摘要：道系统设计的安全性，同时提高管道工程师在支架布置、选型时的效率和准确性。结合相关规范、专著，以及多年的海洋工程管道支架设计经验，系统阐述了海洋工程管道设计中的支架布置原则、支架跨距要求，详细介绍了管道支架的类型、选择方法及注意事项。为管道设计过程中的支架布置与选型，提供了具有一定实际意义的指导和参考。
关键词：海洋工程；管道支架；布置；选型
引言：海洋工程中的设施均为离岸作业系统，其安全、环保等方面与陆地工程相比，具有一定的特殊性。管道系统是工程中最常规、最有效的流体输送方式，但是仅仅因为某个管道元件的失效，都可能会造成无法想象的安全问题，因此，管道设计水平的发展显得日益重要。
管道设计从专业角度来讲是复杂的、系统的，主要包含了管道布置、支架设计、材料设计、应力分析、3D设计等内容，各项内容之间既有一定的独立性，又密不可分。管道支架设计是其中的关键环节，但同时又是较为薄弱的环节，好的支架设计，需要工程师具有一定的工程经验，同时需要在管道材料、管道柔性、力学甚至有限元等方面有一定的经验。
一、管道支架布置
1、管道支架布置原则
海洋工程的结构一般为钢结构，其管道支架布置的一般原则如下：①对于支架布置位置，应有合适且足够强度的钢结构，以便于支架生根；②管道支架布置应至少满足基本的跨距要求；③尽量减少弯头支架、三通支架等焊接支架，如不可避免，应对其进行专业评判，或者计算校核（如Kellogg算法，或使用FE/Pipe类的分析软件）；④管道支架与环焊缝之间应保证足够的距离；⑤管道改变方向时（横向或纵向），弯头或三通附近宜设置支架，同时也应考虑管道柔性要求；⑥不应在高温、低温、振动、蒸汽管道和非金属管道上支撑其他管道（接压力表/变送器等的支管除外）；⑦对于非金属管道（如玻璃钢、PE、CPVC、钢骨架塑料复合管等），其支架跨距、支架类型应满足厂长度过长引起管道下垂；⑨泵、压缩机、透平等动设备的管口附近，应采用可调支架。
2、管道支架跨距
（1）水平管道支架的允许跨距
对于水平布置的管道，允许的最大管道支架跨距一般由应力和变形引起的位移来决定。跨距评估可以通过半固定梁的方式进行计算，如从允许的弯曲应力角度，计算公式如下：
从允许的下垂位移角度，计算公式如下：
式中，L为支架跨距，Z为管道抗弯截面模量，S为管道材料的弯曲许用应力（不同的规范要求不同），w为管道重量和介质重量，E为管道材料的弹性模量，I为管道截面惯性矩，Δ为管道的变形（保守考虑，可以参考选取10～15，mm）。最终的结果可选取两个计算结果中的较小值。
此外，对于水平管道支架的允许跨距，MSS，SP，69、BS3974-1等标准中均有其计算公式和推荐值，可以在设计中核实后用来参考。管道系统通常是复杂的、走向多变的，因此，当存在弯头、三通等管件使管道走向变化时，弯头、三通两端的支架间距应在计算跨距的基础上考虑一定的安全系数（保守考虑，对于金属管道一般取0.6～0.8；对于非金属管道，一般取0.5～0.6）。
（2）竖直管道支架的允许跨距
对于竖直金属管道，最大导向型支架跨距可参考表1（如管道系统需进行应力分析，最终跨距应由应力分析人员确定）。
表1竖直金属管道最大导向型支架间距推荐
二、管道支架选型
1、滑动支架
限制管道约束点向下移动的支架为滑动支架。滑动支架也是承重支架，根据计算或推荐的支架跨距进行设置；带有绝缘层如保温、保冷、人员防护的管道，滑动支架应尽量选用管鞋；由于海上盐雾环境的腐蚀作用，管道在钢结构上直接支撑时，除采用管鞋外，可在管道底部焊接护板，以保护管线本体及防腐涂层（尤其是对于管道壁厚较薄的不锈钢、双相不锈钢等管道）。
2、固定支架
限制管道约束点所有6个自由度的支架为固定支架。长直管道（如：管排上的管道）一般需要布置且只能布置一个固定（或者止推）支架；易产生振动的控制阀、调节阀等的一端宜设置一个固定支架；膨胀弯两侧可各自设置一个固定（或者止推）支架，但两个支架间距不宜较近。
3、止推支架
限制管道约束点轴向（平行管道方向）移动的支架为止推支架。有冲击载荷（如水击、盲板力等）的情况下，应设置合适的止推支架，以防止冲击载荷对管道的破坏；安全阀的出口管道，需设置止推（和导向）支架；对于易振动的管道，需在管道走向改变的位置设置止推支架，以便尽量增加管道系统的自然频率，减小振动；玻璃钢等非金属管道，可适当考虑多设置止推支架，以抵抗水压试验引起的轴向荷载。
4、导向支架
限制管道约束点横向（垂直管道方向）移动的支架为导向支架。为了降低风、地震、冰激振等偶然荷载的影响，保持运输期间的管道稳定，每隔2～3个支架跨距，可设置一个导向支架，此经验做法可适用于水平管道，也可用于竖直管道；易振动的管道应设置足够的导向支架；如果控制阀的一端设置了固定（或止推）支架，另一端可设置导向支架；U-Bolt也属于导向支架，但是承受荷载较小，因此，一般用于不带绝热层的非工艺系统管道，且所应用的管线尺寸不宜大于NPS4，尽量避免大于NPS12；对于带有绝热层、尺寸小于NPS2，且操作温度小于60，℃的管道也可适当选用U-Bolt。
5、加强筋支架
采用焊接加强筋的方式，限制管道自由度，或者防止振动的支架为加强筋支架。对于海洋工程设施，尤其是浮式设施（如FPSO等），会受到偶然载荷、船体结构变形（如横摇、纵摇、中垂、中拱）等的影响，从而对一些薄弱点（如连接压力表管道与主管的连接点）造成不利影响甚至破坏，此时，可采用加强筋支架。海洋工程中最常见的加强筋支架如图1所示。对于可能产生振动的管道系统（如连接安全阀的管道），也可采用加强筋支架，如图2所示。
图1加强筋支架-1
6、 防振支架
防振支架一般用于易产生振动的管道系统，如与往复式压缩机/泵等易产生振动、脉动的设备连接的管道；存在水锤、段塞流的管道，排海管道等易振动的管道。
7、弹簧
弹簧分为恒力弹簧和可变弹簧，一般用于支架脱空、改善二次应力、
降低设备管口荷载。恒力弹簧相对价格较高，结构较为复杂，且对载荷准确性的要求较高，故弹簧支架一般首选可变弹簧。
图2加强筋支架-2
若必须选择弹簧支架，应遵循应力分析结果进行设置，但有两点容易被忽略：一是需要核实是否有足够的空间用来设置弹簧；二是需要注意弹簧位置，应尽量易于将来的检修和更换。
3结论
管道支架的布置与选型，涉及到的内容比较繁琐和复杂，因此，需要工程师具备一定的工程经验，即熟悉并能够适当控制所设计项目的风险点。管道支架的布置和选型合理，不仅可以对管道系统的安全性起到重要保障作用，同时可以利用不断积累的工程经验，与相关工程师（如应力分析、声学振动分析）互相配合，尽可能降低管道系统的振动、噪音、疲劳破坏等不利影响，使项目设计更为人性化、精品化。
参考文献：
[1]王川.海洋工程管路减振降噪研究[D].中国海洋大学，2015.
论文作者:郝明华,满松
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：支架论文; 管道论文; 跨距论文; 海洋工程论文; 应力论文; 弹簧论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第6期论文;