壓力管道應(yīng)力分析部分

第一章任務(wù)與職責(zé)

1.管道柔性設(shè)計的任務(wù)

壓力管道柔性設(shè)計的任務(wù)是使整個管道系統(tǒng)具有足夠的柔性，用以防止由于管系的溫

度、自重、內(nèi)壓和外載或因管道支架受限和管道端點的附加位移而發(fā)生下列情況；

1）因應(yīng)力過大或金屬疲勞而引起管道破壞；

2）管道接頭處泄漏；

3）管道的推力或力矩過大，而使與管道連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正

常運行；

4）管道的推力或力矩過大引起管道支架破壞；

2.壓力管道柔性設(shè)計常用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

1）GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》

2）SH/T3041-2002《石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范》

3）SH3039-2003《石油化工非埋地管道抗震設(shè)計通則》

4）SH3059-2001《石油化工管道設(shè)計器材選用通則》

5）SH3073-95《石油化工企業(yè)管道支吊架設(shè)計規(guī)范》

6）JB/T8130.1-1999《恒力彈簧支吊架》

7）JB/T8130.2-1999《可變彈簧支吊架》

8）GB/T12777-1999《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》

9）HG/T20645-1998《化工裝置管道機械設(shè)計規(guī)定》

10）GB150-1998《鋼制壓力容器》

3.專業(yè)職責(zé)

1）應(yīng)力分析（靜力分析動力分析）

2）對重要管線的壁厚進行計算

3）對動設(shè)備管口受力進行校核計算

4）特殊管架設(shè)計

4.工作程序

1）工程規(guī)定

2）管道的基本情況

3）用固定點將復(fù)雜管系劃分為簡單管系，盡量利用自然補償

4）用目測法判斷管道是否進行柔性設(shè)計

5）L型U型管系可采用圖表法進行應(yīng)力分析

6）立體管系可采用公式法進行應(yīng)力分析

7）宜采用計算機分析方法進行柔性設(shè)計的管道

8）采用CAESARH進行應(yīng)力分析

9）調(diào)整設(shè)備布置和管道布置

10）設(shè)置、調(diào)整支吊架

11）設(shè)置、調(diào)整補償器

12）評定管道應(yīng)力

13）評定設(shè)備接口受力

14）編制設(shè)計文件

15）施工現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)

5.工程規(guī)定

1）適用范圍

2）概述

3）設(shè)計采用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及版本

4）溫度、壓力等計算條件的確定

5）分析中需要考慮的荷載及計算方法

6）應(yīng)用的計算軟件

7）需要進行詳細應(yīng)力分析的管道類別

8）管道應(yīng)力的安全評定條件

9）機器設(shè)備的允許受力條件（或遵循的標(biāo)準(zhǔn)）

10）防止法蘭泄漏的條件

11）膨脹節(jié)、彈簧等特殊元件的選用要求

12）業(yè)主的特殊要求

13）計算中的專門問題（如摩擦力、冷緊等的處理方法）

14）不同專業(yè)間的接口關(guān)系

15）環(huán)境設(shè)計荷載

16）其它要求

第二章壓力管道柔性設(shè)計

1.管道的基礎(chǔ)條件

包括：介質(zhì)溫度壓力管徑壁厚材質(zhì)荷載端點位移等。

2.管道的計算溫度確定

管道的計算溫度應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)計條件及下列要求確定：

1）對于無隔熱層管道：介質(zhì)溫度低于65℃時，取介質(zhì)溫度為計算溫度；介質(zhì)溫度等于或

高于65c時，取介質(zhì)溫度的95%為計算溫度；

2）對于有外隔熱層管道，除另有計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)外，應(yīng)取介質(zhì)溫度為計算溫度；

3）對于夾套管道應(yīng)取內(nèi)管或套管介質(zhì)溫度的較高者作為計算溫度；

4）對于外伴熱管道應(yīng)根據(jù)具體條件確定計算溫度；

5）對于襯里管道應(yīng)根據(jù)計算或經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定計算溫度；

6）對于安全泄壓管道，應(yīng)取排放時可能出現(xiàn)的最高或最低溫度作為計算溫度；

7）進行管道柔性設(shè)計時，不僅應(yīng)考慮正常操作條件下的溫度，還應(yīng)考慮開車、停車、除焦、

再生及蒸汽吹掃等工況。

3.管道安裝溫度宜取20℃（除另有規(guī)定外）。

4.管道計算壓力應(yīng)取計算溫度下對應(yīng)的操作壓力。

5.管道鋼材參數(shù)按《石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范》SH/T3041—2002執(zhí)行

1）鋼材平均線膨脹系數(shù)可參照附錄A選取。

2）鋼材彈性模量可參照附錄B選取。

3）計算二次應(yīng)力范圍時，管材的彈性模量應(yīng)取安裝溫度下鋼材的彈性模量。

6.管道壁厚計算

1）內(nèi)壓金屬直管的壁厚

根據(jù)SH3059-2001《石油化工管道設(shè)計器材選用通則》確定：

當(dāng)S0<Do/6時，直管的計算壁厚為：

SO=PDO/（2[o]tO+2PY）

直管的選用壁厚為：S=S0+C

式中S0一一直管的計算壁厚，mm；

P---設(shè)計壓力，MPa；

DO---直管外徑，mm；

[o]t一一設(shè)計溫度下直管材料的許用應(yīng)力，MPa；

①一一焊縫系數(shù)，對無縫鋼管，①=1;

S一一包括附加裕量在內(nèi)的直管壁厚，mm：

C——直管壁厚的附加裕量，mm；

Y一—溫度修正系數(shù)，按下表選取。

溫度修整系數(shù)表

溫度'C

材料

W482510538566593>621

鐵素體鋼0.40.50.70.70.70.7

奧氏體鋼0.40.40.40.40.50.7

當(dāng)S0ND0/6或P/[o]t>0.385時，直管壁厚應(yīng)根據(jù)斷裂理論、疲勞、熱應(yīng)力及材料特性等

因素綜合考慮確定。

2）對于外壓直管的壁厚

應(yīng)根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》規(guī)定的方法確定。

7.管道上的荷載

管道上可能承受的荷載有：

1）重力荷載，包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；

2）壓力荷載，壓力荷載包括內(nèi)壓力和外壓力；

3）位移荷載，位移荷載包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降等；

4）風(fēng)荷載;

5）地震荷載；

6）瞬變流沖擊荷載，如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時的壓力沖擊；

7）兩相流脈動荷載；

8）壓力脈動荷載，如往復(fù)壓縮機往復(fù)運動所產(chǎn)生的壓力脈動；

9）機器振動荷載，如回轉(zhuǎn)設(shè)備的振動。

8.管道端點的附加位移

在管道柔性設(shè)計中，除考慮管道本身的熱脹冷縮外，還應(yīng)考慮下列管道端點的附加位移：

1）靜設(shè)備熱脹冷縮時對連接管道施加的附加位移；

2）轉(zhuǎn)動設(shè)備熱脹冷縮在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；

3）加熱爐管對加熱爐進出口管道施加的附加位移；

4）儲罐等設(shè)備基礎(chǔ)沉降在連接管口處產(chǎn)生的附加位移；

5）不和主管一起分析的支管，應(yīng)將分支點處主管的位移作為支管端點的附加位移。

9.管道布置

管道的布置盡量利用自然補償能力：

1）改變管道的走向，以增加整個管道的柔性；

2）利用彈簧支吊架放松約束；

3）改變設(shè)備布置。

4）對于復(fù)雜管道可用固定點將其劃分成幾個形狀較為簡單的管段，如L形、FI形、Z形等

管段。確定管道固定點位置時，宜使兩固定點間的管段能夠自然補償。

10.宜采用計算機分析方法進行詳細柔性設(shè)計的管道

1）操作溫度大于400°C或小于一50℃的管道；

2）進出加熱爐及蒸汽發(fā)生器的高溫管道：

3）進出反應(yīng)器的高溫管道；

4）進出汽輪機的蒸汽管道；

5）進出離心壓縮機、往復(fù)式壓縮機的工藝管道；

6）與離心泵連接的管道，可根據(jù)設(shè)計要求或按圖1-1確定柔性設(shè)計方法；

圖1-1與離心泵連接管道柔性設(shè)計方法的選擇

7）設(shè)備管口有特殊受力要求的其他管道；

8）利用簡化分析方法分析后，表明需進一步詳細分析的管道。

11.不需要進行計算機應(yīng)力分析的管道

1)與運行良好的管道柔性相同或基本相當(dāng)?shù)墓艿溃?/p>

2)和已分析管道相比較，確認(rèn)有足夠柔性的管道；

3)對具有同一直徑、同?壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束并能滿足式(1)和式(2)要

求的非極度危害或非高度危害介質(zhì)管道。

Do?Y/(L-U)2W208.3——(1)

Y=(/X2+/Y2+/Z2)l/2——(2)

式中：DO-----管道外徑，mm；

Y一一管道總線位移全補償值，mm；

Ax、Ay、Az分別為管道沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的線位移全補償值，mm；

L----管系在兩固定點之間的展開長度，m；

U——管系在兩固定點之間的直線距離，m。

式(1)不適用于下列管道：

(1)在劇烈循環(huán)條件下運行，有疲勞危險的管道：

(2)大直徑薄壁管道(管件應(yīng)力增強系數(shù)i》5)：

(3)不在這接固定點方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道；

(4)L/U>2.5的不等腿"U"形彎管，或近似直線的鋸齒狀管道。

12.管道端點無附加角位移時管道線位移全補償值計算

當(dāng)管道端點無附加角位移時，管道線位移全補償值應(yīng)按下列公式計算：

/X=/XB-/XA-/XtAB

/Y=/YB-ZYA-/YtAB

/Z=/ZB-/ZA-/ZtAB

/XtAB=a1(XB-XA)(T-TO)

ZYtAB=a1(YB-YA)(T-TO)

』ZtAB=al(ZB-ZA)(T-TO)

式中：

/X、ZY、/Z——分別為管道沿坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的線位移全補償值，mm：

ZXA、』YA、ZZA一一分別為管道的始端A沿坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的附加線位移，mm；

』XB、ZYB、/ZB一—分別為管道的末端B沿坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的附加線位移，mm：

/XtAB、/YtAB、ZZtAB一一分別為管道AB沿坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的熱伸長值，mm；

at一一管道材料在安裝溫度與計算溫度間的平均線膨脹系數(shù)，mm/mm-℃；

XA、YA、ZA一一管道始端A的坐標(biāo)值，mm；

XB、YB、ZB一—管道末端B的坐標(biāo)值，mm：

T一一管道計算溫度，。C；

T0一一管道安裝溫度，

13.例題

利用判別式解題有兩種方法：

第一種方法注意如下四點和上面“+”、“一”號的取值。

1)假定一個始端，一個終端

2)始端固定，終端放開

3)熱膨脹方向由始端向終端

4)熱伸長量取正值

第二種方法注意如下四點。和SHfT3041-2002中的公式一致

1)假定一個始端，一個終端

2)始端固定，終端放開

3)熱膨脹方向由始端向終端

4)建立坐標(biāo)系，端點附加位移和熱伸長量與坐標(biāo)軸同向取“+”，與坐標(biāo)軸反向取“一”。

上題計算如下：

/Y=4YB-/YA-/YtAB=0-4-12=-16mm

/Y=/YB-/YA-/YtAB=4—(一5)一(一20)=29mm

/Z=/ZB-Z1ZA-ZIZtAB=2-0-(-24)=26mm

Y=(/Y2+/Y2+ZIZ2)l/2=[(-16)2+292+262]1/2=42.1mm

DO.Y/(L-U)2=159*42.1/(14-8.4)2=6693.9/31.36=213.45>208.3

所以需要進行詳細分析，與上面的計算結(jié)果不同。這里需要說明的是，不是計算過程錯誤,

而是新舊標(biāo)準(zhǔn)管徑取的不一致，新標(biāo)準(zhǔn)為外徑。

第三章補償器的選用

首先應(yīng)利用改變管道走向獲得必要的柔性，但由于布置空間的限制或其他原因也可采用

補償器獲得柔性。

1.補償器的形式

壓力管道設(shè)計中常用的補償器有三種：

n型補償器、波形補償器、套管式或球形補償器

2.n型補償器

n型補償器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少，在石油化工管道設(shè)計中廣泛采用。采用n形

管段補償時，宜將其設(shè)置在兩固定點中部，為防止管道橫向位移過大，應(yīng)在n型補償器兩側(cè)

設(shè)置導(dǎo)向架。

3.波形補償器

波形補償器，補償能力大、占地小，但制造較為復(fù)雜，價格高，適用于低壓大直徑管

道。

1)波形補償器條件

(1)比用彎管形式補償器更為經(jīng)濟時或安裝位置不夠時。

(2)連接兩個間距小的設(shè)備的管道。其補償能力不夠時。

(3)為了減少壓降，推力或振動，在工藝過程上可行而且在經(jīng)濟上合理時。

(4)為了保護有嚴(yán)格受力要求的設(shè)備嘴子。

2)波形補償器的形式及適用條件

(1)直管段使用軸向位移型；

(2)兩個方向位移的L形，Z形管段使用角型；

(3)三個方向位移的Z形管段使用萬向角型；

(4)吸收平行位移的使用橫向型。

3)選用無約束金屬波紋管膨脹節(jié)時應(yīng)注意的問題

(1)兩個固定支座之間的管道中僅能布置一個波紋管膨脹節(jié)；

(2)固定支座必須具有足夠的強度，以承受內(nèi)壓推力的作用；

(3)對管道必須進行嚴(yán)格地保護，尤其是靠近波紋管膨脹節(jié)的部位應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向架，第一個導(dǎo)

向支架與膨脹節(jié)的距離應(yīng)小于或等于4DN,第二個導(dǎo)向支架與第一個導(dǎo)向支架的距離應(yīng)小

于或等于14DN,以防止管道有彎曲和徑向偏移造成膨脹節(jié)的破壞；

4)帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的類型

帶約束的金屬波紋管膨脹節(jié)的共同特點是管道的內(nèi)壓推力(俗稱盲板力)沒有作用于固

定點或限位點處，而是由約束波紋管膨脹節(jié)用的金屬部件承受。

(1)單式較鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及銷軸和較鏈板組成，用于吸收

單平面角位移：

(2)單式萬向較鏈型膨脹節(jié)，由一個波紋管及萬向環(huán)、銷鈾和較鏈組成，能吸收多平面角位

移；

(3)復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)，山用中間管連接的兩個波紋管及拉桿組成，能吸收多平面橫向位移

和拉桿問膨脹節(jié)本身的軸向位移：

(4)復(fù)式較鏈型膨脹節(jié)，山用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和錢鏈板組成，能吸收單平面

橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移：

(5)復(fù)式萬向較鏈型膨脹節(jié)，由用中間管連接的兩個波紋管及銷軸和較鏈板組成，能吸收互

相垂直的兩個平面橫向位移和膨脹節(jié)本身的軸向位移；

(6)彎管壓力平衡型膨脹節(jié)，由一個工作波紋管或用中間管連接的兩個工作波紋管及一個平

衡波紋管構(gòu)成，工作波紋管與平衡波紋管間裝有彎頭或三通，平衡波紋管一端有封頭并承受

管道內(nèi)壓，工作波紋付和平衡波紋管外端間裝有拉桿。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移和/或橫

向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力.常用于管道方向改變處；

(7)直管壓力平衡型膨脹節(jié)，一般位于兩端的兩個工作波紋管及有效面積等于二倍工作波紋

管有效面積、位中間的一個平衡波紋管組成，兩套拉桿分別將每一個工作波紋管與平衡波紋

管相互連拔起來。此種膨脹節(jié)能吸收軸向位移。拉桿能約束波紋管壓力推力。

5)波紋管膨脹節(jié)在施工安裝中應(yīng)注意的問題

(1)膨脹節(jié)的施工和安裝應(yīng)與設(shè)計要求相一致；

(2)膨脹節(jié)的安裝使用應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝說明書進行；

(3)禁止采用使膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)整管道的安裝偏差；

(4)固定支架和導(dǎo)向支架等應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙進行施工，需要改動時應(yīng)經(jīng)原分析設(shè)計人員

認(rèn)可；

(5)膨脹節(jié)上的箭頭表示介質(zhì)流向，應(yīng)與實際介質(zhì)流向相一致，不能裝反；

(6)安裝較鏈型膨脹節(jié)時，應(yīng)按照施工圖進行，銀鏈板方向不能裝錯；

(7)在管道系統(tǒng)(包括管道、膨脹節(jié)和支架等)安裝完畢，系統(tǒng)試壓之前，應(yīng)將膨脹節(jié)的運輸

保護裝置拆除或松開。按照國標(biāo)GB/T12777的規(guī)定，運輸保護裝置涂有黃色油漆，應(yīng)注意

不能將其他部件隨意拆除；

（8）對于復(fù)式大拉桿膨脹節(jié)，不能隨意松動大拉桿上的螺母，更不能將大拉桿拆除；

（9）裝有膨脹節(jié)的管道，做水壓試驗時，應(yīng)考慮設(shè)置適當(dāng)?shù)呐R時支架以承受額外加到管道和

膨脹節(jié)上的荷載。試驗后應(yīng)將臨時支架拆除。

4.套管式或球形補償器

套管式或球形補償器因填料容易松弛，發(fā)生泄漏，在石化企業(yè)中很少采用。在有毒及可

燃介質(zhì)管道中嚴(yán)禁采用填料函式補償器。

5.冷緊

1）冷緊

冷緊可降低操作時管道對連接設(shè)備或固定點的推力和力矩，防止法蘭連接處彎矩過大

而發(fā)生泄漏。冷緊是將管道的熱應(yīng)變一部分集中在冷態(tài)，在安裝時（冷態(tài)）使管道產(chǎn)生一個

初位移和初應(yīng)力的一種方法。

當(dāng)管道沿坐標(biāo)軸X、y、Z方向的冷緊比不同時，每個方向的冷緊值應(yīng)根據(jù)該方向的冷

緊進行計算。當(dāng)管道上有幾個冷緊口時;沿坐標(biāo)軸X、y、Z方向的冷緊值分別為各冷緊口

在相應(yīng)坐標(biāo)軸方向冷緊值的代數(shù)和。

管道采用冷緊時，熱態(tài)冷緊有效系數(shù)取2/3,冷態(tài)取1。

2）連接轉(zhuǎn)動設(shè)備的管道不應(yīng)采用冷緊

由于施工誤差使得冷緊量難于控制，另一方面，在管道安裝完成后要將與敏感設(shè)備管口

相連的管法蘭卸開，以檢查該法蘭與設(shè)備法蘭的同軸度和平行度，如果采用冷緊將無法進行

這一檢查。

3）自冷緊

如果熱脹產(chǎn)生的初應(yīng)力較大時，在運行初期，初始應(yīng)力超過材料的屈服強度而發(fā)生塑性

變形，或在高溫持續(xù)作用下，管道上產(chǎn)生應(yīng)力松弛或發(fā)生蠕變現(xiàn)象，在管道重新回到冷態(tài)時，

則產(chǎn)生反方向的應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為自冷緊。但冷緊不改變熱脹應(yīng)力范圍。

4）冷緊比

冷緊比是冷緊值與全補償量的比值。

對于材料在陽變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.7。對于材料在非蠕

變溫度下工作的管道，冷緊比宜取0.5。

第四章支吊架選用

1.管道跨距

管道基本跨距的確定實際上就是管系承重支架（或起承重作用的支架）的位置和數(shù)量的

確定，也就是說管系中承重支架的位置和數(shù)量應(yīng)滿足管道基本跨距的要求。為了簡化計算，

對于水平連續(xù)敷設(shè)的管道，以三跨連續(xù)梁作為計算模型，并按承受均布我荷（指管道自重、

介質(zhì)重和隔熱材料重之和）分別根據(jù)剛度條件和強度條件計算其最大允許跨距，?。诤蚅2）

兩者之間的小值。

⑴剛度條件：

Ll=0.039（EtI/q）l/4（裝置內(nèi)）

L,l=0.048（EtI/q）l/4（裝置外）

式中

LI、L'l一一裝置內(nèi)（外）由剛度條件決定的跨距，m：

Et一一管材在設(shè)計溫度下的彈性模量，MPa；

I一一管子扣除腐蝕裕量及負偏差后的斷面慣性矩，mm4：

q-----每米管道的質(zhì)量，N/mo

（2）強度條件：

L2=0.1（［o］tW/q）l/2（不考慮內(nèi)壓）

L2=0.071（［o］tW/q）l/2（考慮內(nèi)壓）

式中

［。］t——管材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

W一一管子扣除腐蝕裕量及負偏差后的抗彎斷面模數(shù)，mm3。

I和W分別按以下二式計算：

I=K（Do4-Di4）/64

W=JT（Do4-Di4）/32Do

式中

Di-----管道內(nèi)徑，mm：

Do-----管道外徑，mm。

2.管道支吊架的形式：

管道支吊架的用途為：

1）承受管道的重量荷載（包括自重、介質(zhì)重和隔熱材科重等）；

2）限制管道的位移，阻止管道發(fā)生非預(yù)期方向的位移；

3）用來控制管道的振動、擺動或沖擊。

因此，管道支撐的位置確定、支撐型式的確定以及管道支吊架本身的強度設(shè)計也主要是圍繞

著上述支吊架的三個功能展開的。根據(jù)管道支吊架的用途可以分為三大類：

剛性支吊架

可調(diào)剛性支吊架

承重支吊架

可變彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架

固定支架

限制性支吊架限位支架

導(dǎo)向支架

減振器

防振支架

阻尼器

固定架限制了三個方向的線位移和三個方向的角位移：導(dǎo)向架限制了兩個方向的線位

移；支托架（或單向止推架）限制了一個方向的線位移。

3.承重支吊架

以支撐管道自重及其它持續(xù)載荷為目的的支吊架統(tǒng)稱為承重支吊架，它主要用于防止管

道因自重及其它持續(xù)載荷（如介質(zhì)重、隔熱材料重、雪載荷等）而導(dǎo)致的管道強度或剛度超

出標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)管道相對于支撐結(jié)構(gòu)的空間位置不同，承重支吊架可分為支架和吊架兩大類。支撐

件將管道支撐在它的上方時，這類支撐件叫做支架。用可以空間擺動的支撐件（吊桿）將管道

吊在其下面支撐時，這類支撐件叫做吊架。支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位

移，但二者的支撐效果有所不同。支架因與支撐管道之間可能存在摩擦而使得管道的水平位

移受到一定的阻礙，同時產(chǎn)生摩擦力。支架的剛度也比較大，故其穩(wěn)定性較好。吊架對管道

的約束剛度相對.較小（除豎直方向外），也不存在摩擦力，如果在一根較長的管道中吊架用的

太多，會使管系不穩(wěn)定，故在一條管道中，?般不宜均用吊架進行支撐。根據(jù)承受管道重

量的特點不同，承重支吊架又分為剛性支吊架、可調(diào)剛性支吊架、可變彈簧支吊架和恒力彈

簧支吊架四類。

1）剛性支吊架

剛性支吊架僅限制管道一個方向（通常為-Y方向）的自由度。它常用于管道在支撐點無向

上垂直熱位移和附加位移的情況下，或用于支撐點有較小的向下位移和附加位移但不會由此

在管系中造成較大的管系力的情況下。剛性支吊架是應(yīng)用最多的一種支吊架。根據(jù)應(yīng)用場合

和生根條件的不同，常用的剛性支吊架系列有平（彎）管支托、假管支托、懸臂支架、臨管支

架等。

2）可調(diào)剛性支吊架

可調(diào)剛性支吊架是一般剛性支吊架的一種特殊型式，即通過旋擰可調(diào)螺絲，使支吊架的

高度在一定范圍內(nèi)得到調(diào)整，用于有少量豎直方向的熱位移或附加位移的場合。在工作工況

下，當(dāng)支撐點有豎直方向的熱位移或附加位移時，會使管道脫離支架（俗稱支架脫空）而起不

到支撐作用，或使支架被頂死而產(chǎn)生較大的管系力，此時應(yīng)采用下面將要介紹的彈簧支吊架。

如果支撐點豎直方向的熱位移或附加位移比較小而且又位于容易接近的地方時，采用可調(diào)剛

性支吊架比彈簧支吊架會更經(jīng)濟、更方便。

3）可變彈簧支吊架

可變彈簧支吊架適用于支撐點有垂直位移、用剛性支吊架會脫空或造成過大熱脹推力的

場合。與恒力彈簧支吊架相比，使用可變彈簧支吊架會造成一定的荷載轉(zhuǎn)移。為防止過大的

荷載轉(zhuǎn)移，可變彈簧支吊架的荷載變化率應(yīng)控制在25%以下。當(dāng)然，有時根據(jù)實際需要而

有意識地去分配管系在各支撐點的載荷，即有意識地給定一個較大的安裝載荷而獲得較大的

載荷轉(zhuǎn)移。常用強型的可變彈簧支吊架有支、吊兩種，根據(jù)載荷情況和受力條件還可采用串

聯(lián)和并聯(lián)兩種型式。

4）恒力彈簧支吊架

恒力彈簧支吊架適用于管道支撐點垂直位移量較大或管系受力要求較苛刻的場合。通過

采用恒力彈簧支吊架，可以避免管道支撐點冷態(tài)和熱態(tài)的受力變化太大而導(dǎo)致管系本身的應(yīng)

力或相連設(shè)備的受力超標(biāo)。恒力彈簧的恒定度應(yīng)小于或等于6%,以保證支吊點發(fā)生位移時，

支承力的變化很小。恒力彈簧支吊架一般采用描架型式，且根據(jù)受力情況可并聯(lián)使用。

如果認(rèn)為剛性支吊架的剛度理論上為無窮大的話，那么恒力彈簧支吊架的剛度理論上則

為零，而可變彈簧支吊架的剛度介于二者之間，它等于彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的力。

4.限位支吊架

以限制和約束因熱脹而引起的管系位移為目的支吊架稱為限位支吊架。管系受熱而發(fā)生

熱脹時，管系中的各點將發(fā)生位移。在管系中適當(dāng)設(shè)置限位支吊架，可控制支撐點的位移或

某些方向的位移，使管系的變形或各點的位移朝著有利于保護敏感設(shè)備或有利于熱補償?shù)姆?/p>

向進行。根據(jù)對管系熱位移約束的方式不同，限位支吊架又可分為固定支架、導(dǎo)向支架和止

推支架三種。

1）固定支架

固定支架可限制管道支撐點三個方向的線位移和三個方向的角位移，因此它常用于管道

上不允許有任何位移的地方。固定支架一般同時又能起承重作用。常用的固定支架型式有焊

接型管托和螺拴固定管托兩種。

2）導(dǎo)向支架

導(dǎo)向支架可限制管道支撐點兩個方向的線位移，因此常用于引導(dǎo)管道位移方向、使管道

能沿軸向位移而不能橫向位移的情況。當(dāng)用于水平情況時，導(dǎo)向支架又同時能起承重作用。

常用的導(dǎo)向支架型式有管托型導(dǎo)向支架、光管型導(dǎo)向支架、管卡型導(dǎo)向支架等型式。

3）止推支架

止推支架常代替固定支架用于限制管道的軸向位移。根據(jù)限位方式的不同，常用的止推

支架又分為"+X/+Z"和"-X/-Z"雙向止推支架和"+X/+Z"或單向止推支架兩種。常用的

止推支架為單向止推架，它可限制管道支撐點一個方向的線位移。

5.防振支架

專門用于控制管道振動的支吊架叫做防振支架。防振支架常用于控制或緩解往復(fù)式機泵

迸出口管道或由地震、風(fēng)載荷、水擊、安全閥排出反力引起的管道振動場合。應(yīng)該說，前面

所講的支吊架類型中，除吊架以外，其它支架都在某種程度上起到防振作用，但它們中要么

防振作用的效果不好，要么會帶來其它問題（如降低或限制了管系的熱補償能力），因此，工

程上對于防振情況則給出了專用支架。常用的防振支架主要有兩類，其一是防振管卡，其二

是阻尼器。

1）防振管卡

防振管卡能有效地控制管系的高頻率強迫振動。防振管卡與固定支架不同，它允許管道

有一定的軸向位移而使管系不會因熱脹而破壞。防振管卡與一般的剛性承重支架和導(dǎo)向支架

不同它對管道施加了較大的剛度約束（從型式和數(shù)量上實現(xiàn)），且增加了架對管道的阻尼作用

從而有效地阻滯了管系的振動。

2）阻尼淵

阻尼器與減振支架的最大區(qū)別遮于它給予了管系較大的自由度，因而對連續(xù)強迫型高頻

機械振動的抑制效果較差，它常用于緩解瞬間激振（如主汽門突然關(guān)閉、泵突然停車、地震、

水錘等）引起的有阻尼自由振動。工程上應(yīng)用的阻尼器有油壓式阻尼器、摩擦式阻尼器等。

6.目前工程上常用的彈簧支吊架主要有兩類：

即可變彈簧支吊架和恒力彈簧支吊架，而且已形成標(biāo)準(zhǔn)系列。對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為

GB10181《恒力彈簧支吊架》和GB10182《可變彈簧支吊架》。

1）可變彈簧支吊架的工作原理

可變彈簧支吊架的核心部件是一個被控制的圓柱彈簧，當(dāng)被支撐管道發(fā)生豎向位移時，

會帶動圓柱彈簧的控制板使彈簧壓縮或被拉長。

由虎克定律可知，此時彈簧壓縮或伸長所需要的力（也等于對管子的作用力）可用下式表

示：

F=k-5

式中

F一—彈簧被壓縮或被拉長6量時所需要的力，N；

K-----彈簧剛度，N/mm

6一一彈簧被壓縮或被拉伸的變形量，mm。

彈簧剛度是一個只與彈簧自身參數(shù)（如彈簧直徑、彈簧材料等）有關(guān)的物理量，一旦彈簧參

數(shù)一定，它是個常數(shù)（在其允許總變形量的30%?70%范圍內(nèi)是個常數(shù)）。因此，此時彈簧對

管道的作用力則與變形量成正比。工程上正是利用這一性質(zhì)來進行有垂直位移的管道支撐

的。

對于標(biāo)準(zhǔn)彈簧支吊架來說，彈簧都是經(jīng)過預(yù)壓縮然后裝入彈簧箱中的。因此，對于同樣一

個變形量6,此時壓縮彈簧所需的力F應(yīng)按下式計算：

F=（S1+8）k=8lk+8?k=Fl+kS

式中

81一一彈簧預(yù)壓縮的變形量，mm

Fl一—彈簧預(yù)壓縮時的壓縮力，N；

F、6、k意義同前。

設(shè)F為彈簧支吊架的工作載荷，并用符號FG表示：設(shè)F1為彈簧支吊架的安裝荷載，

并用FA表示：設(shè)S為彈簧在由安裝載荷變?yōu)楣ぷ鬏d荷時的變形量，并在彈簧被壓縮時取正

號，被拉伸時取負號。S在管道支撐中即為管道支撐點的豎直位移量，支撐點的豎直位移向

上時取正號，向下時取負號。可變彈簧支吊架的選型公式為：

FA=k8+FG

2）常用可變彈簧支吊架系列

國家標(biāo)準(zhǔn)GB1018s共給出了A、B、C、D、E、F、G七種標(biāo)準(zhǔn)型式，見圖所示。

A型一一上螺紋懸吊型；

B型一一單耳懸吊型；

C型一一雙耳懸吊型；

D型一一上調(diào)節(jié)擱置型；

E型一一下調(diào)節(jié)擱置型；

F型一一支撐擱置型；

G型一一并聯(lián)懸吊型。

7.可變彈簧支吊架的選用

工程上，一般按熱態(tài)吊零的載荷分配原則確定彈簧支吊架的受力。所謂熱態(tài)吊零，是指

彈簧支吊架在熱態(tài)時承受的力應(yīng)等于冷態(tài)時由管系分配給它的力。按這樣的原則確定的彈簧

支吊架受力使得整個管系中各支撐點承受的自重力在熱態(tài)時比較均勻，但在熱態(tài)時管系中各

點的總載荷會因位移荷載的作用而不再均勻甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的不合理現(xiàn)象，為此，工程上有

時也采用冷態(tài)吊零的載荷分配原則。所謂冷態(tài)吊零是指彈簧支吊架在冷態(tài)時承受的載荷取冷

態(tài)時由管系分配給它的我荷。與熱態(tài)吊零相反，此時在熱態(tài)情況下管系各支撐點承受的自重

載荷已不在均勻，而總載荷（包括位移載荷）則是自然分配。

為防止可變彈簧支吊架引起管系在熱態(tài)或冷態(tài)時有較大的載荷轉(zhuǎn)移，工程上常控制它的

載荷變化率不超過25%。根據(jù)這?限制條件，就可以確定彈簧支吊架的剛度k。在確定彈簧

支吊架的剛度時應(yīng)遵守這樣一個原則：在彈簧支吊架能滿足管系熱態(tài)和冷態(tài)的承載要求而且

載荷變化率不超過規(guī)定值的情況下，應(yīng)盡可能選用剛度最?。ㄖ缸钚∫?guī)格和最小允許位移值）

的彈簧。按這樣的原則選取的彈簧支吊架，其安裝尺寸最小，價格最便宜，而且實際的載荷

變化率最小。

1）串聯(lián)可變彈簧支吊架的選用

當(dāng)管系中某點的垂直位移量較大時，從標(biāo)準(zhǔn)彈簧支吊架表中可能已選不到合適的彈簧支

吊架，即要么找不到最大工作位移能滿足載荷要求的標(biāo)準(zhǔn)系列，要么因剛度較大而使載荷變

化率超出標(biāo)準(zhǔn)要求，此時可考慮采用串聯(lián)可變彈簧支吊架。彈簧串聯(lián)時，應(yīng)選最大載荷相同

的彈簧，即彈簧的牌號相同，以保證每個彈簧的工作載荷和安裝載荷都落在允許范圍內(nèi)，而

此時每個彈簧變形量則按其剛度的大小成反比分配。

2）并聯(lián)可變彈簧支吊架的選用

當(dāng)管道支撐點的載荷超出標(biāo)準(zhǔn)可變彈簧支吊架的最大允許載荷時，或者受支撐條件（如

豎管支撐）、生根條件等限制不宜采用單個可變彈簧支吊架進行支撐時，可選用兩個或兩個

以上的可變彈簧支吊架并聯(lián)支撐?？勺儚椈芍У跫懿⒙?lián)使用時，各彈簧應(yīng)為同一型號，以避

免各彈簧支承力不同而導(dǎo)致管子的傾斜或偏轉(zhuǎn)。并聯(lián)時的各彈簧變形量相同，均等于管道在

支撐點的位移量。并聯(lián)后的彈簧支吊架總剛度等于各分彈簧支吊架的剛度之和，即n個彈簧

支吊架并聯(lián)時其總剛度為k=kl+k2+……+kn,而各分彈簧承受的載荷平均分配，并等于

總載荷的1/n.

3）可變彈簧支吊架的安裝要求

可變彈簧支吊架在安裝前務(wù)必要壓縮到要求的安裝定位刻度（與安裝載荷對應(yīng)的刻度

值），并用定位銷進行定位。設(shè)置定位銷的另一個作用是使可變彈簧支吊架起暫時成為一個

剛性支架，可以防止諸如水壓試驗等非工作工況下因管道載荷臨時增加而引起的不利影響，

對于大直徑氣體管道更應(yīng)考慮這個問題。管系在工作狀態(tài)下，有時也會出現(xiàn)非預(yù)期的載荷突

然增加現(xiàn)象，如減壓轉(zhuǎn)油線的"淹塔"現(xiàn)象。"淹塔"現(xiàn)象會造成管內(nèi)液體的突然驟增，從而使

其彈簧支吊架承受的載荷也驟然增大，彈簧支吊架的變形量也將隨之增大，使管系出現(xiàn)較大

的載荷轉(zhuǎn)移，從而可能造成相鄰支架或設(shè)備接口處的超載破壞。對于可能出現(xiàn)上述現(xiàn)象的管

系，工程上常在彈簧支吊架的附近設(shè)置保險桿，以控制彈簧的最大變形量，即當(dāng)彈簧支吊架

的變形量超過某規(guī)定值時，保險桿將受力而成為剛性支撐?？勺儚椈芍У跫艿亩ㄎ讳N應(yīng)在

管系水壓試驗之后、裝置開車升溫之前拆除。

8.恒力彈簧支吊架

當(dāng)管系在支撐點的豎向位移較大而選用可變彈簧會引起較大的載荷轉(zhuǎn)移時，應(yīng)考慮選用

恒力彈簧支吊架。所謂的豎向位移較大只是一個相對概念，關(guān)鍵要看若選用可變彈簧支吊架

時是否會引起較大的載荷轉(zhuǎn)移，而且較大的載荷轉(zhuǎn)移能否為管系自身強度和邊界條件所接

受。如果管系的柔性不好，剛度較大，那么既使在較小的位移值情況下，也會引起支撐點熱

態(tài)和冷態(tài)的載荷差值較大，此時為減少載荷變化率也宜采用恒力彈簧支吊架。嚴(yán)格說來，恒

力彈簧在其工作過程中對管道支撐點的力并不是恒定不變的，這是因為彈簧支架各運動部件

之間存在摩擦力，而且各部件的尺寸、彈簧的剛度等都可能存在制造偏差，這些因素都會導(dǎo)

致恒力彈簧在其工作行程范圍內(nèi)對支撐點的力有少量的變化。…般情況下，標(biāo)準(zhǔn)恒力彈簧支

吊架在其全程位移過程中的最大和最小載荷偏差應(yīng)控制在某個數(shù)值范圍內(nèi)，而工程上常用恒

定度這一概念來評判恒力彈簧的載荷變化。所謂恒定度是指恒力彈簧在其全行程范圍內(nèi)的最

大、最小載荷值之差與最大、最小載荷值之和的百分比，用式子表示即為：

D=[(Fmax—Fmin)/(Fmax+Fmin)]X100%

式中

D一—恒力彈簧的恒定度。一般情況下，D應(yīng)不大于6%

Fmax--恒力彈簧在全行程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大載荷值，N；

Fmin一一恒力彈簧在全行程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最小載荷值，No

1)恒力彈簧支吊架的工作原理

當(dāng)恒力彈簧支吊架承受一個管道載荷時，F(xiàn)1將產(chǎn)生一個相對于O點的轉(zhuǎn)動力矩MU

Ml將拉動三連桿AOB向下轉(zhuǎn)動，同時三連桿會帶動B點向右移動，從而使彈簧受到壓縮,

產(chǎn)生?個彈簧力F2。F2相對于主軸O點也將產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動力矩M2。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和力

的平衡設(shè)計，可以使兩個力矩Ml和M2始終保持平衡，并通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，在保

持力矩平衡的情況下，只不斷變換位置但大小不變，即實現(xiàn)對管道的恒力支撐。

2)恒力彈簧支吊架的選用

換句話說，吊架的承載能力與其結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。因此，支撐點的管道載荷是選擇恒力彈

簧吊架的參數(shù)之一。根據(jù)熱態(tài)吊零原則，一般取管道荷載為冷態(tài)情況下管系的分配載荷。另

外，受吊架中各運行部件的結(jié)構(gòu)限制，吊點的位移是有限制的，甚至它不能按運行部件的最

大運行位置來確定吊點的位移范圍，因為運行部件到達極限位置時，會造成較大的承載偏差

值。因此，對于一個結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的恒力彈簧吊架，它允許的最大位移值也是確定的?；蛘?/p>

說，管道上時最大位移量也是確定恒力彈簧吊架的參數(shù)之一。有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)已將常用的恒力彈

簧吊架進行了系列化，并對它進行了編號，每個編號的吊架其允許的最大承載和最大位移己

列表給出，設(shè)計人員只要根據(jù)管道支撐點的載荷和位移查表即可確定所需要的恒力彈簧吊架

規(guī)格型號。

9.在管道中多設(shè)彈簧支吊架更安全嗎？

不一定更安全，因為彈簧支吊架的剛度遠低于剛性支吊架，所以過多設(shè)置彈簧支吊架會

使管系各點位移方向失去控制，管系穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生偏斜和振動。

10.為什么要在高聳設(shè)備布置的豎直管道上設(shè)置導(dǎo)向架？如何設(shè)置？

答：為了約束由風(fēng)裁、地震、溫度變化等引起的橫向位移。沿直立設(shè)備布置的立管應(yīng)設(shè)

置導(dǎo)向支架。立管導(dǎo)向支架間的允許間距應(yīng)符合下表規(guī)定：

管道公稱氣體管道/m液體管道/m

光管隔熱光管隔熱

直徑mm

254.33.44.03.4

405.24.04.63.7

505.84.64.943

807.06.16.15.5

1007.97.06.76.1

1509.88.87.97.3

20011.310.18.88.2

25012.511.69.89.4

30013.712.810.410.1

35014.613.410.710.4

40015.514311311.0

45016.515.211.611.6

50017.416.212.512.2

60019.218.013.413.4

11.為什么在沿反應(yīng)器布置的高溫豎直管道上，通常要設(shè)置彈簧支吊架？

答：沿反應(yīng)器布置的高溫管道與反應(yīng)器之間，或高溫管道與構(gòu)架之間有較大的位移差，所以

通常要設(shè)彈簧支吊架來承受管道荷重。

12.管道在支架上滑動的軸向最大允許位移量不宜超過定型滑動管托長度的

40%,以免管道在熱脹時將管托滑落于支架梁的下面，而在冷縮時不能恢復(fù)原位

造成管道或支架損壞。如在補償值允許的范圍內(nèi)，管道的位移量超過管托長度的

40%時，可將管托長度適當(dāng)加大。

13.支吊架的位置確定

從前面的介紹中可以看出，不同的支吊架型式對生根條件有不同的要求，而從保障管系

的自身強度、穩(wěn)定性、防振以及對邊界條件的要求來說，總存在著在管系的某個地方支撐、

并以特定的支架型式支撐為最理想。上述的兩個條件有時是矛盾的，即最理想的支撐位置并

不一定具備支架生根條件，可用的生根條件并不一定滿足最理想的支架型式需要。要處理好

這樣的問題是比較難的，或者說要將它上升到理論上去論述是比較難的，有時工程經(jīng)驗比理

論更適用。實際的空間管系也是多樣化的。

1)基本原則

(1)對于不同的管系，在確定其支吊架位置時都應(yīng)遵守下列基本原則：管道支吊架的位

置、數(shù)量、型式等應(yīng)能滿足管系靜應(yīng)力分析的要求。這個要求包括管系自身的強度、穩(wěn)定性、

最大位移以及對相連設(shè)備、生根設(shè)施的力學(xué)要求；

(2)管道支吊架的位置、數(shù)量、型式應(yīng)能滿足管系動應(yīng)力分析的要求。這個要求包括管

系對管道的機械振動、水擊、放空反沖擊、地震、風(fēng)載等載荷作用下的力學(xué)要求：

(3)管道支吊架應(yīng)具備相應(yīng)的生根條件。當(dāng)該條與上述兩條發(fā)生沖突時，應(yīng)考慮改變管

系的走向，最終使上兩條要求得到滿足；

(4)支吊架應(yīng)盡可能利用已有的建構(gòu)筑梁柱、平臺、設(shè)備本體、加熱爐鋼結(jié)構(gòu)、地面等

作為生根點。對于有可能集中支撐的管道，應(yīng)盡可能選擇適宜的地方和方式集中支撐；

(5)支吊架位置應(yīng)不妨礙操作人員的通行、設(shè)備的檢修和管道的拆卸等；

(6)支吊架的位置尚應(yīng)考慮經(jīng)濟性原則。例如，對于管道比較集中的管廊，其跨距應(yīng)視

多數(shù)管道的允許跨距而定，而不宜以少數(shù)較小直徑管道的允許跨距確定；

(7)支吊架的位置應(yīng)盡可能整齊有序，使支撐效果美觀大方。

2)承重支吊架位置的確定

承重支吊架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應(yīng)符合下列要求：

(1)支吊架位置應(yīng)能滿足管道最大允許跨度的要求。跨距要求見后面所述；

(2)當(dāng)有集中載荷時，支架應(yīng)布置在靠近集中載荷的地方，以減少偏心載荷和彎曲應(yīng)力；

(3)在敏感設(shè)備(泵、壓縮機)的附近，宜設(shè)置承重支架，以防止設(shè)備嘴子承受過大的管道

荷載；

(4)支吊架應(yīng)設(shè)在彎管和大直徑三通式分支管附近；

(5)當(dāng)塔器的水平管嘴直接安裝DN注150的閱門時，應(yīng)在閥門附近設(shè)承重支架；

(6)沿立式容器、立式設(shè)備等敷設(shè)的豎直管道，應(yīng)在盡可能靠近嘴子處的豎管上設(shè)承重支

架；

(7)?般較長的豎直管道，應(yīng)在靠近上面的端部設(shè)承重支架；

(8)當(dāng)某些管道元件需要拆卸移走或相連設(shè)備需要拆卸移走時，應(yīng)考慮相連管子的穩(wěn)定性

必要時應(yīng)設(shè)承重支架。

3)固定支架位置的確定

固定支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應(yīng)符合下列要求：

(1)對于復(fù)雜管系，可用固定支架將它劃分成幾個形狀較簡單的管段，如L形管段、U

形管段、Z形管段等，以便分段進行分析計算和柔性設(shè)計；

(2)確定管道固定支架位置時，應(yīng)使其有利于兩固定點之間管段的自然補償；

(3)選用n形補償器時，宜將其設(shè)置在兩固定支架的中部不能位于兩固定支架的中部

時，兀型補償器距固定支架的距離不宜小于兩支架間距的1/3；

(4)固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；

(5)固定支架應(yīng)設(shè)置在需要承受管道振動、沖擊載荷或需要限制管道多方向位移的地

方；

(6)迸出裝置的工藝管道和非常溫的公用工程管道，宜在裝置分界處設(shè)固定支架；

(7)落地生根的調(diào)節(jié)閱組、蒸汽分配管、其它閥組和分配管等，應(yīng)一端設(shè)固定支架，但

此時固定支架的位置不應(yīng)阻礙管系的熱補償。

4)導(dǎo)向支架位置的確定

(1)豎直管道較長時，為了防止因風(fēng)載荷等引起的管道大幅度振動或擺動，應(yīng)在中間若

干位置設(shè)置導(dǎo)向支架，以增加其穩(wěn)定性。

(2)管廊上管道直線距離較長而且中間無固定點和止推支架時，應(yīng)在中間若干點設(shè)置導(dǎo)

向支架，以防止管道產(chǎn)生橫向不穩(wěn)定：

(3)管道在拐彎處有較大位移并影響到鄰近管道或其它設(shè)施時，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向

支架；

(4)允許管道軸向位移而不允許橫向位移的位置應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架；

(5)水平設(shè)置的n型補償器兩側(cè)應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架，導(dǎo)向支架距補償器的中心位置應(yīng)為

32DN-42DN；

(6)水平設(shè)置的自由型波紋管膨脹節(jié)兩端應(yīng)設(shè)置若干導(dǎo)向支架，第一組導(dǎo)向支架距膨脹

節(jié)中心位置應(yīng)不大于4DN,第二組導(dǎo)向支架距第一組應(yīng)不大于14DN；

(7)導(dǎo)向支架的位置應(yīng)不影響管道的自然補償。一般情況下，管道的彎頭、分支處不應(yīng)

設(shè)導(dǎo)向支架。

5)限位支架位置的確定

限位支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應(yīng)符合下列要求：

(1)限位支架在某些場合可代替固定支架，如補償器的兩端，裝置邊界線的管道固定點

等；

(2)在熱態(tài)情況下，當(dāng)管系的熱脹方向朝向敏感設(shè)備嘴子時，可在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置逆熱

膨脹方向的止推支架；

(3)剛度較大的管道對設(shè)備、設(shè)備基礎(chǔ)等產(chǎn)生較大推力時，可在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)止推支架。

6)防振支架位置的確定

防振支架的位置除滿足上述的基本原則之外，尚應(yīng)符合下列要求：

(1)有機械振動的管道，應(yīng)設(shè)防振管卡。防振管卡的數(shù)量及位置應(yīng)滿足管系動應(yīng)力分析

的要求；

(2)有地震設(shè)防要求的管道應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置防振支架；

(3)可能發(fā)生水擊、兩相流等而且能引起管道的振動時，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置防振管卡；

(4)防振支架的生根部分應(yīng)有足夠的剛度：

(5)防振支架應(yīng)盡量沿地面設(shè)置；

(6)防振支架宜設(shè)獨立基礎(chǔ)，并避免生根在廠房的梁柱上。

14.摩擦系數(shù)

1)在管道柔性設(shè)計中，應(yīng)考慮支架摩擦力的影響，摩擦系數(shù)應(yīng)按下表選取。

摩擦類型接觸面摩擦系數(shù)U

滑動摩擦鋼對混凝土0.6

鋼對鋼03

聚四氟乙烯對不銹鋼0.1

滾動摩擦鋼對鋼0.1

2)重要關(guān)系進行應(yīng)力分析時應(yīng)考慮摩擦力對整個管系的受力分配。

3)對于轉(zhuǎn)動設(shè)備應(yīng)盡可能采用吊架，以減少摩擦力對設(shè)備嘴子受力的干擾。

4)當(dāng)采用吊桿或彈簧吊架承受管道荷載時，可不考慮摩擦力的影響。

15.例題

彈簧支吊架編號(彈簧號)的選定

當(dāng)用計算機程序?qū)艿肋M行應(yīng)力分析時，某些程序有自動選擇彈簧支吊架的功能，人工

計算時，可根據(jù)彈簧所能承受的最大荷載和管道最大的垂直位移量選擇彈簧。管道的最大垂

直位移量，可按本章第四節(jié)介紹的方法計算，彈簧所承受的最大荷載山下述原則確定。

管道熱位移向上時：

安裝荷載=工作荷載+位移量X彈簧剛度

管道熱位移向下時：

安裝荷載=工作荷載一位移繭X彈簧剛度

CD42135-89系列彈簧荷載選用見表15—2—42。使用此表時，把管道的基本荷載視為

彈簧的工作荷載，再根據(jù)位移方向及大小，在表中查出安裝荷載。查出安裝荷載后，再根據(jù)

下式計算荷載變化率，使其小于或等于25%：

荷載變化率=[(|PG-PA|)/PG]X100%W25%

式中

PG一一工作荷載；

PA---安裝荷載。

例1：某根管道的工作荷載為7628N,運行時位移向上，位移量為10mm,根據(jù)管道安裝要

求，需采用A型吊架，試選擇吊架型號：

解：

(1)查表15-2-42,暫定該吊架位移范圍為VS30

(2)在表15-2-42的中線和上粗線之間查得工作荷載(基本荷載)為7628N的彈簧編號為13。

⑶以7623N對?應(yīng)的VS30刻度值向下10mm查得安裝荷載為9123N。

(4)驗算彈簧荷載變化率：

[(|7628-9123|)/7628]X100%=19.6%<25%

(5)選用吊架型號為VS30Al3。

當(dāng)所選用的彈簧其荷載變化率〉25%時，應(yīng)減小彈簧剛度，另選位移范圍大一級的彈簧。

例2：某管道工作荷載為17350N,運行時位移向上，位移量為12mm。根據(jù)管道安裝要求

需采用G型吊架，試選擇吊架型號：

解：

(1)查表15-2-42,暫定該吊架位移范圍為VS30；

(2)G型吊架每個吊架實際僅承受管道荷載的一半，即17350/2=8675N。

(3)在表15-2-42的中線和上粗線之間查得工作荷載為8675N的彈簧編號為13。

(4)以8675N對應(yīng)的VS30刻度值向下12mm查得安裝荷載為10469N,

(5)驗算彈簧荷載變化率：

[(|8675-10469|)/8675]X100%=20.6%<25%

(6)選用吊架型號為VS30Gl3。

第五章應(yīng)力分析

1.進行應(yīng)力分析的目的是

1)使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)；

2)使設(shè)備管口載荷符合制造商的要求或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)；

3)計算出作用在管道支吊架上的荷載；

4)解決管道動力學(xué)問題；

5)幫助配管優(yōu)化設(shè)計。

2.管道應(yīng)力分析主要包括哪些內(nèi)容？各種分析的目的是什么？

答：管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析。

1)靜力分析包括：

(I)壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的?次應(yīng)力計算一一防止塑性變形破壞；

(2)管道熱脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計算一一防止疲勞破壞;

(3)管道對設(shè)備作用力的計算一一防止作用力太大，保證設(shè)備正常運行；

(4)管道支吊架的受力計算一一為支吊架設(shè)計提供依據(jù)；

(5)管道上法蘭的受力計算一一防止法蘭泄漏：

(6)管系位移計算一一防止管道碰撞和支吊點位移過大。

2)動力分析包括：

(1)管道自振頻率分析一一防止管道系統(tǒng)共振：

(2)管道強迫振動響應(yīng)分析一一控制管道振動及應(yīng)力；

(3)往復(fù)壓縮機氣柱頻率分析一一防止氣柱共振：

(4)往復(fù)壓縮機壓力脈動分析一一控制壓力脈動值。

3.管道應(yīng)力分析的方法

管道應(yīng)力分析的方法有：目測法、圖表法、公式法、和計算機分析方法。選用什么分析

方法，應(yīng)根據(jù)管道輸送的介質(zhì)、管道操作溫度、操作壓力、公稱直徑和所連接的設(shè)備類型等

設(shè)計條件確定。

4.對管系進行分析計算

1)建立計算模型(編節(jié)點號)，進行計算機應(yīng)力分析時，管道軸測圖上需要提供給計算機

軟件數(shù)據(jù)的部位和需要計算機軟件輸出數(shù)據(jù)的部位稱作節(jié)點：

(1)管道端點

(2)管道約束點、支撐點、給定位移點

(3)管道方向改變點、分支點

(4)管徑、壁厚改變點

(5)存在條件變化點(溫度、壓力變化處)

(6)定義邊界條件(約束和附加位移)

(7)管道材料改變處(包括剛度改變處，如剛性元件)

(8)定義節(jié)點的荷載條件(保溫材料重量、附加力、風(fēng)載、雪載等)

(9)需了解分析結(jié)果處(如跨距較長的跨中心點)

(10)動力分析需增設(shè)點

2)初步計算(輸入數(shù)據(jù)符合要求即可進行計算)

(1)利用計算機推薦工況(用CASWARII計算，集中荷載、均布荷載特別加入)

(2)彈簧可由程序自動選取

(3)計算結(jié)果分析

(4)查看一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的核算結(jié)果

(5)查看冷態(tài)、熱態(tài)位移

(6)查看機器設(shè)備受力

(7)查看支吊架受力(垂直荷載、水平荷載)

(8)查看彈簧表

3)反復(fù)修改直至計算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求(計算結(jié)果不滿足要求可能存在的問題)

(1)一次應(yīng)力超標(biāo)，缺少支架

(2)二次應(yīng)力超標(biāo)，管道柔性不夠或三通需加強

(3)冷態(tài)位移過大，缺少支架

(4)熱態(tài)水平位移過大，缺少固定點或□型

(5)機器設(shè)備受力過大，管道柔性不夠

(6)固定、限位支架水平受力過大，固定、限位支架位置不當(dāng)或管道柔性不夠

(7)支吊點垂直力過大，可考慮采用彈簧支吊架

(8)彈簧荷載、位移范圍選擇不當(dāng)，人為進行調(diào)整

5.編制計算書，向相關(guān)專業(yè)提交分析計算結(jié)果

1)計算書內(nèi)容

(1)一次應(yīng)力校核內(nèi)容

(2)二次應(yīng)力校核內(nèi)容

(3)約束點包括固定點、支吊點、限位導(dǎo)向點和位移點冷態(tài)、熱態(tài)受力

(4)各節(jié)點的冷態(tài)、熱態(tài)位移

(5)彈簧支吊架和膨脹節(jié)的型號等有關(guān)信息

(6)離心泵、壓縮機和汽輪機的受力校核結(jié)果

(7)經(jīng)分析最終確定的管道三維立體圖，包括支吊架位置、形式、膨脹節(jié)位置等信息

2)向相關(guān)專業(yè)提交分析計算結(jié)果

(1)向配管專業(yè)提交管道應(yīng)力分析計算書，計算書不提供給甲方

(2)向設(shè)備專業(yè)提交設(shè)備需確認(rèn)的設(shè)備受力

(3)如果支撐點、限位點、導(dǎo)向點的荷載較大，應(yīng)向結(jié)構(gòu)專業(yè)提交荷載數(shù)據(jù)

(4)將往復(fù)壓縮機管道布置及支架設(shè)置提交壓縮機制造廠確認(rèn)

6.何謂一次應(yīng)力，何謂二次應(yīng)力？分別有哪些荷載產(chǎn)生？這兩種應(yīng)力各有何

特點？

答：一次應(yīng)力是指由于外加荷載，如壓力或重力等的作用產(chǎn)生的應(yīng)力。

一次應(yīng)力的特點是：它滿足與外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自

限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。

二次應(yīng)力是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，二次應(yīng)力的特

點是具有自限性，當(dāng)管道局部屈服和產(chǎn)生小量變形時應(yīng)力就能降低下來。二次應(yīng)力過大時，

將使管道產(chǎn)生疲勞破壞。在管道中，二次應(yīng)力一般由熱脹、冷縮和端點位移引起。

7.一般來說，管道上哪些點的應(yīng)力比較大？為什么？

答：?般來說，管道上三通和彎管處的應(yīng)力比較大。因為，與直管相比，三通和彎管處

的應(yīng)力增強系數(shù)比較大。

8.根據(jù)NEMASM23的要求，汽輪機管口受力應(yīng)滿足什么要求？

答：NEMASM23對汽輪機管口受力的限制如下：

定義機軸方向為X方向，鉛垂向上方向為+Y,汽輪機各管口受力必須滿足下列各項要

求；

⑴作用于任一管口上的合力及合力矩應(yīng)滿足以下要求：

0.9144FR+MRW26.689De

式中

De一一當(dāng)量直徑，mm；當(dāng)管口公稱直徑不大于200時;口6=管口公稱直徑；當(dāng)管口公稱

直徑大于200時，De=(管口公稱直徑+400)/3；

FR一—單個管口上的合力，當(dāng)接管采用無約束膨脹節(jié)時應(yīng)包括壓力產(chǎn)生的作用力(凝汽式

汽輪機垂直向下出口可不考慮膨脹節(jié)內(nèi)壓推力)，N；

MR—-單個管口上的合力矩，N-m?

FR=(Fx2+Fy2+Fz2)l/2

MR=(Mx2+My2+Mz2)l/2

式中

Fx、Fy、Fz一—單個管口上X、Y、Z方向的作用力，N；

Mx、My、Mz——單個管口上X、Y、Z方向的力矩，N?m。

(2)進汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩應(yīng)滿足以下

兩個條件：

1)合力和合力矩應(yīng)滿足以下條件：

0.6096Fc+MCW13.345DC

其中：

Fc一一進汽口、抽汽口和排汽口的合力，N；

Me——進汽口、抽汽口和排汽口的力與力矩合成到排汽口中心處的合力矩，N?m；

De一一按公稱直徑計算得到的各管口面積之和的當(dāng)量直徑，mm。

當(dāng)各管口面積之和折合成圓形的折算直徑不大于230mm時，De=折算直徑；當(dāng)各管口面積

之和折合成圓形的折算直徑大于230mm時，De=(折算直徑+460)/3。

2)FC和MC在X、Y、Z三個方向的分力和分力矩應(yīng)滿足以下條件：

|Fcx|W8.756Dc|Fcx|W13.345Dc