周寶如

（無錫厚德石化工程設(shè)計有限公司，江蘇 無錫 214000）

石油化工產(chǎn)業(yè)成為中國主要的燃料供給，在市場經(jīng)濟蓬勃發(fā)展中，占領(lǐng)著關(guān)鍵的發(fā)展戰(zhàn)略位置，在國家經(jīng)濟發(fā)展策略中起到了關(guān)鍵的作用。管架結(jié)構(gòu)在石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著很關(guān)鍵的作用，是企業(yè)內(nèi)部與各種生產(chǎn)設(shè)備之間有機相連的主體部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定能力和科學(xué)性將影響到石油化工企業(yè)的產(chǎn)品穩(wěn)定性，所以，必須要加大對管架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，以使得它更加的科學(xué)，在企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過程中起到更大的影響作用。

1 選擇鋼結(jié)構(gòu)管架建筑材料的原因

鋼結(jié)構(gòu)工程一般適用于多層、大跨越、形體復(fù)雜多變、負載或吊車起質(zhì)量大、有很大震動、高熱車間、對密封性需要較好、需要能運動及多次安裝的結(jié)構(gòu)。簡單地講：大樓、體育中心、歌劇場、路橋、廣播電視塔、倉棚、廠區(qū)、工人住宅和臨時房屋等。這是與鋼結(jié)構(gòu)房屋本身的特性相一致的。在石油化工行業(yè)中，鋼結(jié)構(gòu)適用于熱冷換結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器骨架、管架、廠區(qū)、泵棚、樓梯間等。文章主要是針對石油化工企業(yè)設(shè)計管架，在石油化工企業(yè)中要時刻注意對管架的維修及拆卸，所以使用鋼結(jié)構(gòu)材料作為管道的設(shè)計主要材料最為合適，但在設(shè)計過程中，要針對鋼結(jié)構(gòu)不受高溫的特點，仔細對其防火性能著重進行設(shè)計。

2 石油化工企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計條件

（1）對管架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計后的主要依據(jù)，是根據(jù)有關(guān)工藝配管以及對有關(guān)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，專業(yè)人員根據(jù)對工作的了解后所進行的初步設(shè)計。設(shè)計要求的科學(xué)性與合理性對設(shè)計的效果會產(chǎn)生很大的影響。實際工程中往往需要在管道沒超過3 m就完成了跨梁，因此管道的長度和其支承情況直接影響管道壓力的傳導(dǎo)情況。

（2）固定管架的標(biāo)高。當(dāng)管架的跨距很大時，即可通過支承桁架實現(xiàn)連接，但是由于鋼管設(shè)計上有尤其特殊的需求，若用桁架的管子支承，其底部標(biāo)高就很難達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。所以，對凈空高的特點和需要的情況應(yīng)注意鋼桁架和橫梁的高度可能帶來的對管線層的沖擊。此時，架構(gòu)設(shè)計技術(shù)單位必須第一時間對有關(guān)專業(yè)的主管單位做出反應(yīng)，并及時執(zhí)行。與此同時，在工程設(shè)計中也必須從外觀上明確管子尺寸和管線的總體布局，以防止加大后期工程設(shè)計困難。

（3）設(shè)計伸縮縫間隙。按照有關(guān)規(guī)范規(guī)定，在進行最大沉降裂縫間距設(shè)計時，鋼結(jié)構(gòu)建筑物的最大伸縮縫距離不能超過120 m。另外，應(yīng)重視對固定管架的安裝地點的確認，工作應(yīng)用中通常把兩種補償器合二為一，以確定經(jīng)濟實用性。對于大型管道使用時應(yīng)盡可能減少伸縮縫的長度，同時增加柱間支承以增強防震功能。

（4）確定與管架柱距離。在進行管架距離設(shè)定時，一般設(shè)定跨度為9 m，這樣就能夠降低對管架的距離要求，從而節(jié)省了成本。在進行固定架處，通常選擇6 m。

3 管架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

3.1 依照載荷組合和載荷布置的原則

當(dāng)進行管道載荷的選擇之后，如果組合系數(shù)為1∶2，在進行充水時可以采用更大口徑的管子來分別充水。并對載荷進行調(diào)整，并以1∶1。此外，在進行結(jié)果選型時，還要充分考慮操作重量、充水重量和承載力三者中最不利的一個，并充分考慮管道強度、跨度和框架之間的抗拉強度，以合理決定鋼材構(gòu)件的質(zhì)量使用。

3.2 上部鋼結(jié)構(gòu)的選擇

若鋼管必須承擔(dān)很大的壓力強度，可在使用鋼結(jié)構(gòu)前使用Q345B，盡量減少鋼的應(yīng)用。對撓性控制的鋼梁，一般選用Q235Bh型鋼，其嚴(yán)重變形與縱梁比例確定為1∶4，而嚴(yán)重變形與次梁比例則確定為1∶250。同時也要重視進行對梁設(shè)計調(diào)整，以提高水平應(yīng)力的合理傳遞以及對此梁性能的影響。

3.3 確定支撐

縱梁型管架的管道的水平推動力主要經(jīng)由氣窗傳到縱梁，而縱梁的不平衡力主要由柱間支持所承擔(dān)，管架柱通常不承擔(dān)水準(zhǔn)推動力。柱間支承最常見的形式有X型和人字撐，X型按水平拉桿設(shè)計，長細比限值為300，人字撐按照按壓拉桿設(shè)計，長細比限值為200，而固定式管架縱梁按壓彎型鋼結(jié)構(gòu)計算，長細比限值為150。柱間支承宜左右同時設(shè)有或優(yōu)先設(shè)置于管道推力的水平區(qū)域，如果由于條件限制則宜錯開開間后設(shè)有水準(zhǔn)支承，以提高剛性并傳遞水準(zhǔn)推動力，同時為提高固定式管架的總體剛性宜在固定式管架位置設(shè)有水準(zhǔn)支承。對桁架構(gòu)件，其鋼結(jié)構(gòu)由強度的限制，優(yōu)先采用Q345B鋼，并盡量采用增加懸吊層的方法，來傳遞豎向應(yīng)力。

3.4 防護欄桿

建議單側(cè)安裝防護柵欄。在鋼管頂部通常有2～3級的電纜線管，一般長度都在1 m以下，所以，針對自動扶手焊管應(yīng)該采用42型號，而對立柱則應(yīng)該采用L63，因為這樣就能夠節(jié)省了鋼筋的用量，同時降低價格成本。

3.5 地基與基礎(chǔ)

在實施基礎(chǔ)配筋工程的過程中，嚴(yán)格按第一階段加以管理，并達到最低標(biāo)準(zhǔn)。因為天然地基具有特殊的抗震特性，所以，在抗震時引起的基本損傷主要是沖擊損傷。但是，在設(shè)計制定中又要小心，即要符合沖切規(guī)定，上一階又要盡可能做得小，在對下一階段的設(shè)計編制中又要重視寬深比的設(shè)計，通常為2∶5，這樣即既經(jīng)濟又有效。

3.6 防火與耐熱

（1）為介質(zhì)溫度低于或超過，自燃時的單個體積溫度大于或超過5 m2的易燃液態(tài)設(shè)備承重的結(jié)構(gòu)、支撐、裙座。

（2）在防爆范圍內(nèi)的高徑比，等于或大于8 d總重量等于或大于25 t的非易燃介質(zhì)裝置的最大承載重量，鋼框架、支撐結(jié)構(gòu)和裙座。

同時，規(guī)范中還要求機械設(shè)備承載的鋼架構(gòu)、支撐、裙座、管架等涵蓋防火層的部分，須滿足以下規(guī)范。機械設(shè)備承載鋼結(jié)構(gòu)：單層架構(gòu)的梁、柱；多層次架構(gòu)的樓層為透空的箅子板時，層地板上10 m范圍內(nèi)的梁柱多層架構(gòu)的樓層為圍封式樓層時，各層結(jié)構(gòu)樓板面上的梁、柱；機械設(shè)備承重運動鋼支撐或加熱爐鋼支撐：全部框架梁柱：鋼裙座外層，未保溫隔熱部分以及直徑超過12 m的裙座外立桿：鋼管架：下層主管帶的所有橫梁、立柱，且高度不得小于4.5 m；上層設(shè)有空氣冷卻管的鋼管架，其所有框架梁柱和斜支撐都應(yīng)當(dāng)包裹著防火層。噴涂有防火層的鋼鐵結(jié)構(gòu)，其防火極限也不應(yīng)當(dāng)小于2 h。

4 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

4.1 結(jié)構(gòu)選型

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的全部重要階段中，必須被重視的就是“概念設(shè)計”，這對構(gòu)件選擇和設(shè)計階段來說特別關(guān)鍵。對于某些無法進行嚴(yán)格理性分析或規(guī)范計算所確定的結(jié)構(gòu)問題，應(yīng)根據(jù)從整個構(gòu)件系統(tǒng)和各構(gòu)件間的力學(xué)相互作用、斷裂原因、震害、試驗情況以及施工實踐中得出的設(shè)計思路，從全局的觀點來決定構(gòu)件控制方式的整體設(shè)計和細部方法。通過采用概念設(shè)計，能夠在較早期階段快速、合理地做出設(shè)想、計算結(jié)果和選定。而所得構(gòu)造方法一般便于手算、定義清晰、定量分析精確，并能減少在結(jié)構(gòu)分析階段中不必的繁雜運算。同樣，這也是通過確定用計算機的力量分析計算信息可信與否的重要基礎(chǔ)。通過改變結(jié)構(gòu)荷載的方式，可以適應(yīng)不同的環(huán)境條件。一般通過降低散射截面的短向選擇次柱，不過這樣會使泵管散射截面增大，降低了樓層凈高度，頂層邊柱也有時會吃不消，此時將次柱支撐到最短的泵管上即可犧牲次柱保住泵管和柱子。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在下列承重結(jié)構(gòu)鋼框架、支撐、裙座、管架等上應(yīng)包覆耐火性能層：鋼結(jié)構(gòu)一般有構(gòu)架、水平支架、網(wǎng)架殼、索膜輕鋼結(jié)構(gòu)、塔桅等構(gòu)造形式。在石油化工企業(yè)中，常用的建筑構(gòu)件形式一般有：鋼鐵構(gòu)架一般用來支持水冷卻器、換熱器、臥式器皿、空氣冷卻器等化工機械鋼一般用來支持油管、電纜儀表槽箱等；門型鋼架一般用來大型壓縮機站房、泵棚等。這種結(jié)構(gòu)方式的思想和技巧大都成熟。也有部分問題未能克服，如缺乏簡便實用的設(shè)計方法，比如網(wǎng)殼的設(shè)計等。

而鋼結(jié)構(gòu)建筑盡管有重量輕、空間大、施工速度快、易于改造等優(yōu)勢，但與鋼筋和其他建筑材料相比，同樣也會遭受大火所造成的不良影響。和水泥比較，鋼鐵的防火特性相對較差。鋼鐵雖然不可燃，但在大火高溫作用下，其力學(xué)性能鋼的抗拉強度在0～250 ℃范疇內(nèi)，基本無改變，只是當(dāng)超過300°以上抗拉強度開始降低，500°時抗拉強度只有原來的10.5600時是原有抗拉強度的1/6～1/7，抗拉強度基本喪失殆盡，也就是鋼鐵的耐火限度在15 min以下為宜。

據(jù)一些試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鋼結(jié)構(gòu)在溫度低于300 ℃時，強度提高而塑性減??；在高溫超過300 ℃時，強度減小而塑性提高。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大約是普通水泥的40倍，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)外表受熱時能量就會迅速到達其內(nèi)部，加之由于鋼結(jié)構(gòu)為單一的材料構(gòu)成、內(nèi)部溫度分配規(guī)律、散射截面形狀為薄壁加工狀受火面面積大，因此在火災(zāi)時發(fā)熱迅速，根據(jù)中國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)外表的受輻射熱溫度超過150 ℃以上并在短期內(nèi)可能發(fā)生火災(zāi)作用時，就應(yīng)當(dāng)采取有效措施，以確保有效期的安全。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)管架的結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)的設(shè)計要按照結(jié)構(gòu)性質(zhì)，負荷分配情況和特點等全面考察。通常地說要剛度平衡、動力模型清晰，盡量控制大負荷或移動負載的作用程度，將其通過最直接的路徑輸送給建筑物。柱間抗側(cè)支撐的布置必須要均勻分布，其形心應(yīng)盡可能貼近于橫向力（風(fēng)震）的影響線，否則要充分考慮構(gòu)件的扭曲、構(gòu)件的抗側(cè)，應(yīng)為多道防線。如果有的預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)，支柱間至少要能分別承擔(dān)約1/4的總水平應(yīng)力。

4.2.1 防火要求布置

石油化工企業(yè)是國家的特大型企業(yè)、生產(chǎn)區(qū)儲運區(qū)內(nèi)各種塔罐林立，輸油管網(wǎng)密布。由于其原油和制品大部分易燃易爆，加之多屬高溫高壓。如果機械設(shè)備、管道、閥門漏氣，就非常容易著火，火災(zāi)風(fēng)險極大，而一旦支撐的機械部件燒斷將可能導(dǎo)致機械設(shè)備的全部倒塌，后果不堪設(shè)想，所以，用作支撐各種機械設(shè)備的鋼構(gòu)架的防火問題顯得特別關(guān)鍵。而石油化工產(chǎn)品則因其原料與制品的絕大多數(shù)易燃易爆，一經(jīng)漏氣，就非常容易起火，后果不堪設(shè)想。所以，作為管架的安裝和防火問題顯得特別關(guān)鍵。

4.2.2 隔熱法

用防火保溫材料將鋼結(jié)構(gòu)覆蓋起來。包裹材質(zhì)有水泥、輕量型防火水泥或鋼絲網(wǎng)膜防火水泥等，其好處是取材簡單、價格低廉、表面硬度好、抗沖擊、對建筑材料要求不多，但相對笨重。

4.2.3 導(dǎo)熱法

即在空心封閉截面寬度中主要是柱間充水，當(dāng)火災(zāi)后鋼構(gòu)將吸收的熱能傳給水中，再通過水分的揮發(fā)而消耗熱能或利用循環(huán)將熱能導(dǎo)走，鋼構(gòu)的工作溫度可保持在100 ℃左右，使結(jié)構(gòu)的高溫不會再上升到臨界溫度，這樣具有熱防護功能。這個技術(shù)在實際工程中很難行得通，更不宜用作建筑室外鋼結(jié)構(gòu)。

4.2.4 噴涂法

用噴漆工具把耐火油漆直接噴漆到鋼結(jié)構(gòu)表面，在火災(zāi)時可以產(chǎn)生防火保護層，目前在大型石油化工工廠構(gòu)架上使用的保護方式，大致有以下兩種。

厚涂型的耐火涂層（小時類）涂料厚介于8～50 mm，該類涂層密度較小且傳導(dǎo)性傳熱率低，以涂層自身的隔熱性能來增加鋼梁的耐火極限，耐火極限可達0.5～3 h。薄涂型耐火涂層B型）涂料最厚在7 mm以內(nèi)，該種涂層具備良好的裝飾性能，可以利用涂層遇到高熱后迅速膨脹并發(fā)泡，而產(chǎn)生的耐火隔熱效果來增加鋼梁的耐火極限。它的耐火極限可達到0.5～2 h，因此薄涂型一般應(yīng)用在建筑室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)上。在中國石油化工領(lǐng)域的主要大火類型是烴族火，而烴類大火和一般建筑火災(zāi)的最大不同點就在于上升曲線不同，一般建筑大火的30 min火焰高溫只有700～800 ℃，而烴族大火的上升速率很高，經(jīng)過10 min高溫達到了1 000 ℃，此薄涂型耐火涂料盡管涂層薄質(zhì)輕，但這種涂層的防火極限卻很低，在露天應(yīng)用中存在著老化問題、在潮濕條件下膨脹產(chǎn)生的穩(wěn)定性問題和在樹脂分解時出現(xiàn)煙霧和有害空氣的問題。

耐火涂層的設(shè)計要求原料需預(yù)先進行，禁止采用石棉材料和甲苯等介質(zhì)。耐火涂層應(yīng)采用噴漆、刷涂、輥涂、刮涂或擦涂等方式中的一種或多個方式進行，并應(yīng)在通常的自然狀態(tài)下干燥硬化。防火涂層一般為堿性或偏堿性。與覆面涂料要互相配合，而底層涂料則要能和其他的防銹漆配套使用。涂料在干時沒有刺鼻味道，燃后一般也不會出現(xiàn)煙霧等危害人類身體健康的現(xiàn)象異味。

5 結(jié)束語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)管架結(jié)構(gòu)的科學(xué)性與合理性對石油化工項目的順利運行起到了關(guān)鍵性的影響，在今后的運行中必須要做好對鋼結(jié)構(gòu)管架的結(jié)構(gòu)與調(diào)整，以提升石油化工產(chǎn)業(yè)的效益，維護石油化工產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)增長，為我國資源供給提供有力的保證。