压滤工序管架设计浅析

贾 彪

（唐山三友化工工程设计有限公司，河北 唐山 063305）

氨碱法纯碱生产过程中，产生大量的废渣液，排放量约9～13m3／t碱。传统的做法是建设碱渣排放场，将废渣液集中储存，不但占用大量的用地，同时也容易对环境造成不良影响。我公司新增压滤工序是“三废资源综合利用模式”的主要工程，对生产过程中产生的废渣液进行科学处理，综合利用。该工程利用原有氧化塘用地建设，独立于我公司主厂区以外，与主厂区相距较远。该工序将纯碱装置产生的蒸馏废液、盐水精制工序产生的盐泥等废渣液做为生产原料，利用压滤工艺处理后，将分离后得到的产品根据特性分别予以利用。在压滤工序生产中所需的原料，如蒸馏废液、盐泥，生产过程中所需的水、蒸汽及各种物料均需通过管道输送到本项目区。生产产生的滤液与澄清桶清液一起收集作为清废液，通过管道送往盐场晒盐或供给氯化钙生产企业提取氯化钙，盐泥滤液则通过管道送回纯碱厂盐水车间作为化盐水循环利用。在厂区中各类管道就像人体中的血管联系着各个重要的装置，把它们组成一体，共同生产。而管架作为各类管道的支承结构，保证了各种管道的稳定运行，可见管架是厂区的一个重要组成部分，它的设计就变得尤为重要，需要进行细致的分类和计算。

1 管架分类

管架根据管道工艺要求和受热后变形的特点可分为固定管架和活动管架；根据结构形式可分为独立式管架、管廊式管架、吊索式管架、跨越式管架及特种管架；根据结构特性可分为刚性管架、柔性管架、半铰接管架、双向活动管架、振动管架、托吊架等；根据管架材料可分为钢筋混凝土管架、钢结构管架及钢筋混凝土与钢结构组合管架。随着科技的进步，规范的完善，对管架的设计要求也越来越高。压滤工序所使用的管架种类繁多，固定管架采用空间刚架形式，活动管架采用了刚性管架和柔性管架两种形式。因为压滤工序生产过程中的盐泥等物料存在大量的Cl－，并且生产环境湿度很大，对钢结构及钢筋混凝土结构中的钢筋有很强的腐蚀性，考虑到结构耐久性设计要求，除跨路桁架和位于墙上的三角托架采用钢结构外，其余管架均为钢筋混凝土结构。管架的安全等级一般为二级，无一级管架（支承输送高度有害和易发生灾害介质的管道的管架为一级），管架抗震设防类别为丙类，钢筋混凝土管架固定管架抗震等级为三级，活动管架为四级。

2 管架设计

2.1 管架设计依据

进行管架设计前所必需的资料有：工艺资料、地质资料、气象资料及地震资料等，其中工艺资料包括管线或管架平面布置图、必要的管线横断面图及纵断面图、管道荷载（管道重量、介质重量、管道壁的最高最低计算温度、固定管架上管道水平推力、作用方向及其他荷载）及其他管道资料。根据资料、管架特点及设计原则制定合理设计方案进行设计。

2.2 管架荷载

管架荷载包括垂直荷载、水平荷载及特殊荷载。

对于管道直径大于300mm的管道，应考虑一般不超过0.3kN／m2的积灰荷载。寒冷地区，当管壁温度在0℃以下应考虑冰雪荷载Sk＝μrS0d。水平荷载风荷载计算ωk＝μsμzω0dld。并不是所有管架都需要进行水平推力计算，当所有支承的管道符合下列条件之一时，管道的水平推力可不计算：1）常温管道，介质温度不超过40℃；2）管道根数在10根以上，介质的最高温度不超过130℃；3）主要热管的重量与全部管道重量的比值不超过0.15。中间管道分为刚性中间管道和柔性中间管道分别计算水平推力。管道与管架之间具有相互制约的作用，管道对管架除荷载作用外，还应考虑对管架的约束作用。

设计管架结构时，应进行荷载组合，并取其最不利组合进行管架结构设计。

2.3 管架计算

2.3.1 梁柱计算

不同管架的结构特征决定了不同管架的计算模型和方法。活动管架一般为独立式管架，基本假定为：按单片平面管架进行内力分析，梁柱连接为刚接，柱与基础连接为固接；半铰接管架基本假定为：按单片平面管架进行内力分析，梁柱连接为刚接，柱与基础纵向连接为半铰接，横向连接为固接；固定管架基本假定为：固定管架通常采用四柱式钢筋混凝土结构，梁柱连接为刚接，柱与基础连接为固接，通常按单片平面框架进行内力分析等。下面以压滤工序某刚性管架为例。

设计资料：双层H型钢筋混凝土管架，混凝土强度C30，下层高度3 000mm，上层高度1 500 mm，平面内宽度3 000mm，根据计算高度和长细比限制假定柱截面400×400mm，梁截面300×400 mm。管道荷载按照均布荷载进行考虑，上层梁均布荷载q1＝7 632N／m，下层梁均布荷载q2＝5 675 N／m，上层主动管质量9 000N，工艺专业提交变形△Z＝50mm，下层主动管质量4 800N。基本风压ω0＝0.4kN／m2。风荷载设计值及平面内内力已完成计算，需进行结构特征判别及管架平面外内力分析。

图1 荷载简图

结构特征判别：

管架位移反弹力pf＝3ECI△／H3，其中C30混凝土EC＝3.0×104N／mm2，α＝主动管质量／全部管线质量＝9 000／（7 632×3＋5 675×3）＝0.23。根据α查表得Kq＝0.33，△＝Kq△Z＝0.33×50＝16.5mm，I＝ （400×4003）／12，经 计 算 pf＝117 333N。

管架摩擦力pm＝pf上＋pf下＝3 954N

pm／pf＝0.034＜1，属于刚性管架。

平面外内力计算：

梁（下）：水平弯矩设计值为 My＝ωl2／8＝630×1.2×32／8＝850.5N·m

水平剪力设计值为Vy＝630×1.2×3／2＝1 134N

梁（上）：水平弯矩设计值为 My＝ωl2／8＝984×1.2×32／8＝1 328.4N·m

水平剪力设计值为Vy＝984×1.2×3／2＝1 771.2N

柱弯矩设计值为：My＝756×1.2×3×4.5／2＋562×1.2×3×3.0／2＝9 158.4N·m

剪力设计值为：V＝756×1.2×3／2＋562×1.2×3／2＝2 372.4N

2.3.2 基础设计

管架基础一般采用独立式钢筋混凝土基础。基础埋深需在冰冻线以下，且不得小于700mm。当存在相邻建筑物时，应考虑对相邻建筑物的影响。管架基础的埋深不应大于原有建筑基础埋深，当埋深大于原有基础时，两基础应保持一定净距，数值应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况而定，一般应符合△H／ι≤0.5～1.0（△H 为相邻建筑物基础底面标高之差，ι为相邻两建筑物基础边缘的最小距离）。如不能满足要求需采取临时加固等施工措施，或加固原有建筑物基础。地基承载力特征值可由荷载试验或其它原位测试、公式计算，并结合工程实践经验等方法综合确定，当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5m时，从荷载试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值还应进行修正。管架基础一般为双偏心受压构件，当基础偏心距超出基础核心范围时，基础与地基土之间便出现了部分脱离，因此应根据受压区的实际图形计算基底压力，当按地基承载力确定基础底面积和埋深时，传至基础底面上的荷载效应，应按正常使用极限状态下的荷载效应组合考虑。

在基础设计过程中同样需要进行结构耐久性设计。根据压滤工序场地水质分析资料可知，本场地地下水位年变幅2.00m左右，地下水对混凝土结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替下有强腐蚀。根据GB50046－2008《工业建筑防腐蚀设计规范》的要求，基础与垫层应做好防护。

2.4 管架设计的构造要求及注意问题

厂区里各种管架都有其不同的设计特点构造要求。装置区内经常会见到因管架间距大，管道自身无法跨越而设计的管廊式管架。柱距9～15m宜设置纵梁式，柱距12～24m宜设置桁架式。全钢结构或纵梁、桁架采用钢结构，柱采用钢筋混凝土结构时，不宜大于120m设置伸缩缝，全钢筋混凝土结构时不宜大于70m设置伸缩缝。伸缩缝宜采用双柱，当采用单柱时纵梁应设置可靠的滑动支座和滚动支座，设置椭圆孔。当柱距大于9m时，管架两侧的纵梁应在上翼缘设置纵向的水平支撑，桁架上下弦均应设置水平支撑。每个温度区段两端设置柱间支撑，承受管线的不平衡水平推力，柱间支撑与柱连接应采用高强螺栓或普通螺栓加焊接。节点连接一般采用焊接形式。

沿着建筑物或构筑物表面敷设的管道下我们常见的小管架是托架，主要有两种形式：悬臂托架和三角托架。这种管架上的管道数量一般不会很多。托架边缘与管道焊缝的间距不应小于50mm，与需要热处理的管道焊缝的间距不应小于100mm。应对固定端部所利用的原有建筑物或构筑物进行强度和稳定性验算。

3 结 语

大部分管架处在露天环境，常年经受风吹日晒雨淋，因此应及时做好管架的防腐及维护工作。对于损坏严重的管架应及时进行更换或加固，才可以保证生产的安全。随着科技的发展，规范的完善，管架设计从方案的制定到施工图纸的完成，都将得到更好的规划与实施，这会使厂区的管架更加实用、经济、美观，结构更加合理，能够更长久的为生产服务，同时也将会成为厂区的又一亮点。

［1］ SH／T 3055－2007，石油化工管架设计规范［S］

［2］ GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］

［3］ GB50007－2011，建筑地基基础设计规范［S］