管道管架（精选3篇）
管道管架 篇1
1. 管道应力的基本概念
首先,管架的设计与管道的设计应是同时进行的,管道的支撑是管道设计必须考虑的一个因素,这样到后期做管架设计时就不会出现管道难于支撑的情况,整个管道设计的过程将更加顺利。
其次,掌握管道设计的基本原则:
1)支撑管道载荷,防止管系某点产生过量变形
2)严格保证管架间距不超过管道基本间距(基本间距可查阅《管道设计规定》)
3)管架生根尽量采用土建结构梁柱,亦可用地面或大管
4)管架设置不得碍于操作及人员通行,便于设备、管道的拆卸、检修
另外管架的设置主要考虑管道的热胀冷缩——稳定性、柔性。
管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念,表示管道通过自身变形吸收热胀冷缩和其它位移变形的能力。进行管道设计时,应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变。在管道的柔性设计中,除考虑管道本身的热胀冷缩外,还应考虑管道端点附加位移。
对于刚开始做管架的设计人员总是觉得管架设计很困难,问题在于:一是不知道何处该设置管架;二是不知道选用何种管架。应力管道交管机专业人员做管架,非应力管道考虑起来就相对简单些,简单点说就是将管子支撑着,不掉下来,不晃动,当然也不能将管子固定死了,后面就将举些实例来说明。
2. 管道应力知识简介
管道应力可分为一次应力与二次应力。
一次应力简单来说就是指由外加载荷,如压力或重力等的作用产生的应力。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外载荷而产生的应力属于一次应力。
二次应力是指由管道变形受到约束而产生的应力,它不直接与外力平衡,二次应力的特点是具有自限性。在管道中,二次应力一般有热胀冷缩和端点位移引起。
2.1 管道位移量的计算
图2.1是一根空间走向的管道,假设A点固定,D点自由,则D点的总位移量
△(位移)=△T.L.α
△T——温差(管道的设计温度减去环境温度)
L——管长度
α——膨胀系数
2.2 管道柔性判断
如果管线的膨胀可自身吸收,满足柔性要求。
其中:D——管道外径mm
Y——总位移量mm
L——管总长m
U——两端点的直线距离m(图2.1指AD)
例:如图2.2管外径为89mm,材质为碳钢,设计温度为100℃,判断管道柔性。
管道柔性不够。
若AB=2000mm则,
D.Y
/(L-U)2=155<208.3
管道柔性够。
2.3 如何增大管道柔性
2.3.1 改变管道走向增大柔性
图2.3.1-1中O点为管道的几何重心,H为几何重心到两固定点连线的垂直距离,H越大管道的头型就越好。由此图2.3.1-2的补偿弯在L上加1000mm比在高度H上增加1000mm增加的柔性更大。
2.3.2 设置固定点增大柔性
在管道的适当位置设置固定架,可以增加管道的柔性。
3. 管架分类
3.1 管架本体可分为结构部分与功能部分。
其中结构部分可分为支架与吊架。其设计原则:怎么方便怎么做,既能支又能吊的,选用吊架,这样不挡道。但须考虑相应的预焊件、土建预埋件条件及点载荷条件。
功能部分可分为管托、导向架和轴向限位架。管托用于保温爆冷管道,导向架用于长度达到必须设置导向架的管道,防止管道摆动。其中轴向限位架在非应力管道中应用极少。
3.2 按功能分管架
按功能分管架,管架可分为承重架和限制性管架。其中承重架又可以分为刚性架、可调承重架和弹簧支架。限制性管架可分为导向限位、轴向限位和固定架。
摘要：对于刚开始做管架的设计人员总是觉得管架设计很困难,问题在于:一是不知道何处该设置管架;二是不知道选用何种管架。应力管道交管机专业人员做管架,非应力管道考虑起来就相对简单些,简单点说就是将管子支撑着,不掉下来,不晃动,当然也不能将管子固定死了。
关键词：管道柔性,管架,应力
参考文献
[1]SH/T3055-2007,《石油化工管架设计规范》,中华人民共和国石油化工行业标准;
[2]SH/T3073-2004,《石油化工管道支吊架设计规范》,中华人民共和国石油化工行业标准;
[3]宋岢岢,《压力管道设计及工程实例》,化学工业出版社, 2007年7月
浅谈化工厂区管架及管道布置 篇2
外管架的布置, 主要注意以下几点:
(1) 力求经济合理, 管线长度要尽可能短, 走向合理, 避免造成不必要的浪费。
(2) 应尽量避免对装置 (车间) 形成环状布置。
(3) 宽度一般由管道的数量、管径的大小、仪表、电缆所需决定, 并考虑20%~25%的余量。
(4) 柱至双车道路面边缘不应小于0.5 m, 至单车道中心线不应小于3 m。
(5) 柱的基础需要错开厂区内一些埋地管道, 如厂区的雨水、污水、循环水管道等, 特别是一些埋深比较浅的管线。管架布置时, 需要与总图、给排水专业事先沟通。
2 管架形式
一般为两种, 一种为单柱独立式, 用于横梁≤1.8 m, 柱距≤4 m;另一种为双柱联系梁, 即为门型支架。从使用材料来看, 可以做混凝土的, 也可以做钢的, 也可以柱做混凝土, 横梁做钢的, 可以根据业主要求, 使用各种材质。但考虑到腐蚀, 比如一些沿海化工厂, 考虑到海风腐蚀, 通常要求做混凝土。
3 管架的跨度与高度
3.1 跨度
管架的柱距与跨距是由敷设遮其上的管道因垂直荷载所产生的允许弯曲挠度决定的, 通常为6~9 m。如小直径的管道比较多时, 可在两根支柱之间设置副梁, 使管道的跨距缩小。有的厂区的跨度做得比较大, 然后在柱之间设置横梁, 横梁上面再设置副梁, 可以使厂区的柱减少, 桩基的数量减少, 小管道可以通过设置副梁, 满足跨度的要求, 外观比较整齐、美观。但由于横梁都需要采用型钢, 跨度越大, 梁、柱就越大, 从经济的角度, 不太适合。每个业主要求不一样, 可以根据业主要求, 讨论外观的布置方案。
3.2 管架的高度
(1) 横穿道路时, 其净空高度为:装置内的检修道路不应小于4.5 m;工厂道路不应小于5.0 m;铁路不应小于5.5 m;管廊下修通道不应小于3.0 m。 (2) 管架下管道的最小高度。为有效利用管廊下空间, 多在管廊下布置泵。考虑到泵的操作与维修, 至少需要3.5 m;管道与分区设备相接时, 一般应比管架的底层管道标高低或高600~1 000 mm。所以管架底层管底标高最小为3.5m。管廊下布置管壳式冷换设备时, 由于设备高度的增加, 需要增加管廊下的净空。 (3) 垂直相交的管架高差。两层管架之间的距离一般为1.5~3 m, 一般考虑H=6D (D是指两层之间最大管道的直径) , 若管架改变方向或两管架成直角相交, 其高差以500~750 mm为宜, 一般考虑h=3D (管架上最大管道的直径) 。
装置之间的管廊高度, 取决于经过地区的具体情况。沿罐区或工厂边缘, 不会影响厂区交通和扩建, 从经济和检修方面考虑, 可用管墩敷设, 离地面高300~500mm即可。
4 固定管架的确定
现由于有很多应力计算软件, 大多数公司都用软件计算, 来确定固定管架的设置点, 但还有很多公司, 还是需要工程师手算, 现简单介绍一下手算的计算方法。
由于厂区外管的长度一般都比较长, 而且管道在管架上的走向有上、下, 方向也可能改变, 如L型走向, 为了限制管道在纵向与横向的位移, 需要隔一段距离设置一个固定支架。管架上有热力管道时, 都有π型补偿器, 一般是在π型补偿器中心对称的两端各设置一个固定支架, 如图1ab的A、B两点;如是L型走向, 可按图2ab设置固定支架;也可以根据厂区管架情况, 在不同的位置设置固定支架。
如何计算不同管架形式的固定支架的位置, 参照以下图表。
5 管架上管道的布置
(1) 输送液体的大直径管道应布置在靠近管架柱的位置或柱的上方, 小直径的宜布置在中央部位。
(2) 与管廊左侧设备或装置连接的管道, 宜布置在左侧, 与右侧设备或装置连接的管道, 宜布置在右侧, 公用工程管道宜布置在中央。
(3) 对于多层管架, 通常气体、热的管道宜布置在上层, 液体的、冷的、液化石油气、化学药剂、具有腐蚀性的介质, 宜布置在底层。其它工艺管道可以视其两端所联系的设备管壳的标高确定布置在哪一层, 做到步步高或步步低。
(4) 个别大管道进入管架改变标高有困难时, 可平拐进入, 但应布置在管架边缘。
(5) 有孔板的管道宜布置在管架上方靠近走台或靠近柱、梁, 以便设平台、梯子。
(6) 管架上的大小头, 都为底平偏心大小头。
(7) 管架上有坡度要求的管道, 可以通过调整管托高度或者管架上垫型钢来实现。
(8) 布置管道时, 与电气、仪表专业沟通, 留好位置。
(9) 当泵布置在管架下, 泵的进、出口在管廊内, 如是多层管架, 下层应留有管道下穿的空隙。
(10) 管架上液体支管一般都是从总管底部接出, 气体支管一般都是从总管顶部接出。
6 总结
外管架的布置, 每个厂区都不一样, 可以根据不同情况, 调整管架的形式、材料等。关键点是通过全厂规划, 确定固定支架的位置, 计算其推力的大小, 满足钢材的许用应力, 当热力管道比较多时, 要特别谨慎, 以免造成不必要的安全事故。
参考文献
[1]张红兵, 等.化工工艺设计手册.上海:化学工业出版社.
[2]唐士选, 等.管道常用数据表.北京:化工部工程建设标准编辑中心.
[3]中国石油化工集团公司.石油化工企业设计防火规范.北京:中国计划出版社.
石化行业管架设计要点分析 篇3
在石油化工、化工厂内管架和管墩是支承全厂工艺生产装置和供热系统管道的主要结构, 量大面广;特别是管架, 它分布并联系全厂每个生产装置, 在厂区内外纵横交叉的管道网, 像人体的血管一样, 起着重要的作用。对一个大型的石油化工厂而言, 全厂的管架长达数公里, 其设计的规范性和技术性都很强。充分认识它的重要性, 了解它的设计特性, 掌握它的基本设计因素, 对我们做好系统管架的结构设计, 无疑是有很大帮助的。
笔者经过对多个石油化工生产装置中管架设计的比较分析, 结合几年设计经历, 对石化行业管架的设计有了一定认识, 并总结了几点经验教训, 在此提出来, 希望能跟大家一同探讨, 使管架的设计做到经济合理、技术先进、安全可靠。
2 管架的荷载及水平推力计算
管架主要荷载形式有竖向荷载、管道的水平推力、风荷载、地震作用、管道振动荷载等, 除管道水平推力外, 其他形式荷载规范已有明确论述, 依照现行规范, 由结构人员自行计算, 但管道的水平推力一般由管道专业提供, 管道水平推力的作用机理及取值, 在设计过程中还有不同的意见。作为结构设计人员来说, 了解水平推力的产生是进行管架设计工作的重要前提。
管道的水平推力主要是由于管道受热膨胀产生的, 在SH/T3055—2007石油化工管架设计规定, 当所支承的管道符合下列条件之一时, 管道的水平推力可不计算。
1) 常温管道, 介质的温度不超过40℃;
2) 管道根数在10根以上, 其中介质的最高温度 (温度应包括扫线时的温度) Tmax130℃;
3) 主要热管重量与全部管道重量的比值α≤0.15。
下面就管架中的两个重要组成部分:中间活动管架及固定管架的管道水平推力计算进行简单介绍。
2.1 中间活动管架的管道水平推力
中间活动管架由于柱刚度不同, 所受的管道水平推力也有区别, 分为刚性中间管架、柔性中间管架, 判定的依据可由下式判别:
Fuk≥Fgk为刚性中间管架。
Fuk<Fgk为柔性中间管架。
其中, Fuk为等效水平推力, 作用在柔性中间管架上, 由于柱顶变位产生的弹性力标准值, k N;Fgk为轴向水平推力, 作用在刚性中间管架上, 由于管道膨胀产生的摩擦力标准值, k N。
2.1.1 刚性中间管架水平推力标准值计算
其中, Gk为正常操作时作用在一榀管架横梁上的总垂直荷载标准值, k N;μj为摩擦系数, 钢与钢滑动接触时采用0.3;Kj为牵制系数。
2.1.2 柔性中间管架水平推力为柱顶弹性力Fuk标准值
1) 钢结构柔性中间管架水平推力标准值按下式计算:
式中:Bs———管道轴向, 管架的短期刚度;
Δ———主要热管道膨胀量。
2) 钢筋混凝土柔性中间管架水平推力标准值按下式计算:
SH/T 3055—2007石油化工管架设计规定。
式中:Bs———管道轴向, 管架的短期刚度;
Δ———主要热管道膨胀量。
HG/T 20670—2000化工、石油化工管架管墩设计规定。
式中:n———一榀管架柱子的根数 (一般为2) ;
H———管架柱的高度, 当双层管架时, 为基础顶至主要热管所在横梁顶面的高度, cm;
Δl———主要热管在所计算的管架顶面处的膨胀量, cm;Δl=α (Tmax-T) L1;
α———钢材的线膨胀系数 (每升温1℃) , α=1.2×10-5;
Tmax———主要热管受热时的最高温度, ℃;
T———管道安装时的温度, ℃;
L1———所计算的管架距固定点的距离, cm;
Ff———作用在一榀柔性管架上, 由于柱顶变位产生的弹性力标准值, k N;
Ec———混凝土的弹性模量, k N/cm2;
I———一榀管架中一根柱子沿管道纵向的截面惯性矩, cm4。
上述两个现行行业标准提供的计算混凝土结构中间活动管架的刚柔性公式大致上看基本相似, 但实际上有着本质的区别。在HG/T 20670—2000化工、石油化工管架管墩设计规定采用有限元方法将梁柱折合成杆系, 那么它所用的单元刚度矩阵中, 抗弯刚度用的是EI, 而这个EI和混凝土规范中的短期刚度Bs是有本质区别的, EI的采用是结构力学的范畴, 它考虑的是作为杆件的梁柱本身的抗弯属性, 是一种理想状态。而短期刚度Bs是材料力学的范畴, 它是由理论和试验相结合的基础上得到的, 由试验中梁柱内部的应变和曲率反推导得到的。换而言之, 短期刚度和长期刚度是为了计算挠度和裂缝而单独设计出来的。个人认为两个计算公式都能满足工程上的需要, 但是SH/T 3055—2007石油化工管架设计规定求解柔性管架水平推力Fuk的公式更接近于实际。
2.1.3 牵制系数Kj
从上述计算管道水平推力的公式来看, 管道的牵制系数Kj是一个比较关键的数值, 它的大小直接决定了管道水平推力的大小。
管道与管架之间具有相互制约作用, 管道对管架除作为荷载作用外, 尚应考虑其对管架的约束作用。当中间管架上敷设3根或3根以上管道时, 中间管架轴向水平推力的牵制系数Kj, 必须考虑由于每根管道水平推力不同时出现, 及各管道温度不同时升高等因素, 对管架变形或摩擦力产生的牵制影响, 其牵制作用大小取决于主要热管道质量与全部热管道质量之比a值的大小。此处特别需要注意的是计算梁、柱和基础时, a的取值不同。
1) 计算梁时, 考虑该层梁上的全部管道重量, 并从中选用一根主要热管计算a值;2) 计算柱和基础时, 考虑整个管架上的全部管道重量, 并从各层主要热管道中选用一根起控制作用的主要热管计算a值, 管架的水平推力作用在主要热管道所在的层。
在SH/T 3055—2007石油化工管架设计规定中还有两个这样的补充说明:
1) 计算柱和基础时, 主要热管道所在层与相邻层间距较大时, 相邻层管道对主要热管所在层管道的牵制作用减小, 此时牵制系数应加大。2) 计算柱和基础时, 当顶层有较大管道且与下层管道间距较大时, 可以分成上下两部分, 分别计算水平推力。
此处虽然提醒设计人员注意, 当管架上下层间隔较大时, 两层管道之间的相互牵制作用减小, 但遗憾的是只是模糊指出间隔较大, 并未明确指出具体范围, 看来此处仍还需要广大设计人员进一步研究, 才能使设计工作更加准确。
2.2 固定管架的水平推力
固定管架横梁上的水平推力应包括下列数值:
1) 管道补偿器的弹性力标准值∑Fb。当管道膨胀时, 补偿器将被压缩变形, 由于补偿器的刚度作用, 必将产生抵抗压缩变形的反力, 这个反力通过管道作用于固定管架上, 这就是补偿器的弹性力Fb, 此力根据补偿器的种类、管径、介质温度、补偿器布置位置等不同, 经管道应力计算后确定, 此值由管道专业提供, 补偿器的种类有∏形、套筒形、波形、球形等, 常用的为∏形。
每一种补偿器的弹性力标准值都不尽相同, 具体数值可查看相关标准。
2) 关闭阀门时, 管道的阀门、弯管及盲板等由介质产生内压力标准值∑Fn。在补偿器的一侧设有闸阀或盲板, 如将闸阀关闭, 由于闸阀受到气体压力作用, 将产生对管道的不平衡内压力Fn, 此力应由管道专业提供。
3) 中间管架通过管道传给固定管架的反作用力。当中间管架为刚性管架时, 等于固定管架至补偿器之间各中间刚性管架的摩擦反力之和∑Fgk, k N;当中间管架为柔性管架时, 等于固定管架至补偿器之间各中间柔性管架的位移弹性力之和∑Fuk, k N。
固定管架的水平推力F, 一般均由管道专业计算提供∑Fb, ∑Fn值, 再由结构设计者根据中间活动管架的特征、管道布置具体情况按重载式 (端部固定管架) 、减载式 (中间固定管架) , 自行计算出∑Fgk或∑Fuk, 相加后组成固定管架的总水平推力F值。对于结构设计者, 此处尤其需要注意。
3 系统管架布置
系统管架作为管架设计中的一种形式, 是具有自己独特性质的。系统管架由固定管架和中间活动管架组成。由于辅送石化产品的介质温度不同或大气温度的变化, 而管道又很长, 所以常常产生热胀冷缩的管道位移, 为了适应这种热胀冷缩的变形要求, 通常每隔一定距离设置固定点, 这类管架为固定管架。在两个固定点之间设置若干中间活动管架和一个补偿器, 用这样的方法, 把管道划分为若干区段, 每段管道的热膨胀量, 由每段设置的补偿器所吸收。
对于系统管架, 长达数公里, 管道允许跨距的大小直接决定着管架的数量, 管道允许跨距太小造成管架 (或横梁) 过密, 管架费用增高, 在管道的强度和刚度能够保证安全和正常运行的前提下, 应尽量增大管道的跨距, 以降低管架费用。管架布置时固定管架和中间活动管架, 宜对称布置, 避免在固定管架的两端产生不平衡膨胀力。固定架水平荷载较大时, 可设置固定架柱间支撑。中间活动管架应采用刚性管架, 避免温度应力将管架破坏。
提管道荷载条件时, 应提供管道重 (包括管道、内衬、保温层、管道附件) 、介质重、固定管架上各管道的水平推力及作用方向、其他荷载 (包括管内事故水、试压水、沉积物、预留荷载和平台荷载) , 特别注意:预留荷载应控制在可预见的合理范围内, 否则容易造成管架结构构件笨重与管架上敷设的管道数量不匹配, 并且预留管道荷载过大时, 造成管道牵制系数Kj过小, 对于现行管架的计算并不是有利的, 甚至起到相反的作用, 使结构偏于不安全。
4 结语
管架能承担荷载的大小, 与许多因素有关, 比如管架所在的位置、管架高度、宽度、柱距、当地的基本风压、抗震设防烈度等, 做管架布置时, 建议与管道、总图、结构专业共同配合, 合理确定管架的平面和空间布置, 以及固定管架的位置, 以求得最佳方案。
摘要：重点阐述了计算石化行业管架的管道水平推力时应注意的问题, 比较分析了两种现行行业标准计算方法的异同, 提出了系统管架的结构布置以及设计中注意的事项, 旨在对今后的工程设计提供参考。
关键词：管架,荷载,水平推力,系统管架,布置
参考文献
[1]SH/T#space2;#3055—2007, 石油化工管架设计规定[S].
[2]HG/T#space2;#20670—2000, 化工、石油化工管架管墩设计规定[S].