胡家郡，付雪鋒，熊 峰

(四川能投建工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，如果支吊架設(shè)計(jì)選擇不當(dāng)，不能承受管道重量等荷載，可能導(dǎo)致管道一次應(yīng)力超標(biāo)。另外，通過支吊架的設(shè)置還可以對管系的變形加以控制，從而減小管道的二次應(yīng)力和管道對設(shè)備的推力，保證管道和設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。管道支吊架設(shè)置不合理，會導(dǎo)致如下后果：① 管道支吊架跨度過大，會導(dǎo)致管道垮塌；② 由于受介質(zhì)溫度的影響，管道熱脹冷縮會產(chǎn)生位移，如果支吊架沒有考慮足夠的位移量，會導(dǎo)致支架脫落，引起其他支架超載、設(shè)備管口超載等問題。

設(shè)計(jì)之初，可通過改變支吊架形式、位置來調(diào)節(jié)管系中的應(yīng)力。常見的支吊架大體可分為承重架、限制性支架、減震架三大類：① 承重架——用來承受管道的重力及其他垂直向下荷載的支吊架，包括滑動架、彈簧支吊架、剛性吊架、可調(diào)支架等；② 限制性支架——用來阻止、限制或控制管系位移的支架，包括導(dǎo)向架、止推限位架、固定支架等；③ 減振架——用來控制或減小除重力和熱膨脹以外的其他力(如機(jī)械振動、風(fēng)和地震等外部荷載)的作用所產(chǎn)生的管道振動的支架，包括防震管卡、阻尼器等。

現(xiàn)以某化工項(xiàng)目離心式壓縮機(jī)出口沿框架爬升至結(jié)晶器進(jìn)口管道(DN1200)為例，針對此管道管口及支架處應(yīng)力過大的問題，采用PDMS建模，運(yùn)用CAESARⅡ軟件(2019版)，通過對支吊架底部增設(shè)PTFE滑板與否兩種情況下管口荷載及管道支架受力情況進(jìn)行分析與比較，探究摩擦力對管系產(chǎn)生的影響。

1 PDMS建模

1.1 初始條件

(1)本項(xiàng)目離心式壓縮機(jī)出口管道沿框架(框架上設(shè)有支撐)爬升至結(jié)晶器進(jìn)口，選取此段管道進(jìn)行分析，管道參數(shù)：管道內(nèi)介質(zhì)為氣氨、CO2，管道規(guī)格為DN1200、壁厚10 mm，材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2，設(shè)計(jì)壓力0.90 MPa、工作壓力0.75 MPa，設(shè)計(jì)溫度175 ℃、工作溫度155 ℃。

(2)工況參數(shù)：① 操作工況(OPE1)，溫度155 ℃、壓力0.75 MPa；② 設(shè)計(jì)工況(OPE2)，溫度175 ℃、壓力0.90 MPa；③ 持續(xù)荷載工況Ⅰ(SUS1)，此工況下只有重力和壓力，即冷態(tài)，此時(shí)壓力同OPE1；④ 持續(xù)荷載工況Ⅱ(SUS2)，此工況下只有重力和壓力，即冷態(tài)(與SUS1相比只是壓力不同)，此時(shí)壓力同OPE2。

1.2 計(jì)算模型

據(jù)梁、柱所在位置，設(shè)置此段管道支架；依據(jù)結(jié)晶器設(shè)備圖，模擬邊界條件；在CAESARⅡ軟件中建立模型，如圖1(注：節(jié)點(diǎn)10——壓縮機(jī)出口；節(jié)點(diǎn)20——承重支架并設(shè)置導(dǎo)向支架；節(jié)點(diǎn)80——彈簧支架；節(jié)點(diǎn)110——承重支架并設(shè)置Z向限位支架；節(jié)點(diǎn)110～節(jié)點(diǎn)140——設(shè)置大拉桿膨脹節(jié)；節(jié)點(diǎn)140、160、169——承重支架；節(jié)點(diǎn)220——結(jié)晶器進(jìn)口)。

圖1 壓縮機(jī)出口管道CAESARⅡ建模示意圖

1.3 管架設(shè)計(jì)原則[2]

(1)管架設(shè)置應(yīng)嚴(yán)格控制管架間距不能超過基本跨距，防止其撓度超限。上述氣體管道公稱直徑1 200 mm，經(jīng)查《化工管路設(shè)計(jì)手冊》[3]，允許跨距為25 m，本設(shè)計(jì)中管架最遠(yuǎn)跨距為10 m，符合設(shè)計(jì)原則。

(2)管架設(shè)置應(yīng)滿足管系柔性要求，宜利用管系的自然補(bǔ)償能力合理分配管架點(diǎn)和選擇管架類型，注意在同一段直管上不能設(shè)置2個(gè)或2個(gè)以上的軸向限位架。本計(jì)算模型中僅在節(jié)點(diǎn)110設(shè)置軸向限位架，符合設(shè)計(jì)原則。

(3)限制性管架的設(shè)置除應(yīng)控制管道的熱位移外，還有防止管道振動的作用，如在敏感設(shè)備(如機(jī)泵)接管口附近的直管段上設(shè)置導(dǎo)向架或其他的限位架。本設(shè)計(jì)中，在靠近壓縮機(jī)出口的節(jié)點(diǎn)20設(shè)置了承重支架加導(dǎo)向架，可降低管道二次應(yīng)力對壓縮機(jī)出口的影響。

(4)應(yīng)在集中荷載大的閥門以及管道組件附近設(shè)置管架。本設(shè)計(jì)中，在大拉桿膨脹節(jié)兩端設(shè)置了承重支架，減輕管道上的集中荷載。

(5)管架的生根點(diǎn)應(yīng)利用已有的構(gòu)筑物、建筑物的構(gòu)件及管廊的梁柱。本設(shè)計(jì)中，所有支撐點(diǎn)均在構(gòu)筑物的梁、柱上，確保管架的穩(wěn)定性。

2 應(yīng)力分析與計(jì)算

管系操作工況和設(shè)計(jì)工況的應(yīng)力分析遵循《工藝管道(中文版)》(ASME B31.3-2014)。針對不同工況，對支吊架底部增設(shè)PTFE滑板與不增設(shè)PTFE滑板兩種情況下管口荷載及管道支架受力情況進(jìn)行應(yīng)力分析與比較。

2.1 未增設(shè)PTFE滑板操作工況應(yīng)力分析與計(jì)算

未增設(shè)PTFE滑板操作工況下，支架與支撐管道的管托屬于鋼對鋼摩擦，摩擦系數(shù)為0.3，管系溫度為155 ℃，主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表1?？梢钥闯觯僮鞴r下由于摩擦力的作用管道支架及管口處荷載與冷態(tài)時(shí)相比明顯增大。以節(jié)點(diǎn)140、160、169為例，管系溫度升高后，管道產(chǎn)生位移，由于摩擦力的影響，在支架處產(chǎn)生FX、FZ向的推力；其中，節(jié)點(diǎn)169之FZ向推力由683 N升至10 053 N、增高約15倍，節(jié)點(diǎn)220之FX、FZ向荷載均有所增大，影響尤為明顯。

表1 未增設(shè)PTFE滑板操作工況與冷態(tài)(SUS1)應(yīng)力對比

2.2 未增設(shè)PTFE滑板設(shè)計(jì)工況應(yīng)力分析與計(jì)算

未增設(shè)PTFE滑板設(shè)計(jì)工況下，支架與支撐管道的管托屬于鋼對鋼摩擦，摩擦系數(shù)為0.3，管系溫度為175 ℃，主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表2。對比表1與表2數(shù)據(jù)可知：管系溫度升高20 ℃，管道膨脹量增加，管道支架處荷載減小，管口處荷載相應(yīng)增大；管系溫度升高后管道垂直方向位移增大(即Y軸正向位移增大)，管道被抬高，作用在支架上的壓力減小——摩擦力與壓力、摩擦系數(shù)成正比，在摩擦系數(shù)不變的情況下，Y向受力(壓力)減小，由摩擦產(chǎn)生的摩擦力也相應(yīng)減小。例如：節(jié)點(diǎn)169之FY由操作工況下的-16 641 N減小至-38 609 N，F(xiàn)X、FZ也相應(yīng)減??；管口節(jié)點(diǎn)220由于管道位移增加、摩擦力減小導(dǎo)致此處扭矩增加，管道整體向-Z軸方向運(yùn)動的趨勢明顯，MX由操作工況下的-4 645 N·m“增大”至-7 850 N·m。

表2 未增設(shè)PTFE滑板設(shè)計(jì)工況與冷態(tài)(SUS2)應(yīng)力對比

2.3 增設(shè)PTFE滑板操作工況應(yīng)力分析與計(jì)算

增設(shè)PTFE滑板(節(jié)點(diǎn)20、節(jié)點(diǎn)110、節(jié)點(diǎn)140、節(jié)點(diǎn)160、節(jié)點(diǎn)169處均增設(shè)PTFE滑板，下同)操作工況下，支架與支撐管道的管托之間因增設(shè)了PTFE滑板屬于鋼對聚四氟乙烯摩擦，摩擦系數(shù)為0.1，管系溫度為155 ℃，主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表3。對比表3與表1數(shù)據(jù)，增設(shè)PTFE滑板后，相同工況下，管道與支架間的摩擦系數(shù)由0.3降至0.1，管道支架荷載顯著減小，管口處荷載也得到很好的優(yōu)化，此時(shí)除重力外FX、FZ值均有明顯減小，如表3中FX、FZ最大值出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)110，此處支架的FZ向推力10 383 N較表1中節(jié)點(diǎn)110的FZ向推力23 154 N減小55%。從結(jié)構(gòu)上看，支架生根位置所承受的荷載對整體結(jié)構(gòu)影響較小，無需增加鋼結(jié)構(gòu)的截面積來抵抗Z向、X向的推力。

表3 增設(shè)PTFE滑板后操作工況與冷態(tài)(SUS1)應(yīng)力對比

2.4 增設(shè)PTFE滑板設(shè)計(jì)工況應(yīng)力分析與計(jì)算

增設(shè)PTFE滑板設(shè)計(jì)工況下，支架與支撐管道的管托之間因增設(shè)了PTFE滑板屬于鋼對聚四氟乙烯摩擦，摩擦系數(shù)為0.1，管系溫度為175 ℃，主要節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析如表4。對比表4與表2數(shù)據(jù)，增設(shè)PTFE滑板后，相同工況下，管道摩擦力降低，使得管道支架處荷載顯著減小，Y向上受摩擦力影響較小，數(shù)值變化不大。

表4 增設(shè)PTFE滑板后設(shè)計(jì)工況與冷態(tài)(SUS2)應(yīng)力對比

3 對比分析與總結(jié)

以操作工況(OPE1)下本項(xiàng)目離心式壓縮機(jī)出口(節(jié)點(diǎn)10)與結(jié)晶器進(jìn)口(節(jié)點(diǎn)220)為例，就支吊架底部增設(shè)PTFE滑板與否兩種情況下的應(yīng)力進(jìn)行對比分析，具體見表5?？梢钥吹剑涸鲈O(shè)滑板后，作用在壓縮機(jī)出口(節(jié)點(diǎn)10)管口上FX、FZ、MY、MZ荷載減小約50%；增設(shè)滑板后，作用在結(jié)晶器進(jìn)口(節(jié)點(diǎn)220)管口上FX、FY荷載減小非常明顯；而MX的增加是因?yàn)樵鲈O(shè)PTFE滑板后節(jié)點(diǎn)110到節(jié)點(diǎn)160管道Z軸負(fù)向位移增大，從而對節(jié)點(diǎn)200產(chǎn)生了一個(gè)沿X軸正向的扭矩。經(jīng)設(shè)備專業(yè)(人員)核實(shí)，此處荷載在設(shè)備管口許用荷載之內(nèi)。

表5 操作工況(OPE1)下增設(shè)PTFE滑板與否應(yīng)力對比

當(dāng)管道因熱膨脹而發(fā)生位移時(shí)，會與相關(guān)的支承面產(chǎn)生摩擦力，摩擦力對管道的熱脹起阻礙作用，降低了管系的柔性。本項(xiàng)目選用PTFE滑板降低支架與支撐管道的管托之間的摩擦力，增加了管系柔性，同時(shí)降低了管道軸向應(yīng)力。管道軸向應(yīng)力SL主要為內(nèi)壓或外壓所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、活動支架的摩擦力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、管道自重和熱膨脹所產(chǎn)生的力和力矩作用于管道上的軸向應(yīng)力，以及其他力和力矩作用于管道上的軸向應(yīng)力[4]：SL=SLP+SLA+SLB[式中：SLP——由管道內(nèi)(外)壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，MPa；SLA——作用于管道上的其他外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，MPa；SLB——作用于管道上的其他外力矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，MPa]。其中，由于內(nèi)(外)壓力作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力SLP較小，可不考慮；增設(shè)PTFE滑板后，在其他條件不變的情況下，通過減小作用于管道上的其他外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力(即摩擦力SLA)，即可達(dá)到降低管道軸向應(yīng)力、優(yōu)化壓縮機(jī)出口荷載的目的。

降低管口荷載常用途徑：① 添加膨脹節(jié)、彈簧；② 增設(shè)限位架，將荷載轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)上；③ 改變管道走向，增加管系柔性。本設(shè)計(jì)為了降低管口荷載，在節(jié)點(diǎn)110至節(jié)點(diǎn)140之間設(shè)置大拉桿膨脹節(jié)，用來吸收管道X向位移，降低壓縮機(jī)出口(節(jié)點(diǎn)10)Z向扭矩MZ；對于節(jié)點(diǎn)80，若采用剛性支架，在熱態(tài)下管道熱位移向上，此處將會脫空，荷載將會由壓縮機(jī)出口(節(jié)點(diǎn)10)及出口處支架(節(jié)點(diǎn)20)來承擔(dān)，為避免此情況發(fā)生，此處選用了彈簧支架；在節(jié)點(diǎn)110設(shè)置限位架，限制管道Z向位移，降低管口(節(jié)點(diǎn)10)X向扭矩MX。

采取以上降低管口荷載的設(shè)計(jì)后，壓縮機(jī)出口(節(jié)點(diǎn)10)、結(jié)晶器進(jìn)口(節(jié)點(diǎn)220)荷載及支架處受力仍然偏大。如果采取修改管道走向的設(shè)計(jì)，通過管道彎曲吸收管道X、Z向位移，的確可以降低管口荷載，但這樣一來管件、管道材料均需增加，增加的DN1200彎頭不僅尺寸大且成本高，還浪費(fèi)了平臺上的空間。而本項(xiàng)目通過采取在支架處增設(shè)PTFE滑板的設(shè)計(jì)，在其他條件不變的情況下，即可有效降低管道摩擦力，改變管系受力情況，增加管系柔性，最終使管口荷載滿足工藝要求。

4 結(jié)束語

對于大直徑管道來說，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮摩擦力的影響，確定支架位置及形式。本設(shè)計(jì)案例中，通過在離心式壓縮機(jī)出口至結(jié)晶器進(jìn)口管道支吊架底部增設(shè)PTFE滑板，用極小的成本來優(yōu)化管口荷載、降低支架對結(jié)構(gòu)的推力，可確保管系長期穩(wěn)定運(yùn)行?？傊?，本設(shè)計(jì)案例基于管道支吊架設(shè)計(jì)原則及摩擦力對管系的影響，運(yùn)用CAESARⅡ建模分析熱力管道采用PTFE滑板與支架組合對管口及支架處的荷載進(jìn)行優(yōu)化，可為同類設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)參考與借鑒。