管道支架的设计.docx
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管道支架的设计
管道支架的设计
支承管道的管架通常分为三部分:
管廊。
三、生根在建筑结构上的各种支架，高度通常在2m以下。
通常第一类支架由配管专业提供条件，由土建专业设计完成；第二类支架通
常由配管专业负责设计；第三类支架在建筑物上的预埋件由土建专业设计，其他
部分由配管专业完成。
1.管道支架的分类及定义
按支架的作用分为三大类：
承重架，限制性支架和减振架。
为：
冈『性支吊架、可变支吊架或弹簧吊架、恒力吊架。
a、刚性支吊架：
用于无垂直位移的场合。
b、可变支吊架或弹簧吊架：
用于有少量垂直位移的场合。
C、恒力吊架：
用于垂直位移较大的地方。
为导向架、限位架和固定架。
a、导向架：
使管道只能沿轴向移动的支架，不允许有角位移。
b、限位架：
允许管子的某一点有角位移，但不允许有线位移。
C、固定架：
不允许支承点有三个轴线的全部线位移和角位移。
机械振动、风力及地震等外部荷载）的作用所产生的管道振动的支架。
减振架有弹簧和油压式两种类型。
2.水平管道的最大支架间距
管道支架间距是指管道的跨度。
一般管道的最大支架间距是按强度条件及刚
度条件计算决定，取其较小值。
常见的有几种典型的形式:
管道支架的设置使管道形成分段,
a、单跨梁（有图）
①支架间距按强度条件计算:
式中：
L—管道支架间距，m；
44
Z
32D
W—管道单位长度的重力，单位：
1ON/m;
[]-热态下管材受重力荷载部分的许用应力，MPa，通常取
[h]—管材在热态下的许用拉应力。
②按刚度条件计算:
式中：
L和W意义同上,
mm。
I—管子截面惯性矩，cm4，
—管子在跨中的挠度，
按刚度条件计算时的主要因素为挠度值的选取。
在装置内的管道，一般选用挠度在10〜20mm之间，推荐采用=15mm。
对于装置外的管道，由于
常设计成有坡度的管道（2%。
〜5%。
），其挠度采用较大值，可达38mm左右。
在公称直径600mm及以下的碳钢管道，取=15mm,温度在350°C时，按刚度条件计算的L值要小于按强度条件计算的L值。
因此，当挠度较小时,在常用的管径范围及温度范围内，管支架间距是以刚度条件控制的。
当工作温度较高，且管道荷载较大时，小管道往往是要按强度条件决定支架间距的。
管道的最大支架间距在许多参考书中都能查到，注意使用选取时应留有余地。
对于L形弯管，U形弯管及三轴向弯管，其允许跨度往往按下式评定:
L0・6~0・7Lmax
式中：
Lmax—各直管段相加后总长。
上。
荷载过于集中在少数梁上，形成支架设置与土建结构的计算不相等，这样引
应指出管道荷载分布是很重要的问题，特别是在土建设计的大跨度的桁架管道的荷载分布是与支架间距有关的，如，大管支架间距较大，有的梁不支承，
起梁的超载。
管支架设计者与土建设计者必须沟通设计条件，这是不可忽视的问题。
3.垂直管道的支架间距
垂直管道支架的设置，除了考虑承重的因素外，还要考虑防止风载引起的共
振。
在装置内较长的垂直管道多出现在塔类设备的周围或多层结构建筑物内。
对此类垂直管道设备的支架间距大致可按不保温充水的水平管道支架间距进行调整。
如，DN100,7.5m;DN200,10m;DN300,12m;DN400,13m等。
高温垂直管道的支架间距应按前值减小1米，对每根垂直管，考虑热膨胀常选用一个承重架，其余为导向架。
如图
4.装有波形膨胀节管道的支架间距
根据美国膨胀节制造商协会的标准装有波形膨胀节的管道，支架应按左图设置。
EI
LmaxO.。
1叫石f
式中：
E—弹性模量，kgf/cm2;
I—惯性矩，cm4;
L—管道支架间距，m；
P—设计压力，kgf/cm2a—膨胀节的有效面积，cm2
f—膨胀节的每波起始的弹性系数，kgf/cm/波;
5.确定管道支架位置的要点
决定管道支架的位置主要考虑以下几点:
1承重架距离不应大于支架的最大间距。
除非采取其他增加管道跨距的措施，否则这一点必须严格执行。
有压力脉动的管道还要按管道的固有频率来决定支架间距，避免发生共振。
为保证不发生共振，通常管道的固有频率要求在8次/秒以上。
管道的固有频率可按下式求取:
式中：
一挠度，cm；
2
g980cm/sec;
所以，fn4982
梁的支承形式不同，求挠度的公式如下:
4
A、特定连续架（有图）
19WL卡J,,,，式中WdaN,L—cm；1920EI
尽量利用已有的土建结构的构件支承，及在管廊的梁柱上支承。
做柔性分析的管道，支架位置根据分析决定，并考虑支承的可能性。
在垂直管到弯头附近，或在垂直段重心以上做承重架，垂直段长时，可在下部增设导向架。
在集中荷载大的管道组成件附近设承重架。
尽量使设备接口的受力减小。
考虑维修方便，使拆卸管段时最好不需做临时支架。
支架的位置及类型应尽量减小作用力对被生根部件的不良影响。
6.管道布置过程中对支架位置的考虑
配管设计人员在管道布置的过程中，应同时考虑支架位置及设置的可能性、合理性、经济性等。
管道走向除了满足安全生产、工艺要求、操作方便、安装维
修方便外，还应考虑:
敷设，以便利用梁柱来支承。
设备间的管道，做到无需另设支架，既经济合理，又满足管道柔性的需求。
管道柔性过大时，应增设支架减小应力和振幅，但应满足管道的膨胀要求。
使用波纹膨胀节时，应考虑管内介质的内压推力。
如果没有结构能承受这种推力，就必须采用压力平衡式的膨胀节。
压缩机等动设备的出口管道，应设置合适的支架，避免将振动传给其它管道，钢结构或建筑物，这些支架从防振的角度，应优先选用滑动支架,而不用吊架，更不易连续使用多个吊架。
管道应靠近生根点，使支架构件有良好的刚度及避免承受过大的力矩。
立式设备上部管口接出的管道，从设备上支承，可使相对位移尽量小。
管道成组布置时，各管道的支承面应取齐，以便设计支架。
采用弹簧支座或吊架时，管道与生根构件之间应有足够的空间。
7.应力分析过程中对管道支架的考虑
应力分析与支架设计者应对配管及土建结构的情况详细了解，及对整个管道支撑系统进行研究，取得一致意见，确定支架的位置及类型。
经过应力计算，如管道不能满足要求，应首先研究支架是否合理，能否通过限制性支架进行调整,改善各部的应力分布。
如不可能，应增加管道的局部柔性。
每次修改需重新计算,直至通过为止。
应力分析应从比较重要、管径大、温度高的管道开始，依次逐个进行。
在应力分析计算之前，应对管道支承的布置进行检查，检查内容如下:
承重架的间距是否超过最大允许间距。
所有支承点是否有可以生根的结构。
如果没有如何解决？
采用独立的新结构或修改配管。
是否有小管与计算的主管相连接？
判断小管加入计算的必要性。
垂直段管段很长时，承重架设在何处并研究支架的类型。
支架生根在设备上时，支承点随设备的热膨胀发生位移是否考虑了?
由于垂直管的膨胀，研究水平管上的支架脱空的可能性或产生支承点管道应力过大的可能性。
采用的弹性支架是否合理。
采用的限制性支架的位置及类型是否安全合理。
8.对管道上支托点位置的要求
1优先考虑的支托点，是管子而不是阀门、管道附件、膨胀节等。
因为管
子的外径是形成系列的，有利于使用标准图和通用图。
2一般不在水平位置的弯头、弯管上作支托点，避免局部应力增加及影响
吸收膨胀的效果；在垂直面上布置时弯头上做支承架倒是常见的，但特别重要时，高温管道则不希望这么做。
③支托点应优先位于维修或清洗时不拆卸的直管上。
F面讲一些典型配管的支架类型及位置。
9.槽、罐类设备上部接管的支架
在（b）图中应考虑B点位置支架不至于脱空；（a）图中应符合垂直管段导向架间距离的要求，对高温管段应检查A-B段柔性。
10.塔类设备管道的支架（有图）
1A支架通常尽量靠近设备管口，以减小设备口和支承点的相对热膨胀位
移，减小热膨胀的反力。
2如A支架至管口间的管道柔性不够，可改变管道走向，适当增加管道的柔
性。
③如垂直段较长，A点荷载过大，应增设B支架承重，B支架应采用弹簧架。
④下接口管道的承重架位置设在与管道口相同的标高对热膨胀有利。
11.泵管道的支架（这里仅讲一例）
（a）图中RS-1支架，通常可以做成可调节高度的承重架；DS-1是
限位架，使泵入口水平管的轴线保持无偏移；泵口不至于承受过大的弯矩，RS
-2支架为滑动架，应注意至弯头的距离如过小将会脱空°DS是水平限位架，
对于大型的水泵出口管要注意止回阀关闭时的推力的作用。
在止回阀及切断阀附近应有坚固的支架，以承受水击及重力荷载。
12.安全阀管道的支架
安全阀的管口承受外载引起的弯矩要求尽量小，以免阀体变形，影响阀的性能。
当支架设计时，除承受管道重力荷载外，还应注意泄放流体时产生的反力及其方向。
安全阀出口管第一个支架应尽量生根在刚度较大的结构上。
安全阀突然开启，容易产生振动。
特别是大口径、大压差的安全阀应注意防振。
出口管为气液两相时，更应注意防振及避免水击。
13管廊上管道的支架
1管廊上管道支架的间距，受到管廊结构的梁及柱间距的限制。
小管道支架
间距用3m，大管道支架间距用6m，最常用的，对于小管道的最大允许支
架间距小于3m时，最好利用大管支承小管，或在管廊的梁两侧另增加悬臂
梁。
2a、固定点应设置在主梁上，不要设置在次梁上。
（有图）
b、尽量使用固定架两侧的推力相差不大。
（有图）
C、需要设波纹膨胀节或n型补偿器时，应按可能采用的n型补偿器或波
纹膨胀节的补偿量确定。
（有图）
3在有横向引出管道的接点时，导向架与接点或弯头的距离不宜太近，以免
影响管道的柔性。
三种常用的n型补偿器形式。
（有图）
14.管道支吊架的设计温度
和管道直接接触的支吊架部分的设计温度取管道内部的介质温度，不与管道直接接触或管道保温层外侧的支吊架部分的设计温度，取介质温度的1/3或环境温度，以二者较高的为准。
15.管道支架生根的结构型式
常见的生根位置有：
⑴生根在设备上；⑵生根在混凝土结构上；⑶生根在墙上；⑷生根在地面上；⑸生根在基础上；⑹生根在钢结构上；⑺生根在大管上。
⑴在设备上生根
在设计从设备上生根的支架时，要求在设备上预焊生根件。
这主要是因为设
备造价高，制造和检验要求高，如果现场安装支架在设备壁上直接焊接，许多设
备需要重新检验。
对于经过热处理或应力消除的设备，现场安装时，在设备壳体上焊接应被禁
止，因为焊后残余应力会影响设备的防腐能力和机械性能，还可能出现变形。
对于非金属衬里的设备，现场焊接会损坏内衬，如橡胶，塑料，玻璃等，从而导致设备不能使用。
常用的预焊件结构:
①在设备壁上贴钢板，ao（有图）
2单立板，bo（有图）
3带筋板的立板，co（有图）
4多筋板与端板，do（有图）
在支架与预焊件使用螺栓连接时，应注意各种螺栓适合的工作温度。
通常6〜350r，可使用Q235—A材质；351〜575C，应用耐热钢，如螺栓
（35CrMo）螺母（45号）；5〜—20r可使用35CrMoA或16Mn—21r以下应使用奥氏体不锈钢作为螺栓材料。
另外，应尽量在保温层以外使用螺栓连接，可使用普通材料的螺栓（8.8级）0
贴板结构在钢板周边焊接，如板过大受力不好，钢板超过200X200时，最好采用左图结构，用四块拼成。
尤其对球面圆柱面尤为必要。
在设备上使用三角架，如设备的两个生根件之间壳体又有热膨胀，而三角架
则在环境温度下，处理不好，三角架和设备壁都会产生很大的应力。
因此，这种
在实际设计中，应将预焊件的位置、荷载（力，力矩），预焊件的尺寸提供给设备设计者，以满足支架设计的要求。
⑵在混凝土结构上生根
管道布置在建筑物内时，管道支架在混凝土结构上生根是常见的.通常采用的方法有:
1预埋钢板；②型钢；③套管；④在混凝土结构上钻孔后用膨胀螺栓固定。
①预埋钢板便于支架安装，可适应施工中较大的位置偏差，广泛用于柱、
梁、楼板、基础等的表面。
2预埋型钢常用于梁、柱、基础等的拐角处，这种长条预埋件，通常用于
支架位置不确定时，还可起到保护梁、柱的作用。
3预埋套管数量可根据工程需要，大多数采用1寸钢管（DN25），可穿过
M20和M24的螺栓以连接支架构件。
4膨胀螺栓用于支架生根，优点是不需预埋，缺点是有时位置不适合会碰
上混凝土内的钢筋，且不适用于振动和有冲击荷载的场合。
为保证生根件有足够的强度，应将荷载包括力和弯矩，扭矩等应提交给土建结构设计者，只提供预埋板的尺寸是不够的。
对无预埋件的情况下，可采用双头螺柱夹紧型钢构件的结构，使之抱在柱上。
在柱间加梁的情况最好采用牛腿的结构，以免钢梁受温度变化对预埋件产生
过大的力。
穿过楼板的垂直管道，需要在楼板面做固定支架时，常在楼面孔周围预埋钢板，或在开孔附近预埋套管，用螺栓连接。
⑶在墙上生根
在墙上生根的支架以悬臂和三角架为主。
通常的做法有：
墙上预留孔，砌预制块（带有预埋钢板），以及采用膨胀螺栓固定等。
①施工比较方便。
（有图）
2
（有图）
（有图）
需要提前做预制块，以便砌墙时使用，受力较好。
3临时转孔安装膨胀螺栓，只能用于荷载小的场合。
在墙上生根支架，承载不能过大，应注意验算生根点以上的砖墙高度。
HW1.02-0.6250.625B
Bhh
式中：
H—需要的填充墙高度，m；
W—管道的垂直荷载，t；
B—混凝土块宽度，m；h—混凝土块厚度，或砖墙厚度，m；
L—悬臂的计算长度，
生根点没有足够的砖墙重量压住是不安全的。
在墙上生根除了考虑混凝土的许用压应力外，还要考虑砖的许用压应力只有10MPa。
⑷生根在地面上
在水泥铺砌的地面上做支架生根，由于铺砌面会受气候的影响，容易产生热
胀冷缩而开裂变形，特别是受土壤冰冻层的影响而变形隆起等情况。
因此，在地
面上生根只限于不重要管道，并有柔性荷载小，地面变形对管道无影响的条件。
⑸在基础上生根
管道支架的荷载较大，（1000N以上），或者管道有振动，或对支架的支承要求高时，应在基础上生根。
基础的大小和埋深与荷载，地耐力，冻土深度等有关，应有土建设计者决定。
基础顶部的生根结构，通常有三种：
预埋钢板;
预埋地角螺栓;
预留孔，基础预留孔的深度一般为20〜30倍螺栓的直径。
二次灌浆层的厚度一般在20〜30mm之间。
⑹在钢结构上生根
支架在钢结构上生根是最常见的，通常采用焊接或用螺栓连接于梁或柱上。
采用焊接的居多，这对于设计和施工都比较方便、灵活。
如果荷载较大，生根部位应尽量位于主梁或柱上。
若在次梁上应靠近梁和柱的接点，以减小梁的变形,应尽量避免使梁受扭（有图）。
为避免型钢的翼缘扭曲，常在受力处增加筋板（有图）。
如果管道荷载较大，可尽量不用悬臂梁，以避免产生不必要的扭矩。
在柱上生根经常采用悬臂梁或三角架。
当柱子较细时，也要避免受扭曲。
在钢结构上生根不需要预埋件，但是荷载的条件仍是需要的。
否则，土建结构的设计中缺少部分荷载（特别是大与5000N以上的荷载）是不安全的。
另外，弹簧支座或聚四氟乙烯滑动板支于梁上时，常需将梁局部加宽。
在靠近螺栓附近，必须采用筋板加强。
⑺在大管上生根
小管道的支架间距不能太大，有时在大管与小管一同敷设时，可采用大管支承小管的方法。
其形式如左图。
图中小管必须是滑动支承。
16.辅助钢结构
支架辅助钢结构介于管部附着件和被生根件之间，悬臂梁、三角架等结构都属于辅助钢结构。
①悬臂架和三角架
a图是最典型的悬臂架，生根部受弯矩，端部挠度较大，L通常W500mm
b图在根部设加强筋板，可减少根部的弯矩及挠度；
c图为变截面悬梁架，可采用大槽钢一分为二制作；
d图为三角支架可承受较大的力和力矩，L>750mm但一般不大于1500mm
②带水平斜撑的三角架
如果水平力较大，常在三角架横向构件同一高度处增加斜水平支撑。
可显著降低水平弯矩。
但应注意斜支撑不要碰到其他管道或其他构件，并在有牢固的生根点时方米用。
3上悬式型钢支架
17.刚性吊架
通常指圆杆吊架。
一般在上部结构及下部结构中均为铰接。
当管道有水平位移时，吊杆成倾斜位置，有水平分力。
但吊架的水平位移量是有限制的，移动范围和杆长成比例。
一般吊杆的转角为20，0角应控制在4°以下，以避免吊杆对管道产生过大的水平力及荷载转移。
在有热膨胀的管道中'经常采用较小的偏移量S,S金（L为拉杆长度）。
吊杆的承重应留有余地，要考虑圆杆的腐蚀量及邻近支架转移荷载的可能性。
选用圆杆吊架时，应注意各种刚性吊架都有其最小的结构长度。
选用时，总
10mm以下一般不采
长度应大于通用图中最小结构长度。
杆的直径按荷载决定，用。
Q235-A碳钢吊杆作用拉应力宜控制在70MPa以内。
不宜连续使用过多的吊架，在有振动的管道中不宜使用。
圆杆吊架的中部常带有花蓝螺栓，便于调节长度，同时需配有锁紧螺母，以免松动。
18.滑动支架
管道下方有可支承的土建结构时，常选用滑动支架，管托是比较经济且简单的滑动架，常采用T形，H形型钢及钢板制造。
滑动架有水平摩擦力，对抑制振动优于吊架。
滑动架多时，传递到固定点上的水平力较大。
有时选用带聚四氟乙烯滑动板的支架，以降低水平摩擦力，一般当垂直荷载在1吨以上时可考虑使用。
聚四氟乙烯滑动板是工厂生产的专用产品，由聚四氟乙烯板与钢板制成，安装在设备支座及管托等下面。
通常可使用一对四氟乙烯滑动板，或一块滑动板与不锈钢板配合使用。
摩擦系数:
对不保温的大口径（DN300以上）及重要管道的下面应焊接防止磨损的保
护板。
水平管的管托在支架中属于标准架，长度是定长的，（300,450）必要时可特殊加长。
管托支耳设计时，应防止热态滑落，对热位移较大处的管托应仔细计算，偏置安装（与位移方向相反）管托偏置是牛。
穿楼板的热管道尤其要注意，E值应满足热位移要求，避免管道与楼面管结构相碰，且不宜小于50mm。
弹簧支架应与楼面相接，支耳应有足够长度，避免滑落，边缘最远应不越过弹簧支架中心20mm.
左图（a）设计时应注意h值不宜过大，取值应保证摩擦力产生的弯矩
MFh在允许的范围内。
滑动面以下的构件应为底部固定结构的柱式架，并可以承受FL弯矩。
另外，设备口附近的支架应优先选用（C）图的形式，避免采用b图的形式。
19.可变弹簧支吊架
管道承重点如有垂直向热位移，一般要设弹性支架。
弹性架最常用的是变力弹簧吊架和变力弹簧支座。
有时为增加支架的承载能力可将几个弹簧并联使用
（2,4,6,8个等）。
有时支点的位移变化太大，以致使弹簧的荷载变化率超出了允许范围，可将几个弹簧串联使用，每个弹簧可在给定的荷载变化率的条件下
增加了整个支架总的位移量。
（通常串联数不超过2个）。
变力弹簧支吊架的荷载
变化率一般控制在25%以下。
严拌★.步工作荷载安装荷载0弹簧系数热位移量0
荷载变化率—工作荷载—100%—工作荷载—100%
位移量的大小随弹簧系数而变化，所以不能认为荷载变化率和弹簧系数成比
例；但一般情况，弹簧系数越小，荷载变化率越小。
荷载变化率越高，弹簧越接
近刚性吊杆。
相应地，对管道的热膨胀所产生限制越大。
另外，变化率越小，相
对一定的荷载和给定的位移弹簧就越笨重。
在一般情况下，弹簧架按热态吊零设计，即保证管道在热态工作状态下，按
个支撑点垂直位移为零设计。
管道在热态工况下具有良好的荷载分配。
有时也有
特殊设计需要，对某个或某几个弹簧支架按给定的安装荷载安装。
弹簧支吊架是依据热态（工作时）的荷载Ph及垂直向热位移
两个条件进
行选用的。
安装荷载Pc可按下式计算:
PcPh?
K
（#）
式中：
K—弹簧常数;
—热位移量;
Ph—工作荷载。
每一种K对应一个弹簧号，K可以从弹簧系列表中查出。
见附录
号,
一般Pc和Ph必须在弹簧许用荷载的范围内，约在45%〜95%之间，并符合
荷载变化率的要求。
热位移向上时，式（#）中应采用正号；热位移向下时，采
用负号。
出厂的产品应按Pc设定设置，并用卡板卡住弹簧在被压缩的位置，便
于安装，在运行前将卡板除去。
垂直向热位移量采用笔算时，参见6.5介绍的
算法。
可变弹簧架系列有化工设计标准（CD42B5），或按国际弹簧系列，见
GB10182，其中几种结构型式可按需要选用。
弹簧吊架因水平位移产生转角的限制要求与刚性吊架相同。
转角点的垂直向位移:
管道的垂直向热位移，除了设备的热胀所引起的以外，就是垂直管道的热膨
胀，最典型的就是Z型管道。
如图所示，垂直段h的膨胀量为，分配到上水平段为1，分配到下水平段为2。
分配的量与L的三次方成正比。
l3
1
l2
水平管上任一点的垂直向位移:
支吊点在水平管上，但水平管的两端有垂直向位移，常见到下面的三种情况:
⑴如图，一端固定，一端有位移的管段。
⑵如图，管段的两端均有同向的位移。
Lx12
X2
L
20•恒力弹簧架
如果支架垂直位移很大，冷态和热态的力又必须保持在较小的变化范围内,这种要求从经济上考虑已超出了使用可变（变力）弹簧支架的范围。
此时，应采用恒力架。
恒力架有弹簧和重锤式两种型式。
恒力弹簧架一般包括一个或更多的弹簧，弹簧的移动通过杠杆或相似的机械效应加以放大。
支撑点较大的位移相应于弹簧较小的行程变化。
对每一种弹簧号的支架其荷载和位移的乘积基本相等或
另外恒力
接近。
设计和制造通常都很严格，调整位移都可以从刻度上显示出来,弹簧架有安装位置可调结构，应避免将恒力架的位移量范围用在安装高度的调解上。
高度调节不仅在安装时需要，而且当管道永久变形后也需再作调整。
恒力弹
簧架不是完全达到恒力，通常荷载变化值仅100左右。
有些产品在现场调整荷载
的范围可达到10%。
恒力弹簧架常用上悬式，有时因地位限制也采用下支式。
详见GB10181标准。
恒力弹簧架也是按荷载和垂直位移两个条件选用，并进一步从系列表找出弹簧号。
在标准GB10181和JB2654中有完整的恒力弹簧架系列。
国际上一般是按照制造厂制定的系列表选用。
选择恒力架时，应考虑留有余地，即:
最大行程计算位移量1.220mm
荷载偏差下移时最大读数上移时最大读数
下移时最大读数上移时最大读数
I。
全程不偏差不超过600，包括摩擦力在内。
恒力弹簧吊架的结构图见附录荷载超过系列范围可采用并联的结构，位移超过系列范围可采用串联结构。
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