水平推力作用下管廊固定管架设计技术应用研究

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403023

摘 要 介绍了固定管架水平推力的形成机理和常规计算方法。以某实际项目管廊固定管架为案例，探讨计算过程中的影响因素。通过分析现有管线的结构和特点，并考虑未来开车顺序、实际生产状况，综合考虑预留管线布局等因素，提出了固定管架水平推力的计算新思路。针对已有管廊固定管架水平推力不满足要求的情况，提出了合理布置管架补偿器、使用旋转补偿器、实现管道冷紧等相应措施，为相关部门进一步提高管廊固定管架结构设计提供理论支持。

关键词 管廊 固定管架 轴向推力 侧向推力 水平推力 管架设计

中图分类号 TQ055.8+1   文献标志码 B   文章编号 0254?6094（2024）03?0488?06

作者简介：杨高源（1991-），工程师，从事界外管道设计工作，woshi0325@126.com。

引用本文：杨高源.水平推力作用下管廊固定管架设计技术应用研究[J].化工机械，2024，51（3）：488-493.

化工项目中的外管被称为“化工厂区大动脉”，肩负着厂区内外相关装置之间架空敷设的各类管线（如工艺物料管线、公用工程管线等）的来往运输，同时承担着仪表槽盒内的电缆和电气桥架上的电缆在全厂区范围内的分配与输送[1]。外管廊设计也影响着整个厂区的形象与交通，优秀的外管廊设计应同时具备安全性、功能性与美观性，且不影响全厂检修和交通运输的特点。

国家发改委下发了《关于规范煤化工产业有序发展的通知》（发改产业〔2011〕635号，以下简称《通知》），对年产50万吨及以下煤经甲醇制烯烃项目，年产100万吨及以下煤制甲醇项目，年产100万吨及以下煤制二甲醚项目，年产100万吨及以下煤制油项目，年产20亿立方米及以下煤制天然气项目，年产20万吨及以下煤制乙二醇等项目的建设进行了严格禁止。《通知》落地后，受行业竞争压力、土地资源紧缺、环保要求严苛等因素的影响，化工厂及化工园区的建设均呈现出规模化、大型化、密集化的特点。外管廊作为联通厂区内外的化工厂大动脉，其上承载的管线数量、管径、长度均大幅增长。

在长距离运输过程中，管道受介质高温或环境温度变化的影响，会导致管道流道因热胀冷缩而移动[2]。为了防止管道发生移动，在设计初期就会在每隔一定距离考虑安装固定管架以保障管束的安全运行。而固定管架上的水平推力数值的设置对钢结构具有重要影响[3]。在设计初期，若能比较准确地确定出管廊固定管架上的水平推力，并综合园区或厂区发展思路及规模，对所提出的数值进行修正和补充，不仅可以减少后期结构专业的工作量，同时对管廊的功能性及美观性将产生重要作用。因此，有必要对管廊固定管架的设计和受力情况进行深入分析，探讨研究管廊固定管架水平推力的计算思路和修正方式，以便企业更好地开展生产运营活动，为后续项目的正常运行提供保障。

1 固定管架概述

1.1 定义

管道是指除管道以外的所有支撑架空管道系统结构的总称。根据管道的支承条件，支架可分为固定管架和活动管架。其中，固定管架是指将管道支座与管架的连接进行固定以保证其相互不产生相对位移，通过承受区段间产生的全部纵向水平推力而制造的管架[4]。一般情况下，通过在管道上安装固定管架和补偿器来确保管道的稳定性和管线的整体安全运行。

1.2 载荷组成

由于管道支座与管架之间存在固定连接，因此固定管架除了承受管道的垂直载荷外，还承受着管道的水平推力及风载荷作用下的横向水平力等，故固定管架载荷主要包括3种：

a. 垂直载荷，包括管道、管道附件、保温结构、管内输送介质的载荷以及在某些情况下管道水压试验的水重载荷等。

b. 轴向推力，包括各补偿器的反弹力之和，管道移动时的摩擦反力或管架变位弹力等，如图1所示。

c. 侧向推力，包括拐弯管道、支管或支吊架传来的推力，以及管道横向位移产生的摩擦力等。

2 应用实例

2.1 项目概况

某化工园区管廊名为X，共4层，管廊宽12 m，管廊断面如图2所示。该管廊现有管线的特点为数量多（约60根）、管径大（最大为DN 1 900）、蒸汽温度高（S98管线温度高达540 ℃）。

以X管廊固定管架X3?6处为研究对象，该管架距以西方向（左边）固定柱100 m，距以东方向（右边）固定柱90 m，如图3所示。对作用于X3?6段管线的推力进行计算，其中左右两边均设置为四方限位（即管线上方自由活动）。

常温管线（操作温度20～40 ℃，蒸汽伴热管线除外）采用自然补偿，其管线于X3?10处（距X3?6柱向东30 m）固定端采用固定支座，X3?6处为活动支座，另外两处固定管架如图4所示。

上述管线均使用CAESAR Ⅱ软件进行力的分析与计算。

2.2 计算方法

2.2.1 固定管架轴向推力计算方法

固定管架轴向推力主要由管道补偿器弹力和活动管架的反作用力组成，设计时可根据配管专业提供的水平推力以及两侧活动管架的不平衡水平推力[5]进行计算。

活动管架轴向推力F的基本计算式如下：

F=k·G·μ        （1）

其中，k为牵制系数;G为主要热管所在层正常操作时管道的竖向载荷标准值;μ为滑动摩擦系数，根据接触面材料而定。

如果主要热力线的固定点均在同一榀管架上，基于应力计算报告，这些热力管线应该在同一梁固定点上进行力的累积（在累积过程中必须考虑力的方向）。如果主要热力线的几个固定点不集中，而是位于相邻的结构中，则去除固定热力管线后再计算其应力。

2.2.2 固定管架侧向推力计算方法

管架的侧向推力主要来自管路或支管传来的弹性推力、管路横向位移产生的摩擦力和作用在管路上的风力。固定管架侧向推力的基本计算式如下：

侧向推力=∑该榀管架的侧向推力的绝对值  （2）

2.3 计算结果

管道摩擦力的影响因素有很多，其中一个重要参就是管道支座与管架摩擦系数μ。普通钢板之间的滑动摩擦系数约为0.30，新型的滑动支座考虑的是在钢板之间的滑动面上增加低摩擦材料，例如聚四氟乙烯材料（操作温度小于200 ℃）或石墨板（操作温度大于200 ℃）与不锈钢板组成的滑动摩擦副。其上滑动支座的摩擦系数在0.10以内，相对普通钢板，管道摩擦力较低，对固定点支架的推力较小。设计初期，给火炬管线、蒸汽管线支座增加摩擦，通过应力计算报告得到推力计算结果见表1。

第4层（顶层）为火炬管线专属层，根据园区外管专业统一规定，火炬管线不建议使用波纹补偿器，因此，本项目中管廊上的火炬管线为方形补偿器。

第3层敷设蒸汽、凝液及公用工程管线。初期考虑时，蒸汽管线补偿型式均考虑方形补偿器。补偿器设置时，优先考虑高温蒸汽，其次是高温凝液。

第2层管线放置工艺管线、公用工程管线。对于蒸汽伴热管线，正常运行工况下管线操作温度较低，但因伴热蒸汽开车时间早于被伴的管线，因此被伴管线管径越小，管线越易变形，故伴热管线需以伴热蒸汽的操作温度考虑。

第1层均布工艺管线、污水管线。76%硫酸管线为塑料管线，该管线线胀系数远大于钢管，导致受热管线极易变成“蛇形”，甚至胀裂，为此需在每两个固定管架之间考虑采用方形补偿器。

2.4 结果分析

2.4.1 运算法则

矢量加和。力是矢量，其数值具有方向性。针对每个固定管架，通过探讨管道补偿器弹性力、活动支架摩擦反力和内压不平衡推力，并将相同方向的力进行叠加，相反方向的力抵消，最终求和得到实际力的数值。

绝对值加和。在不考虑方向的情况下将管线推力的绝对值累加，最终得到一个数值。该运算法则下求得的最终数值和实际情况具有一定偏差，可能偏大，但由于该方法较为保守，因此结果仍然全面、安全[6]。

2.4.2 计算结果分析

矢量加和计算结果为轴向推力99 764 N（方向向西），侧向推力28 420 N（方向向北）。

绝对值加和计算结果为轴向推力206 780 N，侧向推力53 312 N。

单向力绝对值加和计算结果为轴向推力153 272 N（方向向西）、53 508 N（方向向东），侧向推力40 866 N（方向向北）、12 446 N（方向向南）。

由计算结果可以看出，管廊上对固定点推力贡献较大的主要为蒸汽和汽化火炬管线，其叠加后数值几乎占推力值的80%～90%。相比于其他管线，这几根管线具有温度高、管径大的特点。其推力值还需将水击、两相流等因素纳入考虑范畴内，推力值相比操作工况的数值会大许多。因此，将这些管线对固定管架的推力充分考虑后，可以作为水平推力条件提给结构专业进行设计。

3 固定管架水平推力修正

通过对开车工况、管线排布方式、补偿器型式、管托型式以及预留管线载荷数值等因素进行综合考虑，修正管架推力。

3.1 开车顺序

因各类管线投用时间不一致，故固定管架处的推力值不能简单进行加和。

以本案例为例，S98蒸汽最先投用，其轴向推力值为46 060 N，方向向西。随后考虑S40及S10蒸汽同时运行，则轴向推力值为66 640 N，方向向西;侧向推力值为37 240 N，方向向北。S4蒸汽主管及伴热管线开车时间优先于被伴管线，其推力值叠加，轴向推力值为8 820 N，方向向东。

使用3种运算法则得到的计算结果见表2。

3.2 火炬管线推力

造成部分管道及管架破坏事故的主要导火索是管道内气、液（主要是凝结液）两相流动冲击方向的多向性和数值的多变性[7]。同时，SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》7.2.4条中确定了含凝结液的可燃性气体排放管道对固定管架的水平推力的取值[8]。

在核算有凝结液的可燃性气体排放管道中固定管架的水平推力时，若固定管架上存在含有凝结液的可燃性气体排放管道，则水平推力的作用点应分别考虑，且推力值不应进行叠加，具体结果见表3。

X管廊上的3根火炬管线操作温度见表4。可以看出，除DN 1 900汽化火炬最大操作温度可达204 ℃外，其余两条火炬线均为常温状态。

对汽化二期火炬考虑极端工况，但不考虑三者同时出现极端工况，则其对固定管架的轴向推力值为147 000 N。

3.3 蒸汽管线水击工况

水击现象在蒸汽管线暖管时尤为严重[9]。管道、管道附件及管架会在水击现象发生时因管道和设备的强烈振动造成严重损坏。消除或减轻水击危害的基本方法有：

a. 蒸汽管道送汽前要充分热管，开启管网系统的启动排水;

b. 开车时缓慢开启进气阀;

c. 停车时缓慢关闭阀门。

按照上述方法，完全可以避免蒸汽管线的水击现象，因此在设计固定点水平推力值时可不予考虑。水击力的方向同介质流动方向，但水击力的值受多种因素影响，为在一定程度上考虑水击的影响，留有一定的安全阈值，选择绝对值加和运算法则，得到结果为轴向推力121 520 N、侧向推力37 240 N。

3.4 预留载荷

GB 50489—2009《化工企业总图运输设计规范》规定，新建厂区的管线带内，应预留中远期管线的用地，余量宜为10%～20%[10]。SH/T 3055—2007《石油化工管架设计规范》规定，预留管道载荷和预留空间都不宜过大，通常外管架预留约20%，装置内管架预留约10%[11]。但是实际上，园区管廊的预留量应充分考虑园区的未来规划，并结合具体项目的实际情况确定，以本项目为例，业主要求在当前建设的基础上扩充同等规模的管廊，即预留载荷量100%。

3.5 结果修正

在理论计算值的基础上，综合考虑管廊上管线的开车顺序、管线的水击情况、火炬管线的特殊要求等，提出该固定管架的推力值为：轴向推力268 520 N（即水击工况推力值121 520 N+火炬管线推力值147 000 N）;侧向推力39 200 N。

4 减小管廊固定管架水平推力的措施

在一些老厂改造项目中，因其前期项目体量小，管线数量、管径均小于现有改造项目时，或因已有项目因蒸汽锅炉位置发生改变，造成高温、大管径蒸汽在管廊上路由发生重大变化时，导致原管廊固定管架所提水平推力难以满足新管线的敷设。因此在设计手段上，可以采取以下措施来减少新敷设管线对原固定管架的水平推力：

a. 补偿器的布置。为增强管架的科学合理性和安全性，应在设置补偿器时尽量将其沿固定管架对称布置，以保证管道系统在正常稳定运作时，管道固定管架两侧部分推力能相互抵消。

b. 旋转补偿器的选用。该措施利用管道的自然转角、高差等实现补偿，具有补偿量大、布置灵活、耐高压、无内压推力等优点，主要适用于蒸汽管道和热水管道。与其他补偿器相比，旋转补偿器极大地减小了对固定点的推力。

c. 管道冷紧。冷紧使高温管道在冷态下产生预应力，从而减少弯曲和扭转应力，减少固定点载荷。通过冷紧，高温管线（设计温度在430 ℃及以上）在冷态下承受一定的拉力，以抵消管道热膨胀的位移，降低管道运行初期在工作状态下的热胀应力和对固定点的推力[12]。但此时管径不宜过大，否则施工难度剧增。

此外，若高温管道的温度长期处于蠕变温度，会产生明显的蠕变，造成原有的二次应力释放，导致推力变小。另外，天然地基承载力在长期作用下会提高，也会增强管廊的上部结构力。

5 结束语

笔者探讨了多因素影响条件下固定管架水平推力的计算方法，基于此对管架设计进行研究并提出了优化方案，其科学性和合理性对相关项目的顺利开展和运行起到了关键影响。固定点推力的提出，往往是在基础设计阶段，或详细设计初期，其对结构专业设计、管廊工程造价及后期管廊扩建均产生重要影响。在工程设计中，管架的载荷和水平推力的计算应以标准规范为出发点，同时结合热力管线的应力计算结果及工程实际中可能出现的各种工况，进行全方位、多角度的考虑，提出更科学、更安全、更符合实际的数值，为相关部门、企业顺利开展项目提供坚实的数据保障。

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-05-22，修回日期：2024-05-07）