石油化工管线支吊架的计算分析

王 芙

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266000)

随着现代社会对石化产品种类、质量需求的变化，我国石化行业的发展迅猛，在新建项目不断涌现的同时，对原有的石油化工装置进行改造也越来越多。连接装置、罐区等之间的管廊配套管线也随之升级改造。鉴于改造项目的特殊性，支吊架对管线是否可以安全稳定运行的重要性更为突出。本文首先介绍了管线支吊架的种类，结合工程实例着重阐述了管线挠度的计算对支吊架选用的影响，可为石油化工管线设计提供参考。

1 石油化工管线支吊架简介

在石油化工管线工程的设计中，一般需要利用管线自然补偿的能力，合理设置支吊架位置和选择支吊架类型。按管道支吊架的功能及用途，目前支吊架大致可以分为以下几种类型：

仅考虑管道支撑应力对支吊架的影响,可以分为支架或支吊架、导向架、限位架、固定支架和减震又或者隔振支架；根据支吊架的机械性能则可以分为刚性支架和弹性支架[1]。顾名思义，刚性支架是指在外力的作用下基本没有形变的支架。弹性支架则是指在外力的作用下会产生变形的支架，在与设备管口相连处考虑到沉降的不均匀性，使用较多。

1.1 支吊架的计算分析

在管线设计中尤其是改造工程中，最需要注意的往往是管线的跨度问题。新建项目中由于场地较为空旷，可以依据需要设置管架或者管墩来支撑管线的自重和外载等。改扩建项目中经常受到种种限制，则支吊架的重要性就更为突出了。支吊架的合力运用可以避免产生过量的挠度，在装置内部较为严格，一般将其控制在1.6cm以内，以保证管线的振动频率不低于4次/秒；在装置外部较为宽松，一般将其控制在3.8cm以内，以保证管线的振动频率不低于2.55次/秒。

通常,连续敷设在管墩或者管架上的管道,其允许跨距(L)应按三跨连续梁承受均布荷载的刚度条件计算，然后通过计算该管线的强度对其进行校验，比较其数值大小并取两者中的最小值[1]。

1.1.1 刚度计算

根据上述表述，装置内和装置外的管线跨距应分别根据数学表达式(1-1)和(1-2)进行计算[2]：

(1-1)

(1-2)

式中,L1为由刚度条件决定的装置内管道跨距，m；L1＇为由刚度条件决定的装置外管道跨距，m；Et为管材在设计温度下的弹性模数，MPa；I为扣除了管道的腐蚀裕量之后的断面惯性矩，cm4；q为单位长度管道的质量，kg/m。

1.1.2 强度条件

在不计算管内压力的条件下，管线跨距应根据数学表达式(1-3)进行计算[2]：

(1-3)

式中,L2为按照强度条件计算出来的管道跨距，m；W为扣除了管道的腐蚀裕量之后的断面抗弯模数，cm3； [σ]为管材的许用应力，MPa。

如果考虑到管道内产生的环向应力达到许用应力值，即当轴向应力达到许用应力的一半时，装置内部及外部的管道中，由管道的重量荷载和其它的持续性垂直荷载在管壁中引起的一次轴向应力不应超过改管线额定许用应力的一半，即在 的前提下，管线跨距应根据数学表达式(1-4)进行计算[2]：

(1-4)

式中,[σ]t为管道材质在对应的设计温度下的许用应力，MPa。

1.2 相关参数的计算

断面惯性矩I和断面抗弯模数W应按照下式(1-5)和(1-6)进行计算[3]：

(1-5)

(1-6)

式中,D0为管道内径，mm；Di为管道内径，mm。

2 工程实例分析

2.1 实例简介

某石化炼厂的装置和原料罐区的改造项目，需要新增一条DN100的碳钢管线，经实地查看发现装置至主管廊之间有一条消防道路，路宽6m；有一跨路桁架连接装置与主管廊，桁架为单层。管架-1和管架-2间距为10m，目前跨路桁架已经布满管线，余下空间不满足此管线的铺设条件。桁架北侧边缘位置敷设有电缆槽盒，北侧外围无法在满足间距要求的情况架设三角支架以支撑此管线。桁架南侧已有三角支撑且其上已敷设有DN300的原料管线。管架-1和管架-2之间虽有侧梁连接，但却无法作为生根构件放置支架，管线本身的跨距却又不足。原有三角支架的长度也不满足将DN100管线增径的方案。只能借助原有的DN300管线设置邻管支架，以提供必要支撑供新增DN100管线跨过道路，详见图1。但DN300的管线是否可以在保证自身安全的条件下给新增管线提供支撑却需要核算。

图1 工程实例图

2.2 理论模型

2.2.1 无外力时管道受力模型

此工程实例中鉴于客观条件所限，无法在原钢结构梁上增设支吊架。通过分析认为，此次新增跨路架空敷设的管线，可以看成为管架-1和管架-2两端受弹性支撑的梁结构，此种简化的力学模型称为变形梁模型[4]。如图1中所示，A、B为横梁的两个端点的支承点，q为单位面积上的承受的均布荷载，包括管线自身重量和介质重量等，方向一般为竖直方向[5]，模型详见图2所示。

图2 无外力时管道受力模型

2.2.2 仅受外力时管道受力模型

在原DN300管线上增设的邻管支架，放置于管架-1和管架-2连线的中点C的位置，此受力情况可将模型简化[5]，详见图3所示。

图3 仅受外力时管道受力模型

2.2.3 拟合受力模型

管线受到自身均布荷载q和施加于横梁中心点的集中载荷F的交叉作用影响，将上述两种受力情形下的中点挠度的数值相叠加(应注意作用力方向不同，引起的管线形变方向的不同。)，变得到二者共同作用时所产生的挠度值[5]，此情形下的模型详见图4所示。

图4 管道受力拟合模型

2.3 模型数学化

2.3.1 无外力时管道受力模型数学表达式

此情形下的数学表达式[6]如(2-1)所示：

(2-1)

式中，w1表示管线在本身重量下(包括介质重量等)的均布荷载q作用之下产生的挠度。

2.3.2 仅受外力时管道受力模型数学表达式

此情形下的数学表达式[6]如(2-2)所示：

(2-2)

式中，w2表示管线在集中荷载F作用之下产生的挠度。

2.3.3 拟合受力模型数学表达式

根据上述分析可以得出合力共同作用下管线的挠度数学表达式[6]，如(2-3)、(2-4)所示：

外力垂直向上时w=w1-w2

(2-3)

外力垂直向下时w=w1+w2

(2-4)

3 计算与分析

因原有的DN300管线提供了垂直向上的力F支撑新增DN100的管线，故其本身受到垂直向下的外力通过观察式(2-4)可知，其挠度较未受外力作用时增大。因新增DN100的管线受到垂直向上的外力F，通过式(2-3)可知，其挠度较未受外力作用时减小。

取Fmax代入第2章节数学表达式中进行核算，原有DN300管线的挠度小于3.8cm，满足安全运行要求，则上述方案是可行的。

4 结束语

但本文在拟合自身荷载与外力共同作用下管线挠度的计算公式时，采用的外力数值较实际情况仍偏大，需要对此进行更进一步的研究，以便后续工作中在保证设计产品安全的同时使工程建设成本进一步降低。