化工管架结构设计浅析

化工管架结构设计浅析

黄延健

广西工联工业工程咨询设计有限公司南宁530003

摘要：随着我国石化企业的迅速发展，新建、扩建改造的化工项目及大型石化产业园区里的工艺管网越来越多，因此设计安全、经济、美观又能满足生产需要的外管架对工程建设显得尤为重要。本文结合相关规范及实际工程经验，对管架结构设计过程中需要注意的几点问题进行简要的分析，旨在对业内管架工程设计提供参考。

关键词：化工；外管架；水平推力；固定管架；活动管架

引言：管架是支承架空管道或电缆桥架的各种结构总称，化工管架广泛存在于石油化工企业中。一个厂房内各生产装置之间通过管道联系时需要设置厂房内的管架；厂区内各个生产厂房由管道运送物料或电缆连接时需要设置贯穿全厂的管架；在大型的产业园内各石化企业之间的管道往往需要园区内的公共管架运输物料或者共享蒸汽及热水等能源，这就要设置跨越整个产业园区，联系各企业的公共管架，这样的管架一般都绵延几公里，跨越园区内道路或铁路，投资和工程量较为巨大。由于管道大小及输送介质的温度、压力各不相同，对管架的作用力也各不相同。所以管架的设计也显得较为复杂，这就对所参与的设计人员都提出了较高的要求。只有各个专业的配合，才能设计出既安全、经济、美观又能满足生产需要的外管架。

一、管架的分类

管架可按结构形式分为独立式管架、管廊式管架（管廊）、跨越管架、吊索式管架、长臂管架；可按纵向联系的结构形式分为纵梁式管架、桁架式管架、吊索式管架等；可按管道在管架上的支承条件分为固定管架和活动管架；可按管架材料分为钢筋混凝土管架、钢结构管架和混合结构管架；可按支承管线的高度分为低管架、中管架及高管架；可按管架外形分为T形、П形、A形、单层、双层、多层，以及单榀框架式或空间框架等形式；管廊式管架（管廊）可按所处的区域及功能分为装置管廊、街区管廊、公用工程管廊、炉前管廊、带空冷器管廊等。

二、管架设计的基本流程

首先由工艺（管道）专业按照其所需的工艺流程，届时配合总图专业，确定好管道的大致走向及布局，以及管架的位置和跨度，然后汇总提资到结构专业。结构专业应根据全场建、构筑物的布置及基础位置，判断工艺专业提资的管架基础位置是否与周围建、构筑物的基础存在冲突，位置是否需要调整，管架形式及跨度是否经济合理等与工业专业进行沟通，以确定工艺专业最终的提资。很多时候电气、仪表专业的电缆桥架需要和工艺管道共用管架，此部分占用的管架的位置，电气与仪表专业应与工艺专业进行协商，然后确定最后的管架设计条件汇总给结构专业进行管架结构设计。

工艺专业向结构专业提供的管架条件一般包括：（1）管架的平、立面图，管架断面图，其中应表达有管架的间距、标高、固定架位置、检修通道等。（2）管道的荷载，包括管道充水重、介质重、电气桥架、仪表桥架重及检修荷载等。（3）管道的管径大小及在管架上的位置布置及预留管道荷载等。（4）管架的水平推力、作用点等。结构专业接受工艺提资后，应认真校对，不合理及不明白的地方应及时与工艺专业沟通。然后依据规范及结构设计软件进行管架的结构设计。完成管架施工图设计后，应返回工艺专业进行最后的会签，以确保设计的管架满足工艺生产流程的需要，避免不必要的返工。

三、管架结构选型

管架选型应根据工程规模、施工条件、建设周期、防火防腐蚀要求，以及改扩建等因素进行技术经济综合比较后，确定采用钢结构、钢筋混凝土结构或其他结构形式。（1）外形复杂、扩建改造可能性较大的管架宜用钢结构；外形简洁且改（扩）建可能性不大的管架，可采用预制钢筋混凝土结构或钢筋混凝土结构。（2）大中型企业的装置区内的管架，宜采用钢结构管廊式管架，也可根据实际情况，底层采用钢筋混凝土结构，底层以上采用钢结构的混合结构管架。（3）管道密集且管径以小于100mm为主，且为满足场地空间要求需要增大管架间距时，可采用管廊式管架。（4）固定管架应采用刚性管架。水平推力较小者可采用独立式管架，较大者宜采用组合式空间体系结构、四柱式框架或纵向为“A”字形式的空间结构，组合式结构宜采用钢柱间支撑。（5）对于跨路及跨厂区大门的管架，应采用钢桁架式管廊，以满足管架对于净高和大跨度的要求。总之，管架的选型应根据管架的荷载设计要求及整体的防火、防腐蚀要求结合当地的建材的优势性和便利性和施工进度的要求做出最优的选择。

四、管架结构设计注意的事项

结构专业设计过程中，除了对地质勘察资料进行认真的核对，还需注意以下几点：（1）核对工艺专业所提条件是否合理：如水平推力的大小。若存在明显的错误，应返还工艺专业重新核算。（2）固定管架是否应采用四柱式框架，根据《化工工程管架、管墩设计规范》GB51019-2014的规定，符合下列条件之一的固定管架，应采用四柱式现浇钢筋混凝土框架结构管架、有支撑的空间钢框架结构管架或管墩1）.输送液体介质公称直径大于或等于500mm的管道；2）.输送气体介质公称直径大于或等于600mm的管道；3）.输送易燃、易爆、剧毒、高温、高压介质的管道。（3）活动管架应在横梁上设导向架，防止管道发生偏移。（4）补偿器（π型弯、膨胀节等）的合理设置。（5）有震动的管架，荷载应乘以相应的动力系数或采取隔振措施。（6）纵梁及桁架的跨度大于9m时，宜设置水平支撑。（7）应采用不同的计算软件经行结构应力的复核。就当前的国内的软件市场，并没有针对化工管架的专门的设计软件。大多数结构设计人员采用各种有限元软件进行管架的计算，如PKPM、MADIS，3D3S，及SAP2000等。（8）软件自身计算缺陷应当重视，如PKPM中对于风荷载的取值对于管架的整体运算影响较大。这需要结构设计人员熟悉该自身使用的软件的计算流程和取值依据，才能做到心中有数，不至于截面取值过大造成所谓的“肥梁胖柱”，增加不必要的投资。（9）标高统一。化工管架都比较长，穿越的范围较广。由于厂区的地面存在不同的高差，所以标注管架结构标高时应与工艺专业的管道标高配合，穿越建议起伏较大的地坪时统一采用绝对标高，且注意伸缩缝的设置距离要求。（10）在建设场地允许的情况下，对于跨路的钢桁架其两侧的支座应尽量采用四柱式空间框架结构作为其桁架的支座，以增强其稳定性。以上是笔者在进行管架设结构计时总结的注意事项。总之管架设计是个系统工程，设计人员依据设计的实际情况，善于总结和分析。

五、管架的发展趋势和存在问题

随着环保的要求及国家大力推进装配式建筑，预制装配式钢筋混凝土结构管架得以推广，特别是在大型的石化产业园，管架的长度经常绵延数公里，且管架形式单一，数量众多。这就体现出预制装配式钢筋混凝土结构管架的优势，省去了支模和运输浇筑以及混凝土养护的过程，施工速度大大提高，且构件自身质量得以保证。存在缺点是当前对于预制管架的节点做法没有统一的规范要求，只能参照房建的规范和类似的已建工程等进行相应的设计和实验论证。应对预制管架的在大规模批量生产前由预制厂家生产几榀管架进行试验，验证连接节点的合理性及是否满足荷载等使用工况的要求在量产。随着科技的不断进步，各种计算软件也将得以改进，工程做法及规范得以完善。

结语

随着我国石化企业的迅速发展，企业规模越来越大，工艺管架越来越复杂，设计也越加繁琐；对于施工进度和环保要求也提出了新的挑战，即要保证结构安全，又要考虑经济、美观，需要管架设计的上下游专业设计前应充分讨论，提出合理的设计条件，选择合理的材质和结构形式，以提高设计效率，保证设计的质量。

参考文献：

[1]《化工工程管架、管墩设计规范》GB51019-2014