图文 | 压力管道支吊架类型功能和模拟详解

配管和压力管道应力分析，压力管道支吊架设计选型，支吊架类型和支吊架的作用，弹簧支吊架的选型和计算模拟是很重要的一部分内容。

提供足够的管壁厚度和安装适当的支架是确保管道系统结构完整性的两个最重要的因素。管道需要足够的壁厚来容纳工艺介质，也需要适当的支吊架来承载管道系统。管道支吊架通常被用作为分配管道重量的设备。这里的重量包括管道本身的重量，管道内的介质，管件以及管道的覆盖物。如保温、防火材料、衬里和雪载等。

除了支吊架，管道系统可能还需要约束支架来控制管道的位移。抵抗偶然载荷，如风和地震；保护敏感设备的管嘴；增加管系的刚度，减少振动等等。使用约束支架的目的是为了限制管道在某些特定方向上的位移。支吊架和约束支架统称为管道支架。

01-支吊架类型及其功能

为满足不同的功能需求，管道支吊架系统会涉及到许多不同类型的组装件，通过配合，组装达到目的。在借助计算机进行复杂应力计算的今天，我们需要用一种通用的名称来描述这些功能多样化，组装件庞杂的支吊架系统，方便设计工程师，分析工程师，制造工人和软件工程师们相互交流。这些支吊架的初始的命名基本都来源于Kellogg的书籍，尽管其中一些支吊架原意后来已被修改。接下来介绍常见的支吊架类型，并附带说明在计算机分析中的实现方式。

在讨论这些支架之前，先说明一下，管道系统的每个节点都包含6个自由度:3个平移方向和3个旋转方向的自由度。如果某个节点没有任何限制，管道可以在x、y和z方向自由平动，也可以在绕着x、y和z轴方向转动。支吊架的作用就是将管道的节点运动限制在一个或多个自由度上。每个方向约束的有效性取决于布置在该方向上支吊架的刚度。理论上讲，刚性支吊架的刚度无穷大。在实际应用中，可以通过设置足够大的刚度来解决数字分析中遇到的一些麻烦。

02-固定支架

固定六个方向的自由度。这是管道应力分析中最基本的支架。管道的柔性分析大多都是通过固定管道两端，隔离出独立的小系统来进行的。图6.1是一些常见的管道固定端布置形式。设备连接通常被认为是固定端。然而，除了设备口连接，在管道系统中几乎很少大量的采用固定支架。最常用的地方比如膨胀节两端，和长管段末端。

理论上，固定支架点的管道是不允许发生任何位移和转动的。因为我们假定的是六个自由度方向的刚度都是无穷大的。

然而，有的设备口刚度并非无穷大，如压力容器和储罐的管嘴。它们的管嘴具有一定的柔性，这种类型的固定点用两种方式来模拟更合理，一种是用固定支架模拟同时给固定支架一定的柔性；一种是在六个自由度上分别进行约束，并添加相应的刚度进行模拟。同时设备本身发生热胀冷缩，引起的设备口位移也一并要考虑进去。图6.1(d)所示的固定支架通常用于埋地管道大管端。因为埋地管道热胀推力巨大，加之周围土壤松软的缘故，很难保证这个固定墩在推力作用下不发生移动。因此这种固定墩只起到阻止管道发生大位移的作用，也把这种固定墩称作可动固定墩。在分析计算的时候，宜考虑给固定支架添加适当刚度。

03-承重支架

承重支架用于分配管道重量和其它竖直方向的载荷。与吊架不同的是，它特指从管道下方进行安装和起支撑作用。

图6.2所示是一些常用的刚吊和承重支架。图6.2(a)所示的刚吊后面将单独讨论。承重支架细分主要取决于下面的管托形式。最直接和最经济的支撑如图6.2(b)所示，让管道自由的放在支撑钢结构上。当管道需要和钢结构隔离时，就会用到管托。图6.2(c)是倒T字型钢支撑，在管道的中心线下方，承载面近乎于一条线，承载接触面管道很薄弱。这种支撑仅限于用在10寸以内的管道上。12-24寸的管道承重支撑一般会用图6.2(d)的形式。这种工字钢形式的管托与管道侧壁有两条接触的线，可共同分担重量，因此可比前一种型式的支架承受更多的载荷，也更稳定一些。当温度超过400度时，支架上面的温度梯度变化导致的不均匀应力会超过安全的限制，此时就会用到像6.2(e)耳轴式管托或6.2(h)管箍式管托了。6.2(f)鞍式支座和环梁支座这类管托一般用于管道直接超过24寸的管道。

在管道应力分析中，图6.2所示的吊架和支架均阻止管道往-y方向运动。即重力的反方向。

04-刚性吊架

与支架类似，刚性吊架专门用于承受管道系统的部分重量和附加的垂直载荷。然而，刚性吊架是从管道上方承受的载荷。其特点是始终处于张紧状态，由于这种拉伸性质，可以使用细长杆而不必考虑压杆失稳问题。吊架通常是指刚性吊架。虽然承载方向上具有相当大的柔性，但在这个方向上，它的刚度通常比管道系统要大。

如图6.3所示，吊架悬挂在结构上，通过吊杆下方的铰环与管道连接。当管道由于热胀或其他力的作用而移动时，吊杆就会产生水平阻力阻止管道在水平方向的运动。吊杆与管道是铰接，刚性吊杆在摆动过程中还有提升管道高度的影响。这种二级影响是很难在计算软件中进行考虑的。但是，如果倾斜角度限制在不超过4度，那么水平阻力可以忽略。如图6.3所示，在倾斜4度时，水平阻力约承重的7%。为了将这种水平阻力的影响减到最小，吊架通常在安装时带有一定的初始倾斜度，使其在工作状态下变为垂直状态。当管道的在竖直方向变化高度不足以达到吊架摆角4度而产生的竖直方向的高度时，可以使用吊架。

05-约束支吊架

    任何阻止、阻挡或限制管道运动的支架都称为约束支架。约束支架一般是指除上述承重支吊架以外的支架。图6.4是一些比较常用的约束支架。没有规定在管道同一点只能约束多少个方向，限位支架和到导向支架都是由承重支架组合而成的。固定支架可以理解成约束的六个方向的约束支架。

06-铰式拉压杆

铰式拉压杆两端由两个铰链连接，可拉可压。一般当用于周围没有合适支撑结构的环境。它还可以用来减少约束摩擦力，它还可以倾斜布置。如图6.4（a)。

07-限位止推

限制管道在某一个或多个方向产生位移。限位支架特指轴向限位，限制管道在轴向的运动，用于分割热胀，也可做成单方向的限位。止推支架也可做成单向或双向的形式。除非另有说明，限位和止推一般指双向的。

08-导向支架

导向支架限制管道发生横向移动。对于长直管段，通常在每隔一跨都会设置导向，当然也要根据实际情况，对于没有特别要求风载和地震的情况下，2-3跨设置一个导向也可以。

09-支架间隙

如图6.4(b)和(c)所示的限位和导向支架，起到稳定管道和承载一些偶然载荷的作用。安装时，为避免管道和支架粘接，通常会预留一些间隙（1.5mm），也可以人为设计需要的间隙满足管道受力的要求。对于作用力很大的情况，可加强支架的结构，如图6.4(d)和(e)所示。

11-减震支架

这种支架类似于铰式拉压杆，但专门用于抵抗偶然载荷和减震。减震支架通常附有预压缩弹簧或摩擦装置。它预先设定初始阻力，这个力会一直保持相对稳定的作用在管道上。当管道承受偶然作用的载荷时，它直接能起到阻止的作用。如图6.5所示，(a)为力-位移的关系，(b)模拟方法。这个减震支架可以模拟成一个线性弹簧和一个非线性弹塑性约束的组合。限位器也可以用来限制最大行程。

12-滑动支架

承重支架下面加滑板，减小摩擦系数，将支架水平方向的阻力降到最低。

13-刚性支架

仅由实心结构构件构成的支撑或约束。虽然支撑结构可能有一定的柔性，但它仍然比支撑方向上的管道要强得多。

14-可变弹簧

分配管道竖直方向的载荷，同时在竖直方向可随管道发生位移，承受的载荷也会随竖直方向的位移发生变化，称为可变弹簧，可支可吊。

15-恒力弹簧

分配管道竖直方向的载荷，可随管道在竖直方向发生位移，但位移过程中承受的载荷始终保持恒定。

16-阻尼器

可以抵抗地震和水击气锤等冲击载荷的支架，但它不能抵抗缓慢变化的热胀位移。阻尼器可分为液压和机械两种。如图6.6所示，液压阻尼器，约束运动将活塞推入充满液体的气缸内，这个圆筒有一条通向贮水池的通道。在通道内部，有一个弹簧加载的止回阀，允许流体逐渐通过，但是当流体流速达到阈值极限时，阀门就会关闭。机械式阻尼器，使用滚珠丝杆和滚珠螺母将平移运动转化为旋转运动。当转动加速度达到一定水平时，绞盘弹簧抱死，起到承受冲击的作用。阻尼器在产生作用前都会有一个小的初始运动。因此，在减小稳态小振幅振动方面效果不佳。在管道应力分析中，减振器适用于解决动态载荷问题，但不适用于静态。

17-转动约束支架

限制管道在特定轴方向发生转动。有时候会把它当做是弯矩约束支架，类似于旋转补偿器。

   上面说到的这些常用的支架，你都了解它们的作用和用法了吗？在CAESARII中又是怎么模拟的呢？欢迎在下面留言，或者去公众号“管道的世界”管道应力分析讨论群里面留言。