石油化工装置纵梁式管架的设计与分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇石油化工装置纵梁式管架的设计与分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：根据纵梁式管架的特点并结合对以往工程实例的计算、统计和分析，说明了牵制系数取值、管架跨度、间距对管架用钢量的影响，提出了减少纵梁式管架用钢量的措施，推荐了比较经济的管架跨度、间距，同时对桁架式纵梁进行了计算分析，表明采用桁架式纵梁可减少纵梁用钢量30%以上。

关键词：纵梁式管架；牵制系数；桁架式纵梁；用钢量

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

纵梁式管架是石油化工装置中管架的常用形式，是组合式管架的一种，它是由纵梁把各自独立的管架联系起来，形成的一个支承管道的管架系统，是石化装置中的一种重要构筑物，它支撑着纵横联结的管道网，担负着输送各种介质（液体、气体或固体粒料等）的任务。做好纵梁式管架的设计，对提高石化装置的设计水平，加快建设速度，节约土建投资等都具有重要意义。

目前，在一些装置管架的设计中出现了“肥梁胖柱”，为何会出现这种情况？装置管架如何设计才能使其更经济合理呢？本文将结合具体的设计实践对纵梁式管架的设计作一分析、探讨。

2 纵梁式管架的特点

管道支承在管架上，从外观上，管架是支承管道的结构，然而从整体上看，管道又把各自互不相关的管架连成了一个整体，使整个管网在实际上形成了一个空间体系。此外，一个管架上通常敷设有很多管线，由于各管道中的介质温度各不相同，生产过程中的升温次序也参差不齐，因此管架上管道的膨胀、收缩也各不相同。一般说来，在一个管架上，不会出现所有管道在同一瞬间向同一方向膨胀或收缩的情况，因此，各管道由于热胀冷缩而作用于管架上的水平推力就不一致，管道之间存在着相互牵制的作用。

纵梁式管架管道的水平推力通过横梁、柱传给纵梁，而纵梁又把整个管架的不平衡水平力传给柱间支撑，一般情况下管架柱可不考虑水平推力作用，而主要承受轴向力。

因此，设计时应根据管架的这些特点，结合具体情况，采用合理的管架荷载。

3 管架竖向荷载

目前设计工作中由于设计周期短等原因，管道竖向荷载常取（自重＋保温重＋充水重）×1.2，为管道充水时的荷载，而正常生产时实际竖向荷载的计算公式应为：

输送液体、固体粒料的管道：Q=1.2×（自

重＋保温重＋管道内介质重）；

输送气体的管道：Q=1.2×（自重＋保温

重＋管道内冷凝液重量）；

气体管道内冷凝液重量：dg＜100时，按

冷凝液占管道截面的20%计算；dg＝100～500时，按冷凝液占管道截面的15%计算；dg＞500时，按冷凝液占管道截面的10%计算。

根据上述公式可以看出，气体管道在正常生产和充水试压时重量相差较大，因此，在计算水平推力时应采用正常生产时的竖向荷载。

4 牵制系数的取值

《石油化工管架设计规范》SH/T3055-2007中对牵制系数的取值作了明确规定，牵制系数的大小主要取决于α值（主要热管重量与全部管道重量之比），同时规范规定，当活动管架支承的管道符合下列条件之一者，水平推力可忽略不计：

输送介质的温度不超过40℃；

管道根数n≥10，且最高温度（包括扫线

温度）＜130℃；

3) 主要热管重量与全部管道重量之比小于0.15。

对装置管架来说，不经计算笼统地取牵制系数为0.5过于保守，应根据管道布置图进行牵制系数计算，并最终确定水平推力。

5牵制系数的取值对管架用钢量的影响

管架横梁在有水平力作用时需计算双向受弯，因此，牵制系数的取值会对横梁的大小产生影响，但影响到底有多大，下面结合一工程实例加以说明。

某工程一纵梁式管架，跨度8100mm，间距L=6000mm，共17榀，5.400、7.400两层，根据管道布置图计算的各层的α值均小于0.15。根据规范规定，计算横梁时可不考虑水平推力，而该管架的设计文件中牵制系数取为0.5，使得横梁设计偏大，横梁的用钢量对比见表1。

表1不同牵制系数时横梁的用钢量

由表1可以看出，按规范规定不考虑水平推力时，横梁用钢量可减少35%以上，因此，牵制系数应根据管道布置图按规范计算确定。

6.纵梁式管架用钢量的分析对比

管架的用钢量与跨度、间距有关，为找出用钢量与跨度、间距的关系，根据以往工程的设计文件对不同跨度、间距的纵梁式管架的用钢量进行了统计、分析，统计结果见表2。

表2 不同跨度、间距管架的用钢量

注：1 表中管架均为3层，竖向荷载、风荷载基本相同;

2 纵梁全设，且按相同竖向荷载计算。

由表2可看出：1）柱、横梁（包括中间横梁）的用钢量随间距的增大而减小；2）纵梁的用钢量随间距的增大而增加，纵梁用钢量增加的幅度大于管架间距增大的幅度；3）梁、柱总用钢量随间距、跨度的增加而增大，虽然间距加大，管架数量减少了，但在不采取措施的情况下，纵梁用钢量随间距的增大而增加的幅度大于柱、横梁用钢量随间距的增大而减小的幅度，且间距 9000mm、12000mm的管架还须设中间横梁，故间距加大，用钢量反而增加；因此，对大跨度管架的横梁、大间距管架的纵梁应采取措施；4）按柱网面积计算的面积用钢量随跨度的增加而减小。

7 减少纵梁式管架用钢量的措施

1）纵梁型式：对于间距不小于9000mm的管架，应采用桁架式纵梁。

图1 桁架式纵梁示意图

对表2中间距9000mm、12000mm的管架，把纵梁改为图1所示型式，采用相同荷载对管架进行了重新计算，采用桁架式纵梁后管架的用钢量及与表2中管架用钢量对比见表3。

表3 采用桁架式纵梁时管架用钢量

注：1 表中除纵梁重量外，其余梁、柱重量与表2相同；

2 纵梁全设，且按相同竖向荷载计算。

由表3可以看出，采用桁架式纵梁后，纵梁用钢量减少31%以上，管架梁柱用钢量平均减少16%左右，因此，采用桁架式纵梁可有效的减少管架的用钢量。

2）纵梁的设置：纵梁在管架用钢量中所占比例较大，因此，纵梁应根据管道布置图设置，在有管道时设置纵梁且按实际荷载计算，在没有管道时应根据结构计算的需要来设置，且只考虑长细比要求，当结构计算不需要时应取消纵梁。

3）管架跨度：在铺设管道数量相同时，采用大跨度管架可减少管架层数，进一步减少管架用钢量，因此，在占地面积允许的情况下，应采用10m左右的大跨度型式。

4）根据9000mm、12000mm间距每米管架的中间横梁用钢量对比，间距9000mm是不经济的，因此，管架间距宜采用6000mm、12000mm。

3）管架横梁的计算：装置管架横梁上铺设的管道较多，管道对横梁有足够的侧向支撑作用，因此，横梁不必计算整体稳定；

8 结语

1）计算管架的水平推力时应采用正常生产时的竖向荷载, 并应根据管道布置图计算牵制系数；

2）在占地面积允许的情况下，管架应采用10m

左右的大跨度型式，减少管架层数；

3）大间距管架宜采用桁架式纵梁，采用桁架式纵梁可减少纵梁用钢量30%以上；

4）纵梁应根据管道布置图设置，在没有管道处、且结构计算不需要时应取消纵梁；

5）计算管架横梁时可不考虑整体稳定。

参考文献:

［1］中国石化出版社 《石油化工管架设计规范》SH/T3055-2007