封洪波

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401120）

1 管道支架的分類及特點(diǎn)

根據(jù)各支架在管道系統(tǒng)中的作用不同，可以分為固定支架和活動(dòng)支架兩種；而活動(dòng)支架又根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要可分為剛性活動(dòng)支架、柔性活動(dòng)支架、半鉸接支架、雙向活動(dòng)支架等4 種。

1.1 固定支架

支架結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在軸向和徑向（橫向）均為管道的固定點(diǎn)，管道與支架之間采用管托焊接固定；固定支架承受管道變形時(shí)由管道本身、補(bǔ)償器和管道內(nèi)壓力差產(chǎn)生的推力；固定支架一般布置在補(bǔ)償器或自然補(bǔ)償管段的兩端。

1.2 剛性活動(dòng)支架

支架結(jié)構(gòu)的剛度較大，在管道變形時(shí)不同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變形，支架與管道之間有一定的位移；也就是說支架與管道之間產(chǎn)生的靜摩擦力小于支架本身產(chǎn)生變形時(shí)的反彈力，因此兩者之間出現(xiàn)位移，同時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)（或滾動(dòng)）摩擦力；剛性活動(dòng)支架的軸向?yàn)楣艿赖目梢苿?dòng)支點(diǎn)，橫向可視為管道的固定點(diǎn)，管道與支架之間采用滑動(dòng)（或滾動(dòng)）管托連接。

1.3 柔性活動(dòng)支架

支架結(jié)構(gòu)的剛度較小，在管道變形時(shí)同時(shí)隨管道變形，支架與管道之間不發(fā)生位移。也就是說支架與管道之間產(chǎn)生的靜摩擦力大于支架本身產(chǎn)生變形時(shí)的反彈力，因此兩者之間沒有位移。柔性活動(dòng)支架的軸向?yàn)楣艿赖目梢苿?dòng)支點(diǎn)，橫向可視為管道的固定點(diǎn)，管道與支架之間采用滑動(dòng)（或滾動(dòng)）管托連接。

1.4 半鉸接支架

支架底部與基礎(chǔ)之間采用半鉸連接，在管道變形時(shí)支架產(chǎn)生傾斜以適應(yīng)管道變形，支架與管道之間不發(fā)生相對(duì)位移。半鉸接支架的軸向?yàn)楣艿赖目梢苿?dòng)支點(diǎn)，橫向可視為管道的固定點(diǎn)。

1.5 雙向活動(dòng)支架

管道沿支架支承平面內(nèi)可任意方向位移的支架，該支架與管道之間有一定的位移。雙向活動(dòng)支架主要有搖擺支架和雙向滑動(dòng)支架兩種。搖擺支架底部與基礎(chǔ)之間沿雙向均采用鉸接；雙向滑動(dòng)支架為一般剛性支架，其支架與管道之間的管托可雙向滑動(dòng)。雙向活動(dòng)支架適用于管道沿軸向和徑向均有較大變形的管段，一般布置在管道拐彎處。

2 管道載荷及跨距的計(jì)算

2.1 管道載荷概述

管道支吊架承受的載荷決定了管道支吊架構(gòu)件及其基礎(chǔ)的大小，載荷大相應(yīng)就會(huì)造成支架投資增加。該載荷按照受力方向不同可以分為3 類。

2.1.1 垂直載荷

主要包括管道、管道附件、保溫層、管道輸送介質(zhì)、管道內(nèi)可能出現(xiàn)的積灰等重量以及在水壓試驗(yàn)或其他特殊情況下出現(xiàn)的水或其他介質(zhì)的重量，還應(yīng)包括冰雪、承重在管道上的平臺(tái)和在管道上工作的操作人員等載荷[1]。

2.1.2 軸向載荷

指沿管道軸線方向的水平載荷。包括管道位移時(shí)的摩擦反作用力、補(bǔ)償器（主要是指波紋管和自然補(bǔ)償器）的反彈力、管道內(nèi)部不平衡壓力或支吊架的變形反彈力等。

2.1.3 徑向載荷

指與管道軸線方向有一定角度的側(cè)向水平載荷。包括自然補(bǔ)償管段或支架的推力、管道橫向位移產(chǎn)生的摩擦反作用力和風(fēng)載荷等。

2.2 垂直載荷

2.2.1 水平管道

對(duì)于水平管道本身及其管道附件（如閥門、補(bǔ)償器及檢修平臺(tái)等）對(duì)某支架產(chǎn)生的垂直載荷，按式（1）計(jì)算。

式中：q——管道單位長(zhǎng)度載荷，kg/m，包括管材重量、保溫結(jié)構(gòu)重量及管道內(nèi)積灰或積水的重量等；L1、L2——該支吊架與兩端相鄰支吊架的間距，m；Q——管道附件重量，kg；K——集中載荷分配系數(shù)；對(duì)于支架A，KA=b/L2；對(duì)于支架B，KB=a/L2。

2.2.2 垂直管道

對(duì)于垂直管道的垂直載荷，可以按照兩支架間的管道及管道附件總載荷平均分配給兩側(cè)支架承受來計(jì)算。

2.2.3 水平管道積灰載荷

根據(jù)大量工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)于水平除塵管道，其管內(nèi)積灰平均斷面積按照管道內(nèi)流通斷面總面積的5%計(jì)算比較合適。

2.2.4 平臺(tái)檢修載荷

在設(shè)有檢修操作平臺(tái)或走臺(tái)的管段上，按照200kg/m2計(jì)算檢修載荷。

2.2.5 冰雪載荷

在寒冷地區(qū)，管壁溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況考慮冰雪載荷。

2.3 管道跨距

管道允許跨距的大小決定了管道支吊架的數(shù)量。如果跨距太小則造成支架太密，相應(yīng)費(fèi)用增加。因此在保證管道安全的前提下，應(yīng)盡可能加大管道跨距。

管道支架的最大允許跨距主要取決于管道材質(zhì)的強(qiáng)度、管道截面、管道載荷、管道坡度及管道允許最大撓度等。

2.3.1 按強(qiáng)度條件確定管道允許跨距

管道的自重彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過對(duì)應(yīng)的管材許用彎曲應(yīng)力值，以確保管道的安全。按這一原則確定的管道允許跨距，稱為按強(qiáng)度條件計(jì)算的管道允許跨距。

對(duì)于連續(xù)敷設(shè)、載荷均勻分布的水平直管段，其支吊架最大允許跨距按照式（2）計(jì)算。

回顧性分析2016年9月至2017年5月間上海長(zhǎng)海醫(yī)院術(shù)前行MRI檢查、術(shù)后經(jīng)病理證實(shí)的14例胰腺導(dǎo)管腺癌患者的DWI資料。其中男性7例，女性7例，年齡44～73歲，平均59歲。腫瘤位于胰頭部9例、胰體尾部5例，腫瘤最長(zhǎng)徑1.0～8.0 cm，平均2.9 cm。

2.3.2 按剛度條件確定管道允許跨距

管道在一定跨距下總會(huì)出現(xiàn)一定的撓度，由管道自重及相關(guān)垂直載荷產(chǎn)生的彎曲撓度f 不應(yīng)超過管道跨距0.005。按這一原則確定的管道允許跨距，稱為按剛度條件計(jì)算的管道允許跨距。

對(duì)于連續(xù)敷設(shè)、載荷均勻分布的水平直管段，其支吊架最大允許跨距按照式（3）計(jì)算。

2.3.3 水平彎管管段支吊架允許跨距的確定

水平90°彎管的兩個(gè)支吊架間的管道展開長(zhǎng)度，不應(yīng)大于相應(yīng)水平直管段的最大允許跨距的73%。

2.3.4 水平盲端直管段支吊架允許跨距的確定

2.3.5 煤氣管道支吊架允許跨距的確定

對(duì)于煤氣管道支吊架允許跨距，其計(jì)算同樣采用上述剛度原則。即按照煤氣管道在正常操作下的載荷，在坡度為0.005 時(shí)的撓度f 不超過跨距的1/600 計(jì)算，同時(shí)管壁的應(yīng)力不應(yīng)超過127.5MPa。

對(duì)于沒有附加載荷的跨距，按式（4）計(jì)算。

管壁應(yīng)力按式（5）計(jì)算。

式中：M——管道彎矩，N·m。

撓度簡(jiǎn)化計(jì)算公式如式（6）所示。

常用管徑的煤氣管道垂直載荷及允許跨距等參數(shù)可參相關(guān)規(guī)范要求。

3 固定支架的推力計(jì)算

3.1 固定支架間距的確定

管道固定支架的間距在滿足支架及其基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)盡量加大，合理布置，以減少固定支架的數(shù)量。固定支架的間距必須滿足以下條件。

（1）兩個(gè)固定支架間管段的變形量不得超過補(bǔ)償器的允許補(bǔ)償量。

（2）兩個(gè)固定支架間管段變形產(chǎn)生的推力必須滿足固定支架的強(qiáng)度要求。

（3）該管段不宜產(chǎn)生縱向彎曲。

煤氣管道固定支架最大間距可參考相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 固定支架的推力計(jì)算

固定支架的推力包括前面描述的軸向載荷和徑向載荷，主要由管道補(bǔ)償器（主要是指波紋管和自然補(bǔ)償器）的反彈力、管道內(nèi)部不平衡壓力、管道位移時(shí)與支架間的摩擦反作用力或支吊架的變形反彈力等。

在計(jì)算固定支架推力的合力時(shí)應(yīng)根據(jù)支架兩側(cè)管道布置方式及受力情況采用力平衡原理進(jìn)行逐一分析計(jì)算。

需要特別注意的是，為提高管道系統(tǒng)的安全性，當(dāng)考慮支架兩側(cè)的管道水平載荷的抵消作用時(shí)，應(yīng)對(duì)水平載荷較小的一側(cè)乘以0.7 的系數(shù)[2]。

3.2.1 補(bǔ)償器的反彈力

當(dāng)管道膨脹或收縮產(chǎn)生位移時(shí)，補(bǔ)償器被壓縮或拉伸變形，由于補(bǔ)償器本身的剛度相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力量，這個(gè)力通過管道反作用于兩端的固定支架上。

當(dāng)采用波紋管補(bǔ)償器時(shí)，反彈力為波紋管剛度產(chǎn)生的推力或拉力；當(dāng)采用套筒補(bǔ)償器時(shí)，反彈力為套筒內(nèi)填料間的摩擦力；當(dāng)采用球形補(bǔ)償器時(shí)，反彈力為補(bǔ)償器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。

當(dāng)采用非金屬補(bǔ)償器時(shí)，反彈力可以忽略不計(jì)；當(dāng)采用自然補(bǔ)償時(shí)，反彈力為自然補(bǔ)償管段管道本身變形的反彈力[3]。

對(duì)于波紋管補(bǔ)償器，反彈力按式（7）計(jì)算。

式中：Kx——波紋管補(bǔ)償器的軸向總剛度，N/m；ex——該管段的設(shè)計(jì)補(bǔ)償量，m。

3.2.2 管道內(nèi)部不平衡壓力

如圖1 所示，在兩個(gè)固定支架之間設(shè)有補(bǔ)償器，且在補(bǔ)償器一側(cè)又設(shè)有閥門或有彎頭。由于閥門或彎頭受到內(nèi)壓力作用，將有使補(bǔ)償器脫開的趨勢(shì)。為了避免這種情況發(fā)生，固定支架必須具有足夠的剛度，以抵抗這個(gè)使補(bǔ)償器脫開的力[4]。這個(gè)力就是管道內(nèi)部不平衡壓力。

圖1 管道內(nèi)部不平衡壓力

對(duì)于圖1 所示固定支架和補(bǔ)償器布置在設(shè)有閥門或堵板或彎頭的管段時(shí)，內(nèi)壓推力按式（8）計(jì)算。

式中：P0——管道內(nèi)介質(zhì)的工作壓力，kg/cm2；A——補(bǔ)償器的有效截面積，cm2。

對(duì)于固定支架布置在兩個(gè)不同管徑的補(bǔ)償器之間時(shí)，內(nèi)壓推力按式（9）計(jì)算。

式中：A1——管徑較大補(bǔ)償器的有效截面積，cm2；A2——管徑較小補(bǔ)償器的有效截面積，cm2。

3.2.3 剛性活動(dòng)支架的摩擦反作用力

從固定支架到補(bǔ)償器之間的剛性活動(dòng)支架的摩擦力會(huì)通過管道傳到固定支架上，該力按式（10）計(jì)算。

式中：μ——摩擦系數(shù)，按相關(guān)規(guī)定選??；G——?jiǎng)傂曰顒?dòng)支架承受的垂直載荷，kg。

3.2.4 自然補(bǔ)償管段對(duì)固定支架的推力

自然補(bǔ)償管段在溫度變化下，管道膨脹或收縮產(chǎn)生變形，由于管道本身的剛度相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力量，這個(gè)力通過管道作用于兩端的固定支架上。

對(duì)于高溫?zé)煔獬龎m管道，由于其管道直徑一般較大，在自然變形下的彈性變形力非常大，故在管道布置時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)在自然補(bǔ)償管段兩端均布置固定支架的情況[5]。當(dāng)實(shí)際情況無法避免時(shí)，如前所述，應(yīng)根據(jù)支架兩側(cè)管道布置方式及受力情況采用力平衡原理進(jìn)行逐一分析計(jì)算。

4 結(jié)語

在布置除塵管道的設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)工藝的要求布置管道走向，結(jié)合管道支架的設(shè)計(jì)，盡量做到整個(gè)管道系統(tǒng)和支架的經(jīng)濟(jì)合理，減小管道推力，增加管道穩(wěn)定性，這樣才能保證在系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，減少資源浪費(fèi)，節(jié)約投資。