石油化工装置管道支架设计
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摘要:随着石油化工装置大型化的发展,大口径管道的增多,对支架设计的要求也将越来越高,管道支架设置的是否合理,直接影响着整个装置的安全运行。本文介绍了承重支吊架、限位支架和防振支架三种石油化工装置中常见的支架,从选用和安装布置方面介绍了管道支架的设计方法。
关键词:石油化工;管道;支架
1 概述
石油化工装置中的管道种类较多、使用工况千差万别、影响因素复杂,所有管道敷设都必须借助各种不同型式、不同性能的支架来完成,所以管道支架对整个装置起着十分重要的作用。一般管道是横向架空或竖直上下设置的,因此,需要根据其间的长度、形状、位置等适当设置支架,以保证管道的稳定性,从而确保装置的长期安全运转。目前已经有不少学者研究了不同装置如精细化工厂、热电厂中管道支架设计的特征和方法,本文主要针对石油化工装置中常用管道的支架类型,从选用和安装布置方面介绍了管道支架的设计方法。
2 管道支架分类
管道支架的作用主要有三个:(1)承受管道的重量荷载;(2)限制管道的位移;(3)用来控制管道的振动、摆动或冲击。按照不同的用途,将管道支架分为三类。
2.1 承重支吊架
用于支撑管道自重及其他持续载荷的支吊架统称为承重支吊架,主要用于防止管道因持续载荷而导致管道强度或刚度超出标准要求。根据承受管道重量的特点不同,承重支吊架又分为刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架四类。
刚性支吊架仅限制管道一个方向(-Y方向)的自由度,通常用于管道在支撑点无垂直位移的情况下。而可调刚性支吊架是刚性支吊架的一种特殊形式,通过旋拧可调螺丝,在一定范围内调整支吊架的高度。弹簧支吊架适用于支撑点有垂直位移的场合。
2.2 限位支架
用于约束因热胀引起管系位移的支架统称为限位支架。根据约束方式不同,限位支架又可分为固定支架和止推支架三种。
固定支架限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的角位移,通常用于管道上不允许有任何位移的地方。导向支架可限制管道支撑点两个方向的线位移,用于引导管道位移方向、使管道能沿轴向位移而不沿横向位移的情况。止推支架通常用于限制管道的轴向位移。
2.3 防振支架
专门用于控制管道振动的支架叫做防振支架。防振支架常用于控制或缓解往复式机泵进出口管道或由地震、风载荷、水击、安全阀排出反力引起的管道振动场合。常用的防振支架主要有防振管卡和阻尼器两类。
3 管道支架选用
在确定支架型式时,首先应根据基本作用确定基本类型,然后再根据支撑点的载荷大小、位移情况、工作温度、是否隔热、管道材料、生根条件等因素确定具体型式,具体选用原则如下:
3.1 满足载荷大小要求
除了考虑管道自身重量(包括介质重量、隔热重量等)外,还应根据实际情况充分考虑热态时的位移载荷、风载荷、地震载荷、安全阀开启时的反冲载荷、水压试验时的充水重量(尤其是大直径气体管)、雪载荷等,并适当留出余量。当支架生根在建筑物的梁柱、设备本体等设施上时,还应考虑这些生根设施的生根条件和承载能力。
3.2 满足热位移大小要求
当管道支撑点在工况下有热位移时,可能会引起支吊架脱空、顶死等问题。对于高温且长度较长的管子,还可能会因位移过大而失稳,或影响到相邻管子及其他设施,或使吊架的吊杆偏斜过大而产生过载。此时应考虑采用滚动支座、摆式支座、低摩擦支架等。
3.3 优先选用标准系列支架
选用标准系列支吊架有利于支吊架的预制和安装,也可以减少用材品种,从而可以节省采购、制造、管理等方面的费用,同时有利于装置的美观。
3.4 适应管道温度要求
管内介质温度≥400℃时,如果将支架与管道焊接,会产生应力松弛造成焊缝拉裂,因此不能使用焊接型支架。当管道在低温条件下工作时,应考虑选择保冷型管道支架。当管道有隔热要求时,应使附管部件及相应的中间部件伸出隔热层外,以免管子发生位移时破坏隔热层。
3.5 便于拆卸检修
支架的型式应便于管道的拆卸检修,有利于施工,并不妨碍操作及通行。当支架位于操作人员可能通过的地方且位置较低时,应考虑取消三角支撑或改为吊架。当管道经常拆卸时,应避免采用焊接结构。
4 管道支架布置
4.1 承重支架位置的确定
石油化工管道支架的设置应满足管道最大跨度的要求,支吊架间距尤其是水平管道支吊架间距不得超过管道允许间距,以控制其挠度。当有集中荷载时,支架应布置在靠近集中荷载的位置,以减少偏心荷载和弯曲应力。在泵、压缩机等设备附近,应设置支架以防止设备嘴子承受过大管道荷载,支架应设在弯管和大直径三通式分支管附近。当塔器的水平管嘴直接安装DN≥150的阀门时,应在阀门附近设置承重支架。沿立式容器、立式设备等敷设的数值管道,应在尽可能靠近嘴子处的竖直管上设承重支架。一般较长的竖直管道,应在靠近上面的端部设承重支架。
4.2 固定支架位置的确定
对于复杂管系,可用固定支架将它划分成几个形状较为简单的管段,如L形、U形、Z形管段等,以便分段进行分析计算和柔性设计。确定管道固定支架位置时,应使其有利于两固定点之间管段的自然补偿。固定支架应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管道多方向位移的地方。进出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道,宜在装置分界处设定固定支架。落地生根的调节阀组、分配管等应一端设定固定支架,注意固定支架的位置不应阻碍管系的热补偿。
4.3 导向支架位置的确定
竖直管道较长时,为了防止因风载荷等引起的管道大幅度振动或摆动,应在中间若干位置设置导向支架,以增加其稳定性。管廊上管道直线距离较长而且中间无固定点和止推支架时,应在中间若干点设置导向支架。水平设置的自由型波纹管膨胀节两端应设置若干导向支架,第一组导向支架距膨胀节中心位置应不大于4DN,第二组导向支架距第一组应不大于14DN。
4.4 限位支架位置的确定
限位支架在某些场合可代替固定支架,如补偿器的两端,装置边界线的管道固定点等。在热态情况下,当管系的热胀方向朝向敏感设备嘴子时,可在适当的位置设置逆热膨胀方向的止推支架。大刚度管道对设备、设备基础产生较大推力时,可在适当的位置设置止推支架。
4.5 防振支架位置的确定
有机械振动的管道应设防振管卡,防振管卡的数量及位置应满足管系动应力分析的要求。有地震设防要求的管道应在适当位置设置防振支架。可能发生水击、两相的管道,应在适当位置设置防振管卡。防振支架应尽量沿地面设置,且宜设置独立的基础,并避免生根在厂房的梁柱上。
5 总结
管道支架的设计涉及多学科的综合技术,使管道设计的基础,管道支架的设计与管系的应力密切相关,它用以承受管道荷载,限制管道位移,控制管道振动,随着石油化工装置大型化的发展,大口径管道的增多,支架也越来越大型化,对支架设计的要求也将越来越高,管道支架设置的是否合理,直接影响着整个装置的安全运行,可见管道支架的设计在管道设计中起着非常重要的作用。