石油化工外管架设计要点简析

臧连运，郑 勇，王振书

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

石油化工外管架设计要点简析

臧连运，郑 勇，王振书

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

介绍了管架荷载的分类，对石油化工行业管架设计过程中的荷载推力进行了计算和分析，并结合实际工程经验的做法，提出了系统管架设计中应注意的事项，旨在对相关的工程设计提供参考。

管架；荷载；水平推力；计算

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.008

在石油化工厂区内，管道及管架是整个厂区的血脉，联系着全厂工序和生产装置。对于目前日趋大型化的石油化工厂设计，管架设计具有严格的规范性和技术性。笔者结合多个石油化工项目外管管道和外管架设计及现场管理经历，分析了一些外管架荷载、推力等方面的设计要点，在此提出来探讨，并从管道设计、管架设计整体考虑，做到经济、合理、安全。

1 管架荷载的分类

1.1 管架荷载

管架荷载可分以下几类[1，2]：①永久荷载(恒荷载)——在管架结构使用期间，其值保持不变，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载，如隔热材料荷载、管道荷载、管件及其他管道特殊件荷载等；②变化荷载(活荷载)——在管架结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值相比不可以忽略的荷载，如管道输送介质的重力、水压试验或管路清理时的介质重力、雪荷载、风荷载等；③偶然荷载——在管架使用期间只偶然出现，荷载值较大、持续时间较短。这类荷载通常是动荷载，如管内流体动量瞬间突变(如流体锤)引起的瞬态作用力、地震荷载等。

管道设计人员在以上荷载的基础上附加一定比例(通常是20%)提给结构专业作为计算荷载，该附加量通常包括管道壁厚的误差、保温材料密度的误差、热膨胀引起的荷载变化、管托支架等质量。该附加系数亦可参照SH/T3055—2007《石油化工管架设计规范》6.6中荷载分项系数。SH/T3073—2004《石油化工管道支吊架设计规范》附录C提供了每榀管架荷载的详细计算方法，可供设计人员参考。

考虑厂区及管架的改、扩建，管道设计人员通常要考虑一定的管架预留，预留应控制在可预见的合理范围内，当预留管道无法确定时，可参考SH/T3055—2007《石油化工管架设计规范》[3]6.1.2的计算方法。预留管道荷载和预留空间都不易过大，通常外管架预留约20%，装置内管架预留约10%，若预留荷载及空间太大，会形成较大的空间浪费和钢结构的经济投入，而且会影响牵制系数的计算，计算得出的牵制系数偏小，从而影响管架结构的推力计算。

1.2 荷载转移

跨越管架和相邻第一个低管架、相邻高低跨管架由于水锤作用、管道竖向的收缩和膨胀作用，高低两个管架承受的竖向荷载比正常情况下的大很多，因此在计算荷载时，还需要在1.1节的方法基础上乘以增大系数(通常取1.5)，以反映荷载的转移问题。水平方向转弯的管架可参照此条，距离转弯角较近的几榀管架的水平推力应乘以相应的放大系数。

1.3 一些特殊管道的荷载计算

目前在大型化工、石化项目的管道施工验收中，为了保证施压安全，在没有特殊要求的情况下，一般采用水压试验。但当管架上出现某些大口径气体管道，且该大口径气体管道的充水荷载直接影响管架的结构设计时，若配管专业在提结构荷载时，全部按充水压力试验，则管架结构设计的经济性是不合适的。以中国五环工程有限公司设计的某120万t/a精细化学品项目为例，外管管架上的火炬排放气管道、CO2尾气排放气等管道，管径均在DN1 400～DN2 600之间，充水线荷载约3.5t/m，且在管架上敷设距离较长(约2.5km)，若施工验收时采用水压试验，管架结构荷载较大，会增加钢结构的投资费用，同时增加施工耗水量。

根据GB50235—2010《工业金属管道工程施工规范》[4]中8.6.1条及8.6.2条中的相关规定，经设计单位和建设单位同意，符合条件的管道也可采用气压试验，或对所有环向、纵向对接焊缝和螺旋焊焊缝应进行100%射线检测或100%超声检测代替水压试验(具体详见GB50235—2010 《工业金属管道工程施工规范》8.6.2条)，故经建设单位同意，在管架设计阶段，上文提到的大口径气体管道未考虑充水荷载，从而大大地降低了管架结构的经济投资。

2 管架的水平推力

管架的水平推力主要包括管道热胀冷缩所产生的推力及管内流体动量瞬间时突变(如流体锤)引起的瞬态作用力。根据管架与管道(管托)之间的连接形式及相对位移关系，即管道在管架上的支撑条件，管架通常可分为活动管架和固定管架。

2.1 中间管架类型的判断

管道热胀冷缩会产生管道位移，但由于管架柱刚度的不同、管架柱位移量与管道位移量的不同，中间活动管架分为刚性中间管架和柔性中间管架。结构设计中考虑结构成本及安全性，管道位移量较大，且管架高度较低时，通常采用刚性中间管架；反之，通常采用柔性中间管架。刚性中间管架和柔性中间管架判别依据如下：

Fuk≥Fgk为刚性中间管架，Fuk

Fuk为等效水平推力，kN；Fgk为轴向水平推力，kN。目前国内大型石油化工项目中，管架荷载量大、热管温度高、位移量大，多采用刚性管架。

2.2 刚性中间管架水平推力标准值计算

2.2.1 基本计算公式[3]

(1)

式中，Kj为牵制系数；Gk为正常工况时管道竖向荷载作用于横梁的标准值总和，kN；μj为摩擦系数，钢与钢滑动接触时，摩擦系数取0.3，钢与混凝土的摩擦系数取0.6。

2.2.2 牵制系数

管道与活动管架之间因存在摩擦力而互相牵制，不同操作温度的管道及不同工况下各管道的水平推力也通过管架相互牵制。牵制系数Kj的引入是用于综合反应管束整体作用于管架上的水平推力的大小。牵制系数Kj按下列原则取值[3]：①当管道数量n<3时，Kj=1.0；②当管道数量n=3时，当α<0.5时，Kj=0.5；当α>0.7时，Kj=1.0；当0.5≤α≤0.7时，用插值；③当管道数量n≥4时，当α≥0.8时，Kj=1.0；当α<0.6时，Kj=0.5-(0.6-α)1.8；当0.6≤α<0.8时，用插值；④当管道数量Kj<0.2时，Kj取值0.2。

在实际工程计算中，为了避免插值计算，亦可按下列方法取值：①管架上支撑1～2根管道时，Kj=1.0；②管架上支撑3根管道时，Kj按表1选用[5]；③管架上敷设的管道多于4根时，Kj按图1选用[5]。

表1 管架上敷设有3根管道时的牵制系数

图1 n≥4 管道水平推力牵制系数注为牵制系数。

另外关于α的取值，实际工程中还应注意以下几个方面。

(1)当计算所在层上热力管线不止1根，且无法判定主要热力管道时，应每根热力管道分别计算α值，选较大值者。

(2) 梁构件设计计算时，只考虑该梁构件上全部管道荷载，选取其中的一根主要热管计算α值。

(3)在管架柱和基础的设计计算中,当管架上部结构中相邻层间距较小时，管架结构自身及管道之间具有较强的牵制作用，水平推力计算时应考虑管架上的全部管道的竖向荷载，比较分析各层中的热力管道，选取其中起主要作用的一根计算α值，管架的水平推力作用点取该热力管道所在层。

主要热管道所在层与相邻层间距较大时，管架上部结构中各层间牵制作用减弱，牵制系数Kj应适当加大；当管架较高层有大口径管道，且与主要热管道不在同一层时，该大口径管道层应单独计算水平推力。

2.2.3 常温管道水平推力取值

按相关规范，活动管架上管道符合下列条件之一者，计算管架水平推力值时可不考虑[3]：①介质的温度≤40℃的常温管道；②管道根数在10根以上，且介质的最高温度(温度应包括扫线时的温度)Tmax≤130℃ ；③主要热管重量与全部管道重量的比值α≤0.15。

但是随着目前石化项目向大型化发展，管架上的架空管道口径也在逐渐增大，部分大口径常温管道的水平推力也是不可忽视的。如在内蒙古杭锦旗一个大型石油化工设计项目中，1根DN2 600的常温CO2尾气管道敷设于管架顶层，由于管道口径及刚性较大，且敷设距离较长，在应力计算时考虑-20℃～40℃的环境温差，管道的水平推力最大处可达50kN，不可忽略，且对顶层的管架结构设计起到了决定性作用。为了减小钢结构投资，该管道部分管托采用不锈钢对聚四氟乙烯板，减小滑动管托摩擦力，有效减小了管道水平推力。

2.2.4 管道的振动荷载及推力

管架上的振动设备进出口管道及其他振动管道，如直径≥200mm的蒸汽管道、高压锅炉给水管道等，管道专业在提结构条件的时候，应该明确向结构专业指出，并在垂直荷载上乘以一定的动力系数(通常取1.1～1.3)，并以此计算管道水平推力。但是一些特殊管道(如下文介绍的可燃性气体排放管线)，配管专业按事故状态提供荷载推力值时，荷载推力不再乘以动力系数。结构专业应按管道专业提出的振动管道位置及荷载推力考虑钢结构构造上的梁柱节点接焊缝位置。

2.2.5 每一榀管架水平推力的取值

考虑到工程的建设进度、开车顺序等原因，管架上的水平推力可能出现某先投用的主要热力管道推力值为管架投用最大值的情况，每一榀管架水平推力的取值还需要比较按(1)式计算出来的水平推力与该管架横梁上主要热力管线的热应力水平推力，取较大值[6]。

2.3 固定管架

2.3.1 固定管架的水平推力

由于管架上输送的管道介质温度较高或环境温度的变化，长距离管道会因热胀冷缩产生位移，为了限制管道位移，保障管束整体运行安全，通常每隔一定距离设置固定管架和补偿器。管道补偿器的弹力和中间活动管架的摩擦反力是构成固定管架水平推力的主要部分。

管道补偿器弹力由管道应力专业根据管道走向、补偿器安装位置、补偿器类型、管道介质属性等计算得到。为了管网系统和管架结构运行的稳定性，管架上常用Π形补偿器，并尽量沿固定管架对称布置，以便管道系统在稳定运行时，管道固定支架两侧推力能抵消一部分，从而增强管架安全性。但是考虑到苛刻工况及管道运行的不确定性，如施工阶段的管道投用顺序、蒸汽吹扫预热及其他施工工况时推力产生的不对称性，固定架两侧的推力值不宜进行矢量累加，在实际工程设计中往往是进行绝对值累加，不考虑推力的方向性。

在纵梁式管架设计过程中，管道专业应提供给结构专业每一榀管架的荷载及水平推力，即包括固定支架的水平推力和中间活动管架的水平推力。结构专业在进行结构建模时，往往会把中间活动管架的水平推力再累加到热力管道补偿器两边的固定管架上进行固定管架的结构设计，其实这是没有必要的。在管道应力专业的计算模型中(如CAESAR等)，计算程序已经将中间活动支架的水平推力累加到固定点上并给出应力报告。

在SH/T3055—2007[3]《石油化工管架设计规范》7.2.4节中规定，管架柱间支撑不平衡力标准值按下式计算：

(2)

其中，Nnck为固定管架处承受的两侧不平衡纵向力标准值，即水平推力；Nkmax为固定管架两侧纵梁中承受水平拉力标准值的较大值；Nkmin为固定管架两侧纵梁中承受水平拉力标准值的较小值。

Nkmax、Nkmin为固定管架两侧管架纵梁的纵向拉力，按该规范7.2.3计算时，已包含该侧所有中间活动刚性管架处的摩擦力和管道膨胀节的弹性力、管道介质产生的压力等，并已考虑牵制系数。

当管架结构模型按温度区段区分，且固定管架的水平推力严格按规范要求计算，在计算纵梁式管架的纵向整体结构时，只有固定管架(或柱间支撑)处有推力，其他中间活动刚性管架处的摩擦力已考虑在固定管架的推力计算中，故管架纵向整体模型输入时仅需输入固定管架(或柱间支撑)处的推力，不应再次输入各活动刚性管架的纵向推力。整体计算时只考虑固定管架的推力，活动管架的推力只是用来算构件。当一段管架中温度区段无法准确分辨时，可输入固定管架水平推力的各分项力。

2.3.2 可燃性气体排放管线固定管架的水平推力

根据国内外工程实践经验，管道及管架的破坏事故主要是由管道内的气液(冷凝液)两相流的冲击造成的，且该冲击的方向和数值多变，很难在设计过程中通过软件程序模拟计算得到，SH3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》[7]为保证全厂可燃性气体排放管线的安全可靠，避免凝结液破坏膨胀节，要求新建的工程管道应采用自然补偿，扩建、改建工程管道宜采用自然补偿，且对于有凝结液的可燃性气体排放管道对固定管架的水平推力取值，规定不应小于表2数值。当同一个固定管架上敷设有不止1根可燃性气体排放管时，该固定管架的水平推力不应按表2的推力值进行叠加，管道专业应该按照集中荷载的形式，把每个可燃性气体排放管的敷设点按表2所示的推力值单独提条件给结构专业，结构专业分别计算，按最不利情况设计管架结构。另外，管道专业在计算管道应力时，可燃性气体排放管线的热应力推力值应尽量不超过表3的数值的50%，若超过，则需要在表2推力值的基础上再附加应力计算值。管道专业应合理布置管道走向，尽量减小固定管架的热应力推力值。

表2 固定管架水平推力

3 结语

在工程设计中，管架设计特别是管架荷载和水平推力的计算，需参照国家、行业等标准规范，同时还应结合工程实际，考虑主要热力管线和其他特殊管线的实际布置情况及可能出现的各种工况。配管设计人员和结构设计人员应当进行有效充分的信息沟通和反馈，合理设定管架的温度区段范围[8]以及固定管架的位置，兼顾总图、电气、仪表等相关专业的要求，最终完成经济合理、安全牢靠的管架设计。

[1] SH/T3073—2004，石油化工管道支吊架设计规范[S].

[2]Mohinder L.Nayyar，Piping Handbook [M]，7th edition，McGraw-Hill，B215-B218.

[3] SH/T3055-2007，石油化工管架设计规范[S].

[4] GB50235-2010，工业金属管道工程施工规范[S].

[5] HG/T20670-2000，化工、石油化工管架、管墩设计规定[S].

[6] 郑勇.管道在管廊上的水平推力若干问题[J].石油和化工设备，2014(12)：8-10.

[7] SH3009-2013，石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].

[8] 潘沣.化工外管架选型及设计要点的探讨[J].化工设计，2010(20)：13-17.

Analysis of the Main Design Points of Outer Pipe Rack in Petrochemical Industry

ZANG Lian-yun，ZHENG Yong，WANG Zhen-shu

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

This paper introduces the classification of pipe rack load，calculating and analyzing the load thrust in the pipe design of the petroleum chemical industry.Combined with the practical engineering experience，this paper puts forward some precautions in the design of pipe rack system as reference for the relevant engineering designs.

pipe rack；load；horizontal thrust；calculation

臧连运(1984年—)，男，安徽六安人，2010年毕业于南京工业大学化学工艺专业，硕士，工程师，现主要从事管道设计工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.008

TQ050.0

B

1004-8901(2017)01-0033-04