本文格式為Word版，下載可任意編輯——管道設(shè)計(jì)中支吊架的正確設(shè)置一次應(yīng)力和支承端承受荷載的大小卻可通過(guò)設(shè)置支吊架來(lái)加以調(diào)整。因此，管道支吊架的設(shè)置對(duì)管系一次應(yīng)力的大小有著直接的關(guān)系。當(dāng)水平管道上支吊架太少時(shí)，不僅會(huì)使一次應(yīng)力增大，同時(shí)也會(huì)使管道的撓度增大，以至超過(guò)許用值，而不利于管系的安全運(yùn)行。3.2調(diào)理管系二次應(yīng)力/端點(diǎn)推力

管道支吊架的其次個(gè)重要作用是調(diào)理管系的二次應(yīng)力/端點(diǎn)推力。一般來(lái)說(shuō)，管道承受荷載所產(chǎn)生的一次應(yīng)力是非自限性的，其值不超過(guò)管材的許用應(yīng)力即認(rèn)為是可靠的，而對(duì)于由管系在熱變形過(guò)程中受阻所引起的自限性的二次應(yīng)力需用熱脹許用應(yīng)力范圍來(lái)判斷(熱態(tài)與冷態(tài)應(yīng)力的代數(shù)差稱為應(yīng)力范圍)，尋常熱脹許用應(yīng)力范圍不應(yīng)大于式(5)［1］計(jì)算所得的數(shù)值

σA=f(1.25σc+0.25σh)(5)

式中：σA——熱脹許用應(yīng)力范圍，MPa；

σh，σc——熱態(tài)和冷態(tài)管材的許用應(yīng)力，MPa；

f——根據(jù)管道在工作年限內(nèi)伸縮的總循環(huán)次數(shù)確定的應(yīng)力降低系數(shù)。

所以，正確選用支吊架，調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布狀態(tài)，使管系適應(yīng)變形的需要，并使管系端點(diǎn)推力在許用范圍內(nèi)是十分重要的。同時(shí)，還可選擇某種類型的支架(或限位架)以限制管系在某個(gè)方向的位移，從而減少設(shè)備管嘴的受力(或應(yīng)力)，以保護(hù)設(shè)備，特別是那些敏感設(shè)備，如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)和機(jī)泵的管嘴等。

在利用支吊架調(diào)理管道的應(yīng)力/端點(diǎn)推力時(shí)，管道設(shè)計(jì)中充分利用或消除剛性支架(固定支架除外)的杠桿效應(yīng)是十分重要的。

由于管道是一個(gè)剛度足夠大的彈性體，如設(shè)計(jì)中不是按簡(jiǎn)支梁條件來(lái)分派管道的荷載，而是依照吊零加給定荷載條件分派荷載，那么在任何有剛性支架的地方都會(huì)產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。

以下是在設(shè)計(jì)中利用或消除支架杠桿效應(yīng)的例子。

在實(shí)際配管設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用支吊架以減少機(jī)泵進(jìn)出口管道對(duì)機(jī)泵等設(shè)備進(jìn)出口管嘴的受力，有時(shí)必需消除由于支架產(chǎn)生杠桿效應(yīng)的影響，其狀況如圖1所示。

圖1配管示意圖

為了達(dá)到上述要求，一般在靠近設(shè)備處設(shè)置支架A。在一般條件下，設(shè)備的剛性是很大的，所以在進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，將設(shè)備作為一個(gè)剛

性體來(lái)處理。此時(shí)，在設(shè)備E點(diǎn)處將產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值較大的力F，產(chǎn)生的原因是自A至B段管道自重產(chǎn)生的彎矩M，需要彎矩F×EA來(lái)平衡，當(dāng)距離EA的數(shù)值很小時(shí)，力F的值必然很大，故當(dāng)時(shí)考慮減小設(shè)備受力的目的就達(dá)不到。假使適當(dāng)移動(dòng)A點(diǎn)(杠桿支點(diǎn))的位置，則可調(diào)理力F的大小。此外，若允許支點(diǎn)A略微下沉，則可消除由于吊零分派荷載在A點(diǎn)引起的杠桿效應(yīng)，彎矩M就會(huì)大幅度地減小，從而使力F也大大地減小。將A點(diǎn)下沉的方法是利用管道的重力，對(duì)剛性支架給定間隙或?qū)傂灾Ъ芨挠脧椥灾У跫芑蚝懔χЪ堋５趯?shí)際配管中，由于計(jì)算出的A點(diǎn)位移(下沉)值在施工中是難于保證的，故在A點(diǎn)處使用彈性支吊架或恒力支架為宜，也可用可調(diào)支架。

3.3消除管道布置不當(dāng)造成的荷載轉(zhuǎn)移

如前例所示，管道支吊架在柔性設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析中有著特別作用。根據(jù)對(duì)管道支吊架的分析，尋常為了滿足一次應(yīng)力/撓度的要求，要增加支吊架數(shù)量，以減少管道的受力，但從降低二次應(yīng)力這一方面出發(fā)，則要求減少支架對(duì)管道的約束，使管系盡可能地自由變形，以降低二次應(yīng)力/熱推力，考慮到經(jīng)濟(jì)、美觀及場(chǎng)地等限制條件，也要求減少管道支吊架的設(shè)置。因此，在管道設(shè)計(jì)或應(yīng)力分析中，考慮如何合理而適當(dāng)?shù)卦O(shè)置支吊架是很重要的。非剛性支吊架在管道應(yīng)力分析中的特別作用是用以消除管系因布置不當(dāng)而造成的荷載，如采用彈性支吊架或恒力支架來(lái)消除剛性支吊架造成的失載，滿足應(yīng)力/推力的要求等，下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的管道布置例子，如圖2所示。

圖2配管示意圖

某煉油裝置的一根Φ219mm×6mm管道，材質(zhì)為碳素鋼，操作溫度為300℃，壓力2.0MPa。現(xiàn)設(shè)定B點(diǎn)處分別使用剛性支架和彈性支架，并對(duì)兩個(gè)方案分別計(jì)算。

方案1假設(shè)A和C點(diǎn)為固定點(diǎn)，B點(diǎn)上使用一個(gè)約束。在常溫下，由W+P1+F(SUS)(計(jì)算一次應(yīng)力的工況)產(chǎn)生的一次應(yīng)力最大值為98.54MPa，二次應(yīng)力(EXP)最大值為158.45MPa，B點(diǎn)處熱荷載為零，冷荷載為-4687N。由此可見(jiàn)，一次應(yīng)力最大值小于操作狀況下的許用應(yīng)力101.00MPa，滿足驗(yàn)算要求。但由于B點(diǎn)處正Y向約束托架失載，根據(jù)分析結(jié)果管道在操作狀態(tài)，即B點(diǎn)熱失載的狀況下，荷載重新分派后對(duì)一次應(yīng)力有影

響。B點(diǎn)托空，也就是說(shuō)此時(shí)B點(diǎn)無(wú)支承，去掉B點(diǎn)處的支架，再計(jì)算得一次應(yīng)力最大值為146.821MPa，大于許用應(yīng)力，可見(jiàn)，此支架布置不合格。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上改B點(diǎn)處正Y向約束為彈性支吊架，經(jīng)計(jì)算一次應(yīng)力最大值為89.752MPa，小于許用應(yīng)力，應(yīng)力驗(yàn)算通過(guò)，設(shè)計(jì)方案合理。

由于可變彈簧支吊架屬于線彈性支撐，會(huì)產(chǎn)生一定量的荷載轉(zhuǎn)移，一般控制變化率小于25%。假使在B點(diǎn)處改用恒力支架，理論上則可以完全消除荷載的轉(zhuǎn)移，使常溫狀況下計(jì)算的一次應(yīng)力和工作狀態(tài)下的一次應(yīng)力一致。

4結(jié)論

綜上所述，管道設(shè)計(jì)中支吊架在應(yīng)力分析中的作用是很重要的，是利用固定支架將繁雜的管系劃分為若干段較簡(jiǎn)單的管系而進(jìn)行應(yīng)力分析的。

(1)對(duì)于靜力分析而言，管道支吊架設(shè)置主要有兩個(gè)目的。一是承受管系的自重和外載，避免產(chǎn)生過(guò)量撓度，控制管系的一次應(yīng)力在許用范圍之內(nèi)；二是用來(lái)使管系適應(yīng)位移的需要，調(diào)整和改善管系的應(yīng)力分布狀態(tài)，以控制管系二次應(yīng)力和綜合應(yīng)力不超過(guò)允許界限，使管系的端點(diǎn)推力在許用范圍之內(nèi)，從而保護(hù)設(shè)備，特別是那些敏感設(shè)備，如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)