管廊式管架设计心得及对其受力的分析和探讨

孙 超 吕秀平

(1.北京众联盛化工工程有限公司，山西太原 030006;2.中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原 030001)

随着我国石油化工建设的迅速发展，生产装置规模扩大，管架设计工作越来越多。在化工和石油化工企业内，管架是支承全厂工艺生产装置和供热系统管道的主要结构，它联系着全厂每个生产装置。一个大型石油化工厂管架多达500个以上，因此合理、经济、美观的管架设计就显得尤其重要。

1 管架的定义

管架是支撑架空设置的管道系统中除管道外的全部结构的总称。

2 管架的分类

1)按管道在管架上的支承条件可分为:固定管架和活动管架两种。活动管架又分为刚性、柔性和铰接三种。2)按支撑管线高度不同分为:低管架、中管架和高管架。3)按外形分为:T形，П形，A形，单层，双层和多层，单榀框架式或组合立体框架式。4)按纵向联系结构分为:纵梁式，桁架式，吊索式等。工艺外管架中，因其管线上支线多，小管径的管道数量多，且考虑到将来有可能扩建的需要，故常采用管廊式管架。

3 管廊式管架设计特点和受力分析

3.1 设计特点

1)管廊式管架是在相邻的独立式管架间设置纵向联系构件，如纵梁或桁架，构成空间体系的结构，它分为纵梁式或桁架式管架。2)伸缩缝间距与布置:全钢结构或纵梁采用钢结构，柱采用钢筋混凝土结构时不大于120 m，全钢筋混凝土时不大于70 m;应尽可能设置在补偿器附近。3)管廊宜在每个温度区段两端设置纵向柱间支撑。4)桁架式管架的桁架上弦宜设置交叉形水平支撑，下弦宜在管架柱距左右两侧横梁区域内设置交叉形水平支撑。5)管廊式钢管架，其节点连接一般采用焊接形式，可先用安装螺栓临时固定，再行施焊，梁柱节点优先考虑设计成刚接节点。6)跨马路的净距要求:主马路不小于5 m，一般马路不小于4.5 m。7)构件的允许挠度:钢横梁L/250(L为计算跨度)，钢纵梁L/400，钢桁架L/500。8)纵梁采用H型钢或蜂窝型钢梁;纵梁或桁架与支柱的连接为铰接。9)桁架的支座斜杆为升杆，即为压杆，以减小支柱的计算长度。10)管架设计要考虑投产后的生产技术改造，增设各种管道，应考虑设计余量1.1～1.3。11)处于严重腐蚀介质生产装置内的钢管架、钢桁架的钢材和焊缝应乘以腐蚀折减系数 0.85。

3.2 受力分析

每个温度区段为一个计算单元，每个计算单元内所承受的荷载有:1)垂直荷载:永久荷载(管道、附件、保温层、防火层、介质、仪表、电缆、平台、走道板自重);活荷载(2 kN/m2);充水试验重;积灰荷载;2)风荷载:Wk=μsμzω0dld(含管道和管架风荷载);3)冰雪荷载:(寒冷地区管壁温度在0℃以下)Sk=μrs0d;4)管道水平推力:由于管架设计中水平推力的确定尤其重要而且也比较复杂，所以下面具体探讨一下管道水平推力的确定。

4 管廊式管架水平推力的分析和探讨

纵梁式管架的管线的水平推力通过横梁传给纵梁，纵梁的不平衡力由柱间支撑承受，管架柱一般不承受水平推力。

4.1 中间管架水平推力的确定

中间管架由于柱刚度不同可分为:

Fm＞Ff为柔性中间管架;

Fm≤Ff为刚性中间管架。

Fm=KjGlμ'(作用在刚性中间管架上由于管道膨胀产生的摩擦力);

qm=Fm/L(均布在刚性中间管架横梁上的水平力);

Ff=n(钢筋混凝土);

Ff=n(钢结构)(柔性中间管架由于柱顶变位产生的弹性力);

qf=Ff/L(均布在柔性中间管架横梁上的水平力)。

4.2 固定管架横梁上水平推力值

1)管道补偿器的弹性力标准值∑Fb;

2)关闭阀门时由介质产生的内压力标准值∑Fn;

我公司在设计管架时由外管专业考虑了牵制系数 kj，∑Fb(管道补偿器的弹性力)，∑Fn(关闭阀门时由介质产生的内压力)等因素，提出了对每个管架的作用力。

我们土建专业根据这些条件对管架受力进行分析，确定计算简图，进行结构设计，下面简述固定管架上管道水平推力确定的原理。

4.3 固定管架上管道水平推力的确定

图1为一个温度区段内的管道布置图，该段管架不考虑关闭阀门时由介质产生的内压力FN。

取管架A～L为研究对象，假设中间管架为刚性管架，管道受热膨胀后变形至虚线位置，这时产生两种力，一种是管道补偿器的弹性力即Fb1，Fb2;另一种是管道变形时在中间管架上产生的摩擦力的反力即Fmi。这段管道内无阀门、弯管及盲板等，因此，固定管架E上的管道水平推力F就等于Fb与Fm的合力。由图1可以看出，固定管架E两侧的Fb与Fm方向相反。因此:

图1 一个温度区段内的管道布置图

在《化工、石油化工管架、管墩设计规定》附录中考虑不平衡系数、结构可靠度等因素给出的公式是:

这说明固定管架上的管道水平推力并不是将外管专业提出的该计算单元内的水平力的简单叠加，而是经过分析后将固定管架两侧的中间管架上的水平力相互抵消后的力。

下面通过一个具体工程实例介绍一下:图2为管架中的一段，管架D3～D9是两个补偿器之间的一段管架，作为一个温度区段，D6为固定管架，将工艺提出的水平荷载加上去后计算简图见图3。

图2 管架中段图

综合考虑到其他荷载后，管架D6计算结果见图4。

其中优化结果包括对管道水平推力计算的改进、柱计算长度允许长细比的改进、地区属于7度区且符合可不进行抗震验算等因素。

图3 计算简图

图4 管架D6计算结果图

从以上分析可以看出管架水平推力的精确计算确实是在整个管架系统的计算中起很重要的作用，同时在工程造价方面和整个厂区的美观方面也有不容忽视的作用。

5 结语

管架设计要力求技术先进，安全适用，经济合理，美观大方，节约能源。一套好的管架布置方案应该是工艺、土建和总图专业共同商定，在满足管道工艺安装要求，躲避拟扩建预留场地，尽可能减少与公路、铁路、河道等的交叉等要求的同时，尽量达到各个管道联合起来对管架牵制作用最大的效果。

［1］HG-T 20670-2000，化工、石油化工管架、管墩设计规定［S］.

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