中间柱式管道支架设计方法研究

王璞璇

（航天环境工程有限公司，天津 300301）

管道敷设可分为地面以上和地面以下两大类，地面以下敷设即直埋敷设和地沟敷设，地面以上敷设即通常所说的架空敷设。架空敷设具有便于施工、操作、维修以及较为经济的特点，是管道敷设的主要方式。按照支撑结构高度的不同，架空敷设分为低支架敷设、中支架敷设和高支架敷设。管道支架系统设计对能否实现管道敷设的安全可靠性、经济性和使用寿命等方面的优化设计起到重要作用。管道支架根据结构特点可分为独立式管道支架和组合式管道支架。独立式管道支架包括固定支架、刚性管道支架、柔性管道支架、半铰接管道支架、双向活动管道支架（摇摆管道支架）；独立式管道支架按外形分有单层T型、单层门型、双层、双层H型以及平面、空间、塔架等形式，如图1所示。组合式管道支架，为减少管道支架数量、加大管道支架之间距而采用纵粱式、桁架式、拉杆式、悬索式、吊索式等联系结构把各自的独立的管道支架联系起来，形成一个支承管道的管道支架系统，如图2所示。工程中一般根据厂区的地形图、构选型，同时对目前工业管道重遇到的相似设计提供理论计算方法依据，有助于确保工程设计的可靠性。

1 管道支架结构选型设计

管道支架设计需要结合管道的管道运行后的受力状态、输送介质的温度、工作压力、管材的线膨胀系数等实况现象，同时考虑钢材耗量和制作安装的成本，确定出管架安装的实际位置、管架结构、管架类型等设计方案。一般利用管道自身刚度，将各自独立的管道支架联接起来的管道支架系统，作柱式管道支架。该工程中管架结构材料梁与柱为钢结构材料，自然条件为室内管道，无风荷载，无地下水。

1.1 荷载计算

管道荷载分为垂直荷载及水平荷载，该次设计支撑的是输送到设备中的管道。管路与设备位置关系示意图如图3所示。

图1 独立式管架

图2 组合式管架

（1）垂直荷载计算。垂直荷载分为永久荷载和可总平面图布置图、水文地质资料、气象条件、地下电缆、给排水管道、热力管道及动力管道等资料通过管道敷设方式规划出管道系统布置图，管架是管道的支承结构，因此管道支架的正确设计是管道实现功能的保障。

图3 管路与设备位置关系三维示意图

文章以某工程实况中的脱硫废水来水管道处的支架设置为例，通过管道荷载受力分析计算，给出了一种在满足管道系统整体稳定性要求下的单柱管架结构选型设计方案，通过该设计方案实现了管道支架位置选取和结变荷载。永久荷载分为管道、内衬、保温层、管道附件重，管道内介质重，管架自重；可变荷载分为平台上活动荷载，挂内沉积物、试压水重，积灰荷载，冰雪荷载。该工程垂直荷载计算结果如表1所示。表1中：①管道附件包括3个90°弯头、8个板式平焊钢制法兰、8个六角螺栓带螺母。单个90°弯头质量取0.39kg，此重量未考虑衬胶重量[1]；单个板式平焊钢制法兰质量取2.5kg[2]；单个六角螺栓带螺母重量取0.156kg。②管内介质为脱硫废水，浆液密度一般控制在1017～1150kg/m[3]。该次校核按照最大密度计算介质重量。③可变荷载实况只存在试压水重，采用了工艺水进行试压，水重为4.72kg。④横梁为槽钢10号，截面面积为12.748cm[4]。

式中：ρ为管道重输送介质密度；Q为管道中的介质流量；∑F为作用在总流上所有外力的合力。

总流的动量方程在径向方向（x）和轴向方向（y）上的投影分别如下：

式中：Q=10m3/h；β1、β2为动量修正系数，即实际动量与按断面平均流速计算的动量的比值，其值大

表1 管道垂直荷载标准值统计

（2）水平荷载计算。管道作用于管架上的水平推力，是由于管道热变形引起的。活动管架承受水平推力的大小同其结构形式有关，如管架能适应管道的热要求而位移，则受力较小，不适应管道热变形要求则受力较大。水平荷载分为纵向（管道轴向）和横向（管道径向）。纵向荷载包括管道补偿器反弹力、管道的不平衡内压力、活动管道支架的管道摩擦力、活动管道支架的位移反弹力；横向受力分为风荷载、拐弯管道或支管的水平推力、管道横向位移的摩擦力。

第一，拐弯管道的水平推力计算。该次设计存在由泵抽取的脱硫废水对管道拐弯处水平推力。该工程中地坑泵出水压0.09MPa，最大流速1.36m/s。管道水平受力计算方法需计算弯头处水流对管道的水平作用力[5]。Rx和Ry是水流对弯管管道的水平力，则Rx’和Ry’是弯管对水流的反作用力，如图4所示。p1、p2分别为两个断面的形心处的相对压强，那么作用在这两断面上的总压力分别为；作用在控制内的水流重力，因与所求水平推力垂直，故不考虑。

总流的动量方程如下：

图4 弯管对水流的反作用力示意图

于1（1.02～1.05），常取1，该工程取值1。则：

第二，管路作用到管道支架的摩擦力计算。摩擦力计算公式如下：

式中：pm为摩擦水平推力，N；μ为摩擦系数，钢与钢接触取0.3[6]；q为管路的单位重量，q=183.81N/m；l为该管路支架间的管段长度，l=2.06m。

第三，位移反弹力计算。位移反弹力计算公式如下：

求得位移反弹力：

1.2 管道支架结构特征判别

图5 管架位置示意图

1.3 钢结构管架柱的计算长度

钢结构横向管架柱的计算长度按式（7）计算。

式中：μ为管架柱计算长度系数，取值为1.16；H为柱高度。

求得：H0=2.784m。

管架柱的允许长细比：

式中：H0为管架柱的计算长度，cm；i为最小回转半径，cm，取，h=100mm，10号槽钢尺寸。

求得：长细比=72.3200，满足设计规范要求。

2 结论

文章通过工程实况中管道支架实际受力，分析选出适合该管道系统的中间管道支架结构类型，确保实现管道的正确支撑以及管道的稳定性，防止出现工程设计质量失误造成的经济损失和安全性隐患。在实际管道系统中，除文中存在的荷载外，还会存在风、地震以及补偿器等引起的荷载影响，为了更好地实现理论设计指导，还需要进一步研究扩展较为复杂情况下的实况，以便提供更为全面的设计依据。