化工管道支吊架设计要点分析

秦华丽

（广西北投化工规划设计院有限公司，广西南宁 530003）

化工管道系统在现代化工行业中占据重要地位，是工业生产过程中不可或缺的部分。管道系统负责输送各种化工原辅料和产品，其稳定性和安全性对整个生产过程的顺利进行至关重要。支吊架不仅要承受管道自身及管道内流体的重力，还要抵抗由于流体流动、温度变化等引起的各种应力。因此，管道支吊架设计的理论与实践问题引起了广大研究者的关注。

1 化工管道支吊架的重要性

化工管道支吊架在工程项目中扮演着关键角色。作为化工工程的一部分，管道系统承载着各种化学物质，其安全、稳定及可靠性对整个工程运行的成功至关重要。在这一背景下，合理的支吊架设计保证了管道系统能够安全、稳定运行。支吊架需要承受管道自身的重量、管道内流体的重量及各种外部因素引起的额外荷载。若未考虑到以上因素，可能会导致支吊架失效，甚至可能引发管道破裂，形成安全事故。此外，由于化工管道中的流体温度变化可能很大，管道会发生膨胀和收缩，需要适当的支吊架来限制和引导管道的运动，防止过度弯曲或扭曲导致疲劳破裂，造成安全事故。所以，化工管道支吊架的设计在保障管道系统的安全稳定运行和降低维护检修成本方面，都起着重要作用[1]。

2 化工管道支吊架基础理论和设计原则

2.1 基础理论

（1）力学原理

力学主要分析在不同荷载（包括自重、流体重力、热膨胀力、风荷载、地震荷载等）作用下，支吊架和管道的应力、应变、变形和位移等。合理的设计需要确保在各种可能的工况下，支吊架和管道的应力和位移都满足相应的规范要求。在设计过程中，还需要通过力学原理来进行强度、刚度和稳定性等方面的计算，这是确保管道支吊架满足使用要求的重要手段。

（2）材料科学原理

在设计过程中，需要选择合适的材料来满足管道支吊架的各种性能要求，包括材料的强度、韧性、硬度、耐热性、耐腐蚀性等。例如，材料的强度应能满足支吊架在各种工况下的承载能力要求；材料的韧性应能防止支吊架在受到冲击或振动时产生破坏；材料的耐热性和耐腐蚀性应能保证支吊架在化工环境下的耐久性。因此，材料科学原理的应用能够保证化工管道支吊架的性能和耐久性，提高其使用寿命。

2.2 设计原则

（1）安全性原则

设计过程中须保证支吊架具有足够的安全性，包括承载能力、稳定性和耐久性等。设计时应考虑对支吊架产生影响的荷载，如管道和流体的重力、温度变化产生的膨胀力、地震荷载和风荷载等，以及可能的腐蚀环境。同时，还应确保支吊架设计满足所有相关的安全规范和标准，以防止可能的安全事故。

（2）经济性原则

设计过程中应优化支吊架的结构和材料选择，以减少材料使用量，降低制造和安装成本。此外，设计还应考虑到支吊架的维护和检修成本，以实现支吊架的整体经济性。

（3）可行性原则

可行性原则要求化工管道支吊架的设计在技术上是可实施的，设计方案应能够在现有的技术条件和设备条件下制造和安装。此外，还应考虑到支吊架的使用和维护，保证设计方案在实际操作中的可行性。这一原则需要设计者有足够的经验和对现场情况的深入了解，以确保设计方案的实施性[2]。

3 化工管道支吊架设计的要点

3.1 管架跨距的确定

（1）管架跨距的计算

管架跨距的计算是支吊架设计的重要组成部分，需要依据管道材料、直径、工作压力、工作温度等参数，以及相应的设计规范进行。计算过程中需考虑到管道在各种工况下的应力和变形，以确保管道在支吊架的承托下能够安全、稳定运行。适当的管架跨距能有效地减少因管道过度弯曲或变形引起的疲劳破裂。化工管道管架的最大跨距一般可从《化工管路设计手册》中查到。

（2）水平管道导向架间距

对于水平管道，导向架间距的确定关键在于平衡管道的稳定性。过大的间距可能导致管道在重力和内压作用下产生过大的挠度，从而影响管道的使用寿命和安全性；过小的间距则会增加导向架的数量和成本。因此，需要根据管道的直径、材料、工作压力和温度等合理确定导向架间距。

（3）垂直管道的管架间距

垂直管道的管架间距需要根据管道的直径、材料、工作压力和温度，以及相应的设计规范确定。由于垂直管道的自重和流体重力主要沿管道轴线方向作用，所以相比水平管道，其管架间距可以适当大一些。然而，过大的间距可能会导致管道在地震或风荷载等外部力作用下产生过大的挠度，因此，需要适当的垂直管道管架间距[3]。

3.2 管架载荷的确定

作用在管架上的荷载按其性质可分为两大类，即静荷载和动荷载。

（1）静载荷计算

静载荷是化工管道支吊架设计中的重要因素，主要包括管道自重、管道内流体的重力，以及附加在管道上的设备或构件的重力。静载荷的计算需要考虑到管道的材料、壁厚、直径、长度及管道内流体的密度。

（2）动载荷计算

动载荷包括管系因地震、风压、安全阀排气管道的反作用力、调节阀的推力、水击、流体脉动、机械振动等因素引起的各类动荷载。实际工作中，对于动载荷的计算通常考虑以下几个重要因素：管道内部的物质流动、管道系统中的设备运转、环境因素及应急情况。在动载荷的计算过程中，需要以科学的理论和方法为基础，结合实际工况，准确评估和预测动载荷。

3.3 管架的设置及选用

（1）管架分类

化工管道支吊架按照其功能和结构特点，可分为固定支架、滑动支架、导向支架、限位支架和弹簧支吊架等。固定支架用于固定管道位置和方向，承受管道的全部重力、内压力和温度引起的膨胀力。滑动支架主要用于承受管道的垂直荷载，同时允许管道在水平方向上滑动。导向支架用于控制管道在某一方向的位移。限位支架通常设置在管道的弯头或转角处，用于限制管道的轴向或侧向位移。弹簧支吊架用于承受变动的载荷，可自动调整其高度以适应管道的热膨胀。

（2）管架设置要求

管架的承载能力应能满足承受管道的所有荷载，包括静荷载和动荷载；其结构和尺寸应合适，以适应管道的尺寸和形状，保证管道的稳定性；管架的位置应能确保管道的均匀支撑，避免因管道的局部过载或不均匀受力导致的疲劳破裂；对于有位移的管道，管架应具有相应的位移能力，以适应管道的热膨胀或其他位移。在设置管架时，还应考虑到管架的安装、检查和维护的便利性。

3.4 架体结构设计

（1）结构强度计算

在化工管道支吊架设计中，结构强度计算决定着支吊架的稳定性与可靠性。需要充分考虑静态载荷、动态载荷及环境因素产生的附加载荷，保证在极端工况下支吊架的完整性和功能。结构强度的计算需依照相关设计规范和标准，确保安全和效率的要求得以满足。针对支吊架的杆件、连接部位、基础等各部分进行详细分析，满足强度要求。

（2）材料选择

支吊架的材料选择直接影响其强度、刚度、耐久性，以及制造和维护成本。常用的支吊架材料包括各种钢材、铸铁、不锈钢、复合材料等。在选择材料时，需要根据管道的工作环境、荷载情况，以及支吊架的使用和维护要求进行综合考虑。

3.5 考虑环境影响因素

（1）温度变化

温度的变化会引起材料的线性膨胀或收缩，从而导致管道和支吊架的位移和应力的变化。温度变化对支吊架的影响既可能是周期性的，如日照引起的日温差，也可能是长期的，如季节性温度变化。因此，支吊架设计必须考虑到温度变化，采取适当的措施，如设置足够的补偿器，以允许管道的热膨胀和收缩。

（2）腐蚀性环境

支吊架的材料、结构和防护措施都需要考虑到腐蚀的影响。例如，对于位于海边或含有腐蚀性化学品的环境，支吊架的材料就需要具备良好的耐腐蚀性。在极端的腐蚀环境下，可能需要使用特种的耐腐蚀材料或者采用特殊的防腐措施，如防腐涂层或阴极保护。

3.6 典型管架设计

（1）塔类管道管架设计

在塔类管道的支吊架设计中，必须强调考虑管道的高度和空间布局。由于塔内流体的温度和压力变化显著，相应地，塔类管道需应对显著的热膨胀，这就要求支吊架具备良好的位移能力。同时，塔类管道还面临着风载等的挑战，因此，其管架必须拥有出色的刚度和强度。从塔顶或塔侧出口的管道，应尽量在靠近设备接管口处设立第一个管架，而且为固定承重架，一般在承重架的下面设导向架。塔设备管架见图1。

图1 塔设备管架

（2）往复机泵管道管架设计

往复机泵进出口管道会产生较大的振动，这就对支吊架设计提出了新的要求。振动可能导致管道的动载荷增大，甚至可能引发管道的疲劳破裂。为应对这种情况，设计时常会加入特殊的阻尼器或弹簧架以减小振动的影响。应避免管架生根在楼面上或梁上或墙上，以避免把管道的振动传递给建筑物；也不要把管架生根于设备上；一般将管道固定于生根在地面基础上的牢靠的型钢架上，并且地面基础应是独立的。

（3）安全阀管道管架设计

安全阀管道的支吊架设计必须保证在管道内压力超过允许值时，安全阀能迅速打开，释放压力。面对突然的压力变化，支吊架需要具备坚实的强度和刚度。在安全阀开启时，高速排放会产生极大的反冲力，其支吊架设计应当具备良好的抗动载能力，一般安全阀出口的水平管道设承重的滑动架或固定架，立管设导向架，具体见图2。

图2 安全阀管道管架

（4）热力管道方形补偿器管架设计

对于工作温度较高的热力管道，热膨胀问题尤为突出。因此，其方形补偿器的支吊架设计要有足够的位移能力，以适应管道的热膨胀和收缩。例如，在设计蒸汽输送管道的支吊架时，一般在两个固定架的中间设置方形补偿器，通常会在方形补偿器的中间设滑动架，两边适当位置设导向架，以满足膨胀位移的需求，具体见图3。

图3 方形补偿器管架

3.7 管架设计需注意的问题

（1）是设计的实用性，支吊架的设计应符合管道的实际使用条件，例如流体的种类、温度、压力等。设计者需要全面理解并考虑影响因素对支吊架设计的影响，避免在设计过程中过度理想化或简化问题，以免影响支吊架的实用性。

（2）设计者还需关注支吊架的类型选用，根据不同物料、温度、压力等情况及规范要求，在管道的适当位置设置固定架、导向架、滑动架、弹簧架等，对于蒸汽、导热油等温度较高的管道管架还需通过应力计算后核实管架的设置位置和形式是否合适。

（3）支吊架的设计还需要考虑到环境影响因素，例如温度、湿度、风速等环境因素会影响到支吊架的性能和寿命，因此，设计者需要对环境因素有充分的了解，将其考虑进支吊架的设计中，保证支吊架在实际环境中的稳定性和耐用性。

3.8 符合相关规范和标准

化工管道支吊架的设计必须严格遵守相关的规范和标准。规范、标准和手册主要包括《石油化工管道支吊架设计规范》SH/T 3073—2016、《恒力弹簧支吊架》NB/T 47038—2019、《可变弹簧支吊架》NB/T 47038—2013、《管架标准图》HG/T 21629—2021、《化工管路设计手册》等，它们为化工管道支吊架的设计提供了明确的指导，保证了其设计的科学性和合理性，同时也为支吊架的使用提供了保障，确保管架在长期使用过程中的稳定性和安全性。设计者在设计过程中应详细阅读并充分理解规范和标准，确保设计方案的合规性。

4 结束语

化工管道支吊架的设计具有理论和实际的深远影响。理论基础源于力学和材料科学原理，同时受到安全性、经济性和可行性原则的指导。设计细节涵盖了管架跨距、载荷、设置及选用，以及架体结构设计，并须兼顾环境影响因素。此外，典型管架设计、设计问题的识别和解决，都在实践中证实了设计的重要性。遵守相关规范和标准是保证设计质量的关键。在科技日新月异的今天，化工管道支吊架的设计将不断发展和完善，为化工行业的发展提供更加安全的保障。