浅谈化工厂管廊结构设计

浅谈化工厂管廊结构设计摘要：化工工程占据着国民经济增长的主导地位。

本文从加强化工厂管廊结构设计分析的重要性及化工厂管廊结构设计要点等方面进行了分析。

关键词：化工厂；管廊；设计一、前言近年来，我国在化工厂管廊结构的建设中取得了很大的成绩，但随之而来的设计方面的问题也越来越多。

新时期下，我们要加强对化工厂管廊结构设计问题的分析，根据实际情况，设计出合理的管廊结构设计方案，解决因设计不合理而产生的问题。

二、必要性管廊结构作为最常见的结构形式，一直以来就存在范围较广、数量众多的特点，并伴随着我国近年来石化行业的大发展，装置规模越做越大，管廊相应也日趋大型化、复杂化。

因此有必要深入了解其结构特性，重视其不同形式间的工程用量比较，总结经验，以使管廊设计在技术上先进、经济上合理、工程上安全可靠。

三、化工厂管廊结构设计1、管廊宽度的设计要点在对化工工厂内管廊进行基础设计时，应当根据P&ID作出管廊管道走向图，对管廊上管道数量和管径大小进行确定。

在计算管间间距总和时，应当将管廊上管道最大密度处作为计算依据，得出管廊宽度，并预留出20%-30%的增添管道余量。

同时，在计算过程中还应当考虑保温和伴热管线的保温层厚度，以及应力管线在管廊上的径向位移量。

2、管廊的高度设计要点化工工厂内的管廊在道路上横穿时，其净空高度必须大于 4.5m；在大型消防车通行的情况下，其净空高度必须大于5m；若设有人行通道，则管廊净空高度必须大于2.2m；若管廊采用桁架时，还必须根据桁架底高进行计算。

为了提高管廊空间的利用效率，应在管廊下布置泵，在布置泵时要充分考虑泵的维护操作问题，所以要预留超过3.5m的空间。

若需要布置换热器，还必须考虑换热器的安装高度及其上方配管所需的空间。

四、管廊结构设计要点1、纵梁式管架的设计要点纵梁式全钢外管架一般以一个温度区段作为计算单元。

按《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）要求，除了对其强度、整体稳定性以及连接强度进行计算外，在结构计算分析中还应注意以下问题。

(1)横梁承受管道的竖向荷载和水平推力，按双向受弯兼受扭构件计算，计算单元范围内的管道推力作用于固定点横梁上，该横梁截面宜做成抗扭强劲的矩形封闭形式，以减少扭矩产生的剪应力。

(2)纵梁承受轴向水平力和由横次梁所传递的垂直荷载，由于水平力作用在横次梁顶面，应计算偏心而引起的附加弯矩，因此纵梁应按拉弯或压弯杆件计算。

(3)平面钢桁架斜腹杆宜尽量设计为拉杆，充分发挥钢材的受拉特性，节省钢材，当管道较少时，宜采用立体空间桁架，可减少水平支撑的用钢量。

2、桁架式管架的设计要点（1）横梁--在垂直荷载作用下按两端铰接于桁架的简支梁计算，在纵向水平推力（即小管线的固定点弹性力或管道的摩擦力）作用下则按两端嵌固与桁架的固接梁计算。

对一般横梁按双向受弯构件进行计算，对固定管架的横梁，还应计算由水平推力所产生的扭矩。

（2）桁架--在垂直荷载作用下按两端简支于管架柱的静定下承式平行弦桁架计算，对管道及桁架的风荷载则由两榀桁架的上弦杆（或下弦杆）与上弦水平支撑（或下弦水平支撑）组成的水平桁架承担。

桁架即承担管道的轴向水平力和由横梁所传递的垂直荷载，同时可能还承担着有转弯管道时所传递来的荷载，由于水平力作用在横梁顶面，在计算时应考虑由于偏心而引起的附加弯矩，因此桁架按拉弯或压弯杆件计算。

桁架的挠度控制在1/500L。

（3）活动管架—在管道径向（即平面内，横向）按刚接框架计算，在管道轴向（即平面外，纵向）按两端铰接构件计算。

纵向水平力由柱间支撑或固定管架承担，一般取一个温度区段作为一个计算单元。

（4）固定管架—在管道径向（即平面内，横向）按刚接框架计算，在管道轴向（即平面外，纵向）按两端铰接构件计算。

3、管架的抗震设计要点一般管架的抗震设防类别为丙类，对于抗震设防烈度位8度和8度一下的地区可不进行抗震验算，但应按照《构筑物抗震设计规范》（GB 50191）采取抗震措施。

符合下列条件之一者应进行横向水平地震作用验算：（1）管架上直径大于等于500mm的管道多余或等于三根时；（2）容易产生较大次生灾害的单根管道，直径大于等于500mm时；（3）管架上有直径大于等于1000mm的管道时；（4）管架顶部支承空冷器等重型设备时；（5）设有重型顶盖的管架；三层及三层以上管架应进行横向及纵向地震作用验算；当抗震设防烈度位8度时，大直径管道跨度大于或等于24m、管廊式管架的桁架跨度大于或等于24m 以及长悬臂管架应验算竖向地震作用。

4、有振动管道的管架设计要点当管架上敷设的振动管道重量占全部管道重量30%以上时，可定位有振动管道的管架。

此种管架宜采用桁架式、纵梁式的钢筋混凝土管廊或钢管廊，中间管架宜采用刚性管架，管架两端应设钢柱间支撑。

对有振动管道的管架，宜按照下述原则进行计算:a.当有振动管道的管架未采取减振措施时，振动管道的垂直荷载和水平推力的标准值应分别乘以1.5的动力系数。

b.当有振动管道设有限制振动的管卡或其它减振措施，振动管道的垂直荷载和水平推力的标准值应分别乘以1.3的动力系数。

c.管架的自振频率应与振动管道的脉冲频率避开±20%，对多根振动管道的管架则应分别避开各自管道的脉冲频率±20%。

五、实例分析1、工程概况该石化装置为我公司总承包，沙特一家大型公司投资，项目场地位于沙特境内。

本人主要参与管廊结构的设计。

管廊总长276.75m，主要柱距6m，局部柱距14m；跨距6m；高9m，主要结构3层，局部错层并附带悬挑构件，见图1。

2、设计规定(1)设计依据：由于该项目为涉外项目，主要按照业主指定的标准（SBAICENGINEERINGSTANDARDS）及美国相关规范进行设计，同时兼顾我公司统一规定及国内行标《石油化工管架设计规范》（SH/T3055-2007）、《化工、石油化工管架、管墩设计规定》（HG/T20670-2000）等。

(2)管廊结构方案：依据工艺管线布置及管线自身挠度要求，选用纵梁式管廊。

1）横向管架：梁柱及柱脚均采用刚接，基础承担柱底弯矩，梁柱均采用W 型钢。

2）纵向管架：梁柱为铰接连接，每个温度区段长度不大于100m，温度区段间的连接采用滑动连接，并在温度区段中部设置柱间支撑，承担管道的纵向水平推力（由固定管架推力和中间滑动管架摩擦力共同组成）；采用铰接柱脚，柱底无弯矩；柱间支撑采用T型钢(3)管廊布置要求：1）管廊纵向平行于道路是，路边与管廊外边柱中心线间距不小于1.5m。

2）管廊跨马路时，路边与管廊外边柱中心线间距不小于1.5m；跨越主要道路时，管廊梁底高于道路最高点不小于 6.5m，跨越二级道路时，管廊梁底高于道路最高点不小于5m.(4)水平支撑系统的设置（采用T型钢）：1）管廊纵向跨度不小于7.6m时，须设置水平支撑。

2）管道的固定支座支撑梁承担平面外弯矩和扭矩时，须设置水平支撑。

(5)结构变形控制：1）结构顶点水平侧移限制：H/150(H为管架高度)2）管道支撑梁允许挠度比：L/300(L为梁跨度)3、荷载计算(1)管道竖向荷载：1）根据管道专业提供的管道荷载信息，同时确定管道支座位置，按以上信息计算管道传至支撑梁的荷载。

管径不大于300mm时，按均布荷载传至支撑梁，否则，按集中荷载考虑。

2）由于业主要求后期可能会增加管线，考虑1.20kN/m2的预留荷载，按均布荷载作用于管架横梁上。

(2)电缆桥架竖向荷载：根据电气专业提供的电缆桥架位置、荷载及跨距要求，确定管架横梁上的荷载。

(3)风荷载：管廊纵向刚度较大，且纵向迎风面较小，所以可以仅考虑管架横向风荷载。

分三部分计算管架所受横向风载，并分层作用于每层节点上。

计算公式（依据SBAICENGINEERINGSTANDARDS，与国标GB5009-2012原理相同）：qz——设计风压；G——阵风影响系数；Cf——压力系数；Ae——每层结构投影面积。

1）管架结构部分：计算Ae时，考虑两根纵梁和两根柱面积之和，并考虑防火涂层引起的构件外形尺寸的增加。

2）管道部分：计算Ae时，按最大管道直径并考虑保温层厚度。

3）电缆桥架部分：计算Ae时，按最大桥架高度计算(4)管道摩擦力（沿管道方向）：管道在开车及停车时，热力管道因温度变化而产生膨胀和收缩，管道与管道支撑梁之间发生相对运动时，产生作用于管道支撑梁的水平摩擦力。

当管道布置较密时，按均布荷载作用。

(5)管道固定推力（沿管道方向）：管道固定推力经管道应力分析后提出，并确定管道固定支撑位置，相应设置水平支撑以传递较大的水平力，同时在管廊纵向设置柱间支撑。

(6)地震作用：根据管廊的布置形式，仅考虑管架横向地震作用，采用底部剪力法计算。

通过比较美国与我国标准，两国对地震作用计算（底部剪力法）基本一致。

(7)该项目典型横向管架计算，见图2：4、荷载组合一般有正常操作状态、安装状态及试压状态三种工况，该装置管廊结构设计时仅考虑正常操作状态下的组合（针对构件强度设计）。

5、计算模型根据该项目规定，本工程采用STAAD-PRO软件进行计算分析，按美国规范验算各构件强度。

对于较为规则管廊结构，可以采用平面建模，也可以采用三维建模。

本工程分别按平面、三维建模，对两种受力分析情况进行比较，按最不利情况进行构件设计及基础设计。

模型见图3。

6、结果分析从工程中可以看到，影响管廊结构方案的基本因素很多，主要是根据总图及管道专业所提的条件，同时要兼顾周边构筑物的位置，以免上部结构不碰，下部基础打架。

对于荷载计算部分，一定要勤与管道专业进行沟通，搞清不同工况下的作用荷载，防止出现荷载漏算情况，这是管廊结构是否安全的关键步骤。

六、结束语综上所述，管廊结构设计的好坏对于整个化工厂的质量有着重要影响。

因此，加强化工厂管廊结构设计分析，对于保证化工厂质量具有积极的促进作用。

参考文献[1]孙超.管廊式管架设计心得及对其受力的分析和探讨[J].中国新技术新产品，2013（5）:67-72.[2]钢结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2012(5).[3] HG/T 20670-2000,化工、石油化工管架、管墩设计规定[S].北京：国家石油与化学工业局，2000(5).。