李家发
安徽海螺建材设计院研究院 安徽芜湖 241070
摘要：汽水管线是水泥窑纯低温余热发电的重要组成部分。本文主要介绍了汽水管线设计与施工中存在的问题，对支架的受力及布置等关键因素进行了分析，提出了管线支架设计要点及施工时注意事项，供设计与施工参考。
关键词：余热发电；导向支架；固定支架；支架受力分析
1 引言
目前国内各大水泥企业都配套建设水泥余热发电项目，海螺集团作为目前亚洲最大的水泥及熟料供应商、中国纯低温余热发电最早应用者，自1998年至今，投产上百套余热发电机组，取得重大成效；海螺建材设计研究院充分利用海螺自身资源及经验，自主创新进行了工艺、管线、土建、给排水和电气成套设计，但在在使用过程中发现汽水管道支架出现一些问题：主要表现为管线支架弯曲、滑动支座和支架顶部相对部位过大错开等。
图一：导向支架弯曲
图二：滑动支座脱落
在检查中，此类问题在余热发电支架工程中较为普遍，本文就余热发电汽水管线支架所存在问题进行总结与分析，为设计与施工提供参考。
汽水管线包括PH锅炉出口段管道、AQC锅炉出口段管道及汇总段管道三部分。管道一般采用支架架空敷设，架空支架分为固定支架和导向支架两种。
固定支架：必须承受与它相连接管段上所传递的力和力矩，如管道内介质压力产生的推力、由导向支架所产生的摩擦反力、流体冲击力及管线和介质的重量等。固定支架是不允许管道与支撑结构有相对位移的管道支架，保护膨胀弯头、三通支管不被过大的应力所破坏。它主要用于将管道划分成若干补偿段，分别进行补偿。
导向支架：在管路中设置导向支架，是为了保证管道沿规定的方向位移、防止管路失稳。在仅有轴向位移的管段上，导向支架只允许轴向位移而限制其它方向的位移。
2 支架受力分析
要设计出合理的管道支架，首先要了解各支架的受力情况和特点，下面就简要分析固定支架和导向支架的受力情况。
支架受力简图：
图三：支架受力示意图
2.1 固定支架受力分析
固定支架主要承受水平推力及重力作用，水平推力由三种力的合力组成：
1）管道内介质压力产生的推力
F＝P*A （2.1-1）
其中P为工作压力，A为膨胀弯头有效截面积。内压推力由膨胀弯头有效截面积及工作压力所决定，内压推力与工作压力、有效截面积成正比，一般来说，膨胀弯头的内压推力都较大。
2）膨胀弯头刚度产生的弹性力
PA＝K*f*L （2.1-2）
其中K为膨胀弯头刚度，L为管道实际伸长量，f为系数，预拉伸时为0.5，否则为1。
管道热伸长量的计算
计算管道的热伸长量时通常按手册中提供的下式计算：
L=α（t1-t2）La （2.1-3）
其中：
L —— 管道的热伸长量，单位：mm；
α —— 管道的线膨胀系数，单位：mm/（m ℃），可查有关表格；
t1 —— 管内介质温度，℃。管内介质指蒸汽、热水、过热水等；
t2 —— 管道安装时的温度，℃。当管道架空敷设于室外时，应取供暖室外计算温度；
La —— 管道自由端至固定端的距离，单位：m。
计算管道热伸长量，是为了确定膨胀弯头的所需补偿量，或验算管道因热伸长而产生的压缩应力，所以对于管道的热伸长量应计算其最大值，即取冷态安装条件的最低温度和热态运行条件的最高温度之间的最大温差。由于全国各地的气候条件差异很大，因此就全国范围而言，t2不应有统一的取值。《工业锅炉房设计手册》（中国建筑工业出版社）提出：管壁的最低温度，一般可取室外采暖空气计算温度，非采暖地区则按最冷月平均温度计算。
3）固定支架所受各导向支架滑动摩擦反力（对支架产生反向推力）
F1=∑μqx （2.1-4）
其中qx为导向支架上管道重量，μ为摩擦系数。
固定支架水平推力=内压推力+弹性力+摩擦反力。
如果不同心还将计入因偏心造成对固定支架的弯距和侧向推力。
计算固定点推力时，应分别计算固定点每侧的受力，然后再合成。固定点两侧的方向相同时，采用两个力的矢量和作为固定点推力。两个力方向相反时，用绝对值大的力减去绝对值小的力的0.7倍，作为固定点的推力。管道水平拐弯处的固定支架要考虑到两个方向上的水平推力。
2.2 导向支架受力分析
导向支架主要承受水平推力及重力作用，导向支架推力计算：
1）导向支架所受滑动摩擦力（起控制作用）
F=μqx （2.2-1）
其中qx为导向支架上管道重量，μ为摩擦系数。
2）管道内介质压力推力的影响
导向支架设计还要考虑10%-15%的管道内介质压力推力。在仅有轴向位移的管段上，导向支架只允许轴向位移而限制其它方向的位移。
2.3支架所受竖向力
所有管道支架均需承受管道的竖向力作用。
3 支架布置
3.1 固定支架布置
固定支架是安装在具有一个或者几个弯头的管系上，它必须承受与它相连接管段上所传递的力和力矩。
当设计支架时，在下述情况下必须设置固定支架：
1）管道盲端
2）介质流向改变处（即管道弯头处，包括水平弯头及竖向弯头）
3）管道分支处
4）管道变径处
5）两个弯头之间的管道上截止阀或减压阀处
3.2 导向支架间距确定
在只有轴向位移的场合，导向支架的间距可如下设置：一般推荐，使膨胀弯头靠近一个固定支架，第一个导向支架与弯头的间距不超过管径的4倍。这种布置方式既可以使位移得到正确的导向，又可使膨胀的两端得到适当的支承。第二个导向支架与第一个导向支架的间距一般不超过7米。
注意：所推荐的管道导向支架的设置方法，是对包含有弯头的管线进行控制的最低要求，以防止弯头和管系的破坏。根据管系的实际情况，还常常需要在导向支架之间增设另外管道支架。
3.3 弯头提供的变形量的影响
合理的设计管路系统中的支架，是保证弯头正常发挥作用的必要条件，相反管道弯头的设置必须提供足够的变形量（通过管道热伸长量计算，确定弯头的所需补偿量），保证管道热伸长量在弯头处得以足够的释放，避免本段管道上的热伸长量及应力传至下段管道。
4 固定支架设计注意事项
对于固定支架承受的水平力较大，且受力情况复杂。因此一般用四柱支架比较合理。这样它既可以承受水平力，也可以承受一定的弯矩。固定支架的刚度一定要大于管道膨胀弯头的刚度，否则，由于温度引起的管道热伸长量不能在弯头处被释放，就会给支架带来很大的推力，对于大直径管道，常会破坏固定支架。
5 导向支架破坏分析
在实际工程中发现，导向支架是最容易发生变形或破坏的部位，主要表现为两种情况。
1）导向支架弯曲：导向支架的水平力主要是支座底板与支架顶板间的滑动摩擦力。通常设计时采用两柱支架，前提是管道支座能够在导向支架上滑动。如果由于施工或设计不当导致管道不能在支架上正常滑动，支架受力将发生变化，推坏支架，导致事故发生。
支座板制作通常都是现场切割，存在毛边，一方面建议施工时将毛边刨平，保证支座接触面的平整；另一方面建议在底板上增加润滑油，减小滑动面的摩擦系数，这也可以防止钢板在露天情况下的腐蚀。从而保证支座的来回正常滑动。
2）滑动支座脱落：支座一旦从支架上滑脱则难以恢复。当遇到检修等情况下发电停止时，管道冷却回缩将会对支架产生反向拉力，此时支座被支架抵死，形成固定支座，支架顶部就将承受较大的水平力及位移，支架容易因挠度过大失稳。
分析滑脱原因主要有两点：一、膨胀弯头设置间距过大，从管道热伸长量计算公式（2.1-3）不难看出，滑动支座位移量大小与其到固定支架的距离成正比，所以在远离固定支架端的支座位移量越大，往往存在支座滑脱的情况；二、膨胀弯头刚度过大，本段管道的热伸长量在膨胀弯头处无法得到完全释放，未得到释放的部分将通过弯头传递给下段管道，下段管道支座位移则由自身热伸长量叠加上段传来的位移组成，此时支座极易发生滑脱。
6 注意事项
6.1 施工注意事项
有时热力管网布置原始设计很好，现场实际施工情况与设计往往出入很大。如地面标高设计时考虑偏差较大、底下原有设施与支架基础相碰、管道与原有设施相碰等问题，往往会调整支架位置和间距，不少施工单位对此没有充分重视，某些支架由于管道走向的改变，支架受力将发生很大变化，受力改变容易推坏支架，导致事故发生。在进行较大变更时，应特别注意管道的受力形式是否符合膨胀弯头布置基本原则，通过合理分段，尽量保证管线呈直线，控制拐点产生，减少作用于固定支架与导向支架的弯矩及侧向推力，应由设计单位复核后再实施。
6.2 生产注意事项
生产中要有计划地利用检修时间，检查滑动支座和固定支座的可靠性；检查滑动支座是否有脱落现象；经常检查支架焊缝是否有破坏，保证支架结构的安全。生产工程避免过载现象，一旦出现过载现象应立即清理，避免出现结构整体破坏。
7 结语
管道支架不仅仅是结构设计问题，首先涉及到管线走向及支架的合理布置，其次是对支架受力的合理分析及结构上的正确计算，最后是施工质量的保障。只有各方面相互结合，才能达到满意的效果。
论文作者:李家发
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第19期
论文发表时间:2018/2/3
标签：支架论文; 管道论文; 弯头论文; 支座论文; 导向论文; 推力论文; 位移论文; 《建筑科技》2017年第19期论文;