项目设计的过程中需要根据管道的不同材质、不同管径及具体的走向确定管道的最终跨距。根据管道材质的不同选用相应材质的管道支架，当管道是不锈钢时就不能选用碳钢的管道支架，因为当碳钢与不锈钢直接接触时，碳钢属于低电位，不锈钢时高电位，如果此时再遇上雨水就会形成电池，电池的负极不锈钢的腐蚀速度比正常情况将加快。
三、管道支架位置的确定
管道支架位置的确定不应该是独立的，不是说你在管道布置完成后再单独的来考虑管道选择何种支架，支撑在什么位置，而是伴随着你的管道布置而进行的。
3.1 承重支架位置的确定
石油化工管道设计中承重支架距离不应大于满足管道刚度及扰度要求下的最大间距。如果管道有集中荷载时，支架的位置应尽量靠近集中荷载的位置，以减少偏心荷载和弯曲应力的作用。对于敏感性的设备（如：泵、压缩机等）附近应设置支架，以防止设备管口承受过大的管道荷载。往复式压缩机的吸入和排除管道及其他有强烈震动的管道，易单独设置支架，以避免将震动传递到建筑物上。立式容器、立式设备顶部下到地面的管道敷设时，应在尽可能靠近设备管嘴处的竖直管上设承重支架。如果竖直管道较长，还应在承重支架的下方设置导向支架。
3.2 固定支架位置的确定
一般情况下，进入界区管道的第一个支架应为固定支架。调节阀组两个支架中的第一个（按介质流入方向）应为固定支架。对于负载管道可用固定点将其划分为几个形状较为简单的管段，如L行管段、U形管段、Z形管段等以便于进行分析计算。确定管道固定点的位置时，使其有利于两个固定点间管道的自然补偿。固定点宜靠近需要限制分支管位移、承受管道振动、冲击荷载或者需要限制管道多方向位移的地方。
3.3 导向支架位置的确定
立式容器、立式设备顶部管道下到地面的竖直管道较长时，为了防止因风荷载、地震、温度变化等引起的管道横向位移，应沿立式容器、立式设备布置的管道设置导向支架。导向支架的间距根据不同的管径、材质和是否保温有所差异。布置在管廊上的管道如果距离较长且中间无固定点和止推支架时，应在中间设置导向支架，防止管道中间位置的横向位移过大。
3.4 限位支架位置的确定
限位支架和导向支架都属于限制性支架，限制性支架是按照设计要求限制管道在某一方向或某些方向上的位移。其中，限位支架用来约束或部分限制管系在支点处某一个方向或某几个方向的位移。在某些情况下可以代替固定支架，如补偿器的两端，装置边界线处的管道固定点等。大刚度的管道由于热胀冷缩的存在，对设备会产生较大的推力，此时在适当的位置设置限制性支架将有利于装置的安全稳定运行。
3.5 防振支架位置的确定
有机械振动的管道应设置防震管卡，防震管卡的设置应根据应力分析的结果确定管卡的数量与位置。常见的需要进行防震设计的管道由往复式压缩机和泵的管道，在进行管道布置时应尽量沿地面敷设。这样有利于管道支撑，一旦在机器运行时放生管道振动问题，能更容易的进一步设置支架和才去减震措施。在设计是应减少管道的弯头数量，以减小激振力的作用。有地震设防要求的管道、可能发生水击、两相流的管道均应在适当的位置设置防震支架。防震设计是应注意管道支架应设置单独的基础，避免引起共振。
3.6 弹簧支架位置的确定
弹簧支架是管道支架中比较特殊的一种形式，一般情况下由专业生产厂制造的组合件，制造要求高，选用也比较复杂。当管道在某处有竖向位移时，如果采用刚性支架会造成管道的脱空或顶死，进而造成相邻支架或设备管口的手气增加，严重的会导致设备的破坏。在这种情况下选用弹簧支架既能允许关系有一低昂的竖向位移，又不会使设备管口的受力增加太多。
四、总结
管道支架的设计涉及多种学科的综合技术。在具体设计时需要充分考虑各个方面的因素，是各种因素相互协调综合后的产物。管道支架的设计与支架基础的设计、支架本身的设计和管道系统应力的分析都息息相关。它承受着管道荷载，限制着管道位移，控制着管道振动，直接影响着整个装置的安全稳定运行。由此可见，管道支架设计在管道设计中起着非常重要的作用。随着石油化工装置的大型化，管道直径的大型化，未来对管道支架设置合理性的要求将越来越高，管道支架设计在未来石油化工装置管道设计中也将起着越来越重要的作用。
参考资料：
1、《压力管道设计及工程实例》宋岢岢 化学工业出版社；
2、《石油化工压力管道设计手册》于浦义 张德姜 唐永进 化学工业出版社；