浅议除尘管道支架设计

封洪波

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401120）

1 管道支架的分类及特点

根据各支架在管道系统中的作用不同，可以分为固定支架和活动支架两种；而活动支架又根据各自的结构特点主要可分为刚性活动支架、柔性活动支架、半铰接支架、双向活动支架等4 种。

1.1 固定支架

支架结构具有足够的刚度，保证管道系统的稳定性，在轴向和径向（横向）均为管道的固定点，管道与支架之间采用管托焊接固定；固定支架承受管道变形时由管道本身、补偿器和管道内压力差产生的推力；固定支架一般布置在补偿器或自然补偿管段的两端。

1.2 刚性活动支架

支架结构的刚度较大，在管道变形时不同时发生相应的变形，支架与管道之间有一定的位移；也就是说支架与管道之间产生的静摩擦力小于支架本身产生变形时的反弹力，因此两者之间出现位移，同时产生滑动（或滚动）摩擦力；刚性活动支架的轴向为管道的可移动支点，横向可视为管道的固定点，管道与支架之间采用滑动（或滚动）管托连接。

1.3 柔性活动支架

支架结构的刚度较小，在管道变形时同时随管道变形，支架与管道之间不发生位移。也就是说支架与管道之间产生的静摩擦力大于支架本身产生变形时的反弹力，因此两者之间没有位移。柔性活动支架的轴向为管道的可移动支点，横向可视为管道的固定点，管道与支架之间采用滑动（或滚动）管托连接。

1.4 半铰接支架

支架底部与基础之间采用半铰连接，在管道变形时支架产生倾斜以适应管道变形，支架与管道之间不发生相对位移。半铰接支架的轴向为管道的可移动支点，横向可视为管道的固定点。

1.5 双向活动支架

管道沿支架支承平面内可任意方向位移的支架，该支架与管道之间有一定的位移。双向活动支架主要有摇摆支架和双向滑动支架两种。摇摆支架底部与基础之间沿双向均采用铰接；双向滑动支架为一般刚性支架，其支架与管道之间的管托可双向滑动。双向活动支架适用于管道沿轴向和径向均有较大变形的管段，一般布置在管道拐弯处。

2 管道载荷及跨距的计算

2.1 管道载荷概述

管道支吊架承受的载荷决定了管道支吊架构件及其基础的大小，载荷大相应就会造成支架投资增加。该载荷按照受力方向不同可以分为3 类。

2.1.1 垂直载荷

主要包括管道、管道附件、保温层、管道输送介质、管道内可能出现的积灰等重量以及在水压试验或其他特殊情况下出现的水或其他介质的重量，还应包括冰雪、承重在管道上的平台和在管道上工作的操作人员等载荷[1]。

2.1.2 轴向载荷

指沿管道轴线方向的水平载荷。包括管道位移时的摩擦反作用力、补偿器（主要是指波纹管和自然补偿器）的反弹力、管道内部不平衡压力或支吊架的变形反弹力等。

2.1.3 径向载荷

指与管道轴线方向有一定角度的侧向水平载荷。包括自然补偿管段或支架的推力、管道横向位移产生的摩擦反作用力和风载荷等。

2.2 垂直载荷

2.2.1 水平管道

对于水平管道本身及其管道附件（如阀门、补偿器及检修平台等）对某支架产生的垂直载荷，按式（1）计算。

式中：q——管道单位长度载荷，kg/m，包括管材重量、保温结构重量及管道内积灰或积水的重量等；L1、L2——该支吊架与两端相邻支吊架的间距，m；Q——管道附件重量，kg；K——集中载荷分配系数；对于支架A，KA=b/L2；对于支架B，KB=a/L2。

2.2.2 垂直管道

对于垂直管道的垂直载荷，可以按照两支架间的管道及管道附件总载荷平均分配给两侧支架承受来计算。

2.2.3 水平管道积灰载荷

根据大量工程的经验总结，对于水平除尘管道，其管内积灰平均断面积按照管道内流通断面总面积的5%计算比较合适。

2.2.4 平台检修载荷

在设有检修操作平台或走台的管段上，按照200kg/m2计算检修载荷。

2.2.5 冰雪载荷

在寒冷地区，管壁温度低于0℃时，应根据当地实际情况考虑冰雪载荷。

2.3 管道跨距

管道允许跨距的大小决定了管道支吊架的数量。如果跨距太小则造成支架太密，相应费用增加。因此在保证管道安全的前提下，应尽可能加大管道跨距。

管道支架的最大允许跨距主要取决于管道材质的强度、管道截面、管道载荷、管道坡度及管道允许最大挠度等。

2.3.1 按强度条件确定管道允许跨距

管道的自重弯曲应力不应超过对应的管材许用弯曲应力值，以确保管道的安全。按这一原则确定的管道允许跨距，称为按强度条件计算的管道允许跨距。

对于连续敷设、载荷均匀分布的水平直管段，其支吊架最大允许跨距按照式（2）计算。

回顾性分析2016年9月至2017年5月间上海长海医院术前行MRI检查、术后经病理证实的14例胰腺导管腺癌患者的DWI资料。其中男性7例，女性7例，年龄44～73岁，平均59岁。肿瘤位于胰头部9例、胰体尾部5例，肿瘤最长径1.0～8.0 cm，平均2.9 cm。

2.3.2 按刚度条件确定管道允许跨距

管道在一定跨距下总会出现一定的挠度，由管道自重及相关垂直载荷产生的弯曲挠度f 不应超过管道跨距0.005。按这一原则确定的管道允许跨距，称为按刚度条件计算的管道允许跨距。

对于连续敷设、载荷均匀分布的水平直管段，其支吊架最大允许跨距按照式（3）计算。

2.3.3 水平弯管管段支吊架允许跨距的确定

水平90°弯管的两个支吊架间的管道展开长度，不应大于相应水平直管段的最大允许跨距的73%。

2.3.4 水平盲端直管段支吊架允许跨距的确定

2.3.5 煤气管道支吊架允许跨距的确定

对于煤气管道支吊架允许跨距，其计算同样采用上述刚度原则。即按照煤气管道在正常操作下的载荷，在坡度为0.005 时的挠度f 不超过跨距的1/600 计算，同时管壁的应力不应超过127.5MPa。

对于没有附加载荷的跨距，按式（4）计算。

管壁应力按式（5）计算。

式中：M——管道弯矩，N·m。

挠度简化计算公式如式（6）所示。

常用管径的煤气管道垂直载荷及允许跨距等参数可参相关规范要求。

3 固定支架的推力计算

3.1 固定支架间距的确定

管道固定支架的间距在满足支架及其基础的强度要求的前提下应尽量加大，合理布置，以减少固定支架的数量。固定支架的间距必须满足以下条件。

（1）两个固定支架间管段的变形量不得超过补偿器的允许补偿量。

（2）两个固定支架间管段变形产生的推力必须满足固定支架的强度要求。

（3）该管段不宜产生纵向弯曲。

煤气管道固定支架最大间距可参考相关规范要求。

3.2 固定支架的推力计算

固定支架的推力包括前面描述的轴向载荷和径向载荷，主要由管道补偿器（主要是指波纹管和自然补偿器）的反弹力、管道内部不平衡压力、管道位移时与支架间的摩擦反作用力或支吊架的变形反弹力等。

在计算固定支架推力的合力时应根据支架两侧管道布置方式及受力情况采用力平衡原理进行逐一分析计算。

需要特别注意的是，为提高管道系统的安全性，当考虑支架两侧的管道水平载荷的抵消作用时，应对水平载荷较小的一侧乘以0.7 的系数[2]。

3.2.1 补偿器的反弹力

当管道膨胀或收缩产生位移时，补偿器被压缩或拉伸变形，由于补偿器本身的刚度相应产生一个抵抗变形的力量，这个力通过管道反作用于两端的固定支架上。

当采用波纹管补偿器时，反弹力为波纹管刚度产生的推力或拉力；当采用套筒补偿器时，反弹力为套筒内填料间的摩擦力；当采用球形补偿器时，反弹力为补偿器转动时的摩擦力。

当采用非金属补偿器时，反弹力可以忽略不计；当采用自然补偿时，反弹力为自然补偿管段管道本身变形的反弹力[3]。

对于波纹管补偿器，反弹力按式（7）计算。

式中：Kx——波纹管补偿器的轴向总刚度，N/m；ex——该管段的设计补偿量，m。

3.2.2 管道内部不平衡压力

如图1 所示，在两个固定支架之间设有补偿器，且在补偿器一侧又设有阀门或有弯头。由于阀门或弯头受到内压力作用，将有使补偿器脱开的趋势。为了避免这种情况发生，固定支架必须具有足够的刚度，以抵抗这个使补偿器脱开的力[4]。这个力就是管道内部不平衡压力。

图1 管道内部不平衡压力

对于图1 所示固定支架和补偿器布置在设有阀门或堵板或弯头的管段时，内压推力按式（8）计算。

式中：P0——管道内介质的工作压力，kg/cm2；A——补偿器的有效截面积，cm2。

对于固定支架布置在两个不同管径的补偿器之间时，内压推力按式（9）计算。

式中：A1——管径较大补偿器的有效截面积，cm2；A2——管径较小补偿器的有效截面积，cm2。

3.2.3 刚性活动支架的摩擦反作用力

从固定支架到补偿器之间的刚性活动支架的摩擦力会通过管道传到固定支架上，该力按式（10）计算。

式中：μ——摩擦系数，按相关规定选取；G——刚性活动支架承受的垂直载荷，kg。

3.2.4 自然补偿管段对固定支架的推力

自然补偿管段在温度变化下，管道膨胀或收缩产生变形，由于管道本身的刚度相应产生一个抵抗变形的力量，这个力通过管道作用于两端的固定支架上。

对于高温烟气除尘管道，由于其管道直径一般较大，在自然变形下的弹性变形力非常大，故在管道布置时应尽量避免出现在自然补偿管段两端均布置固定支架的情况[5]。当实际情况无法避免时，如前所述，应根据支架两侧管道布置方式及受力情况采用力平衡原理进行逐一分析计算。

4 结语

在布置除尘管道的设计过程中，需要根据工艺的要求布置管道走向，结合管道支架的设计，尽量做到整个管道系统和支架的经济合理，减小管道推力，增加管道稳定性，这样才能保证在系统长期稳定运行的前提下，减少资源浪费，节约投资。