3. 承重支吊架
以支撑管道自重及其它持续载荷为目的的支吊架统称为承重支吊架，它主要用于防止管道因自重及其它持续载荷（如介质重、隔热材料重、雪载荷等）而导致的管道强度或刚度超出标准要求。
根据管道相对于支撑结构的空间位置不同，承重支吊架可分为支架和吊架两大类。支撑件将管道支撑在它的上方时，这类支撑件叫做支架。用可以空间摆动的支撑件(吊杆)将管道吊在其下面支撑时，这类支撑件叫做吊架。支架和吊架都可以完全或部分限制管道的向下位移，但二者的支撑效果有所不同。支架因与支撑管道之间可能存在摩擦而使得管道的水平位移受到一定的阻碍，同时产生摩擦力。支架的刚度也比较大，故其稳定性较好。吊架对管道的约束刚度相对较小(除竖直方向外)，也不存在摩擦力，如果在一根较长的管道中吊架用的太多，会使管系不稳定， 故在一条管道中，一般不宜均用吊架进行支撑。根据承受管道重量的特点不同，承重支吊架又分为刚性支吊架、可调刚性支吊架、可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架四类。
1) 刚性支吊架
刚性支吊架仅限制管道一个方向(通常为-Y方向)的自由度。它常用于管道在支撑点无向上垂直热位移和附加位移的情况下，或用于支撑点有较小的向下位移和附加位移但不会由此在管系中造成较大的管系力的情况下。刚性支吊架是应用最多的一种支吊架。根据应用场合和生根条件的不同，常用的刚性支吊架系列有平(弯)管支托、假管支托、悬臂支架、临管支架等。
2) 可调刚性支吊架
可调刚性支吊架是一般刚性支吊架的一种特殊型式，即通过旋拧可调螺丝，使支吊架的高度在一定范围内得到调整，用于有少量竖直方向的热位移或附加位移的场合。在工作工况下，当支撑点有竖直方向的热位移或附加位移时，会使管道脱离支架(俗称支架脱空)而起不到支撑作用，或使支架被顶死而产生较大的管系力，此时应采用下面将要介绍的弹簧支吊架。如果支撑点竖直方向的热位移或附加位移比较小而且又位于容易接近的地方时，采用可调刚性支吊架比弹簧支吊架会更经济、更方便。
3) 可变弹簧支吊架
可变弹簧支吊架适用于支撑点有垂直位移、用刚性支吊架会脱空或造成过大热胀推力的场合。与恒力弹簧支吊架相比，使用可变弹簧支吊架会造成一定的荷载转移。为防止过大的荷载转移，可变弹簧支吊架的荷载变化率应控制在25%以下。当然，有时根据实际需要而有意识地去分配管系在各支撑点的载荷，即有意识地给定一个较大的安装载荷而获得较大的载荷转移。常用强型的可变弹簧支吊架有支、吊两种，根据载荷情况和受力条件还可采用串联和并联两种型式。
4) 恒力弹簧支吊架
恒力弹簧支吊架适用于管道支撑点垂直位移量较大或管系受为要求较苛刻的场合。通过采用恒力弹簧支吊架，可以避免管道支撑点冷态和热态的受力变化太大而导致管系本身的应力或相连设备的受力超标。恒力弹簧的恒定度应小于或等于6%，以保证支吊点发生位移时，支承力的变化很小。恒力弹簧支吊架一般采用描架型式，且根据受力情况可并联使用。
如果认为刚性支吊架的刚度理论上为无穷大的话，那么恒力弹簧支吊架的刚度理论上则为零，而可变弹簧支吊架的刚度介于二者之间，它等于弹簧产生单位变形所需要的力。
4. 限位支吊架
以限制和约束因热胀而引起的管系位移为目的支吊架称为限位支吊架。管系受热而发生热胀时，管系中的各点将发生位移。在管系中适当设置限位支吊架，可控制支撑点的位移或某些方向的位移，使管系的变形或各点的位移朝着有利于保护敏感设备或有利于热补偿的方向进行。根据对管系热位移约束的方式不同，限位支吊架又可分为固定支架、导向支架和止推支架三种。
1) 固定支架
固定支架可限制管道支撑点三个方向的线位移和三个方向的角位移，因此它常用于管道上不允许有任何位移的地方。固定支架一般同时又能起承重作用。常用的固定支架型式有焊接型管托和螺拴固定管托两种。
2) 导向支架
导向支架可限制管道支撑点两个方向的线位移，因此常用于引导管道位移方向、使管道能沿轴向位移而不能横向位移的情况。当用于水平情况时，导向支架又同时能起承重作用。常用的导向支架型式有管托型导向支架、光管型导向支架、管卡型导向支架等型式。
3) 止推支架
止推支架常代替固定支架用于限制管道的轴向位移。根据限位方式的不同，常用的止推支架又分为"+X/+Z"和"-X/-Z"双向止推支架和"+X/+Z"或"-X/-Z"单向止推支架两种。常用的止推支架为单向止推架，它可限制管道支撑点一个方向的线位移。
5. 防振支架
专门用于控制管道振动的支吊架叫做防振支架。防振支架常用于控制或缓解往复式机泵迸出口管道或由地震、风载荷、水击、安全阀排出反力引起的管道振动场合。应该说，前面所讲的支吊架类型中，除吊架以外，其它支架都在某种程度上起到防振作用，但它们中要么防振作用的效果不好，要么会带来其它问题(如降低或限制了管系的热补偿能力)，因此，工程上对于防振情况则给出了专用支架。常用的防振支架主要有两类，其一是防振管卡，其二是阻尼器。
1) 防振管卡
防振管卡能有效地控制管系的高频率强迫振动。防振管卡与固定支架不同，它允许管道有一定的轴向位移而使管系不会因热胀而破坏。防振管卡与一般的刚性承重支架和导向支架不同它对管道施加了较大的刚度约束(从型式和数量上实现)，且增加了架对管道的阻尼作用从而有效地阻滞了管系的振动。
2) 阻尼器
阻尼器与减振支架的最大区别遮于它给予了管系较大的自由度，因而对连续强迫型高频机械振动的抑制效果较差，它常用于缓解瞬间激振(如主汽门突然关闭、泵突然停车、地震、水锤等)引起的有阻尼自由振动。工程上应用的阻尼器有油压式阻尼器、摩擦式阻尼器等。
6. 目前工程上常用的弹簧支吊架主要有两类：
即可变弹簧支吊架和恒力弹簧支吊架，而且已形成标准系列。对应的国家标准为 GB10181《恒力弹簧支吊架》和GB10182《可变弹簧支吊架》。
1) 可变弹簧支吊架的工作原理
可变弹簧支吊架的核心部件是一个被控制的圆柱弹簧，当被支撑管道发生竖向位移时，会带动圆柱弹簧的控制板使弹簧压缩或被拉长。
由虎克定律可知，此时弹簧压缩或伸长所需要的力(也等于对管子的作用力)可用下式表示：
F=k·δ
式中
F――弹簧被压缩或被拉长δ量时所需要的力，N；
K――弹簧刚度，N/mzm
δ――弹簧被压缩或被拉伸的变形量，mm。
弹簧刚度是一个只与弹簧自身参数(如弹簧直径、弹簧材料等)有关的物理量，一旦弹簧参数一定，它是个常数(在其允许总变形量的30%~70%范围内是个常数)。因此，此时弹簧对管道的作用力则与变形量成正比。工程上正是糊糊的这一性质来进行有垂直位移的管道支撑的。
对于标准弹簧支吊架来说，弹簧都是经过预压缩然后装入弹簧箱中的。因此，对于同样一个变形量δ，此时压缩弹簧所需耍的力F应按下式计算：
F = (δ1+δ)k = δ1k+δ·k = F1＋kδ
式中
δ1――弹簧预压缩的变形量，mm
F1――弹簧预压缩时的压缩力，N；
F、δ、k――意义同前。
设F为弹簧支吊架的工作载荷，并用符号FG表示：设F1为弹簧支吊架的安装荷载，并用FA表示：设S为弹簧在由安装载荷变为工作载荷时的变形量，并在弹簧被压缩时取正号，被拉伸时取负号。S在管道支撑中即为管道支撑点的竖直位移量，支撑点的竖直位移向上时取正号，向下时取负号。可变弹簧支吊架的选型公式为：
FA = kδ+FG
2) 常用可变弹簧支吊架系列
国家标准GB1018S共给出了A、B、C、D、E、F、G七种标准型式，见图所示。
A型――上螺纹悬吊型；
B型――单耳悬吊型；
C型――双耳悬吊型；
D型――上调节搁置型；
E型――下调节搁置型；
F型――支撑搁置型；
G型――并联悬吊型。
7. 可变弹簧支吊架的选用
工程上，一般按热态吊零的载荷分配原则确定弹簧支吊架的受力。所谓热态吊零，是指弹簧支吊架在热态时承受的力应等于冷态时由管系分配给它的力。按这样的原则确定的弹簧支吊架受力使得整个管系中各支撑点承受的自重力在热态时比较均匀，但在热态时管系中各点的总载荷会因位移荷载的作用而不再均匀甚至会出现严重的不合理现象，为此，工程上有时也采用冷态吊零的载荷分配原则。所谓冷态吊零是指弹簧支吊架在冷态时承受的载荷取冷态时由管系分配给它的载荷。与热态吊零相反，此时在热态情况下管系各支撑点承受的自重载荷已不在均匀，而总载荷(包括位移载荷)则是自然分配。
为防止可变弹簧支吊架引起管系在热态或冷态时有较大的载荷转移，工程上常控制它的载荷变化率不超过25％。根据这一限制条件，就可以确定弹簧支吊架的刚度k。在确定弹簧支吊架的刚度时应遵守这样一个原则：在弹簧支吊架能满足管系热态和冷态的承载要求而且载荷变化率不超过规定值的情况下，应尽可能选用刚度最小(指最小规格和最小允许位移值)的弹簧。按这样的原则选取的弹簧支吊架，其安装尺寸最小，价格最便宜，而且实际的载荷变化率最小。
1) 串联可变弹簧支吊架的选用
当管系中某点的垂直位移量较大时，从标准弹簧支吊架表中可能已选不到合适的弹簧支吊架，即要么找不到最大工作位移能满足载荷要求的标准系列，要么因刚度较大而使载荷变化率超出标准要求，此时可考虑采用串联可变弹簧支吊架。弹簧串联时，应选最大载荷相同的弹簧，即弹簧的牌号相同，以保证每个弹簧的工作载荷和安装载荷都落在允许范围内，而此时每个弹簧变形量则按其刚度的大小成反比分配。
2) 并联可变弹簧支吊架的选用
当管道支撑点的载荷超出标准可变弹簧支吊架的最大允许载荷时，或者受支撑条件(如竖管支撑)、生根条件等限制不宜采用单个可变弹簧支吊架进行支撑时，可选用两个或两个以上的可变弹簧支吊架并联支撑。可变弹簧支吊架并联使用时，各弹簧应为同一型号，以避免各弹簧支承力不同而导致管子的倾斜或偏转。并联时的各弹簧变形量相同，均等于管道在支撑点的位移量。并联后的弹簧支吊架总刚度等于各分弹簧支吊架的刚度之和，即n个弹簧支吊架并联时其总刚度为k = k1＋k2＋……＋kn，而各分弹簧承受的载荷平均分配，并等于总载荷的1/n。
3) 可变弹簧支吊架的安装要求
可变弹簧支吊架在安装前务必要压缩到要求的安装定位刻度 (与安装载荷对应的刻度值)，并用定位销进行定位。设置定位销的另一个作用是使可变弹簧支吊架起暂时成为一个刚性支架，可以防止诸如水压试验等非工作工况下因管道载荷临时增加而引起的不利影响，对于大直径气体管道更应考虑这个问题。管系在工作状态下，有时也会出现非预期的载荷突然增加现象，如减压转油线的"淹塔"现象。"淹塔"现象会造成管内液体的突然骤增，从而使其弹簧支吊架承受的载荷也骤然增大，弹簧支吊架的变形量也将随之增大，使管系出现较大的载荷转移，从而可能造成相邻支架或设备接口处的超载破坏。对于可能出现上述现象的管系，工程上常在弹簧支吊架的附近设置保险杆，以控制弹簧的最大变形量，即当弹簧支吊架的变形量超过某一规定值时，保险杆将受力而成为刚性支撑。可变弹簧支吊架的定位销应在管系水压试验之后、装置开车升温之前拆除。
8. 恒力弹簧支吊架
当管系在支撑点的竖向位移较大而选用可变弹簧会引起较大的载荷转移时，应考虑选用恒力弹簧支吊架。所谓的竖向位移较大只是一个相对概念，关键要看若选用可变弹簧支吊架时是否会引起较大的载荷转移，而且较大的载荷转移能否为管系自身强度和边界条件所接受。如果管系的柔性不好，刚度较大，那么既使在较小的位移值情况下，也会引起支撑点热态和冷态的载荷差值较大，此时为减少载荷变化率也宜采用恒力弹簧支吊架。严格说来，恒力弹簧在其工作过程中对管道支撑点的力并不是恒定不变的，这是因为弹簧支架各运动部件之间存在摩擦力，而且各部件的尺寸、弹簧的刚度等都可能存在制造偏差，这些因素都会导致恒力弹簧在其工作行程范围内对支撑点的力有少量的变化。一般情况下，标准恒力弹簧支吊架在其全程位移过程中的最大和最小载荷偏差应控制在某个数值范围内，而工程上常用恒定度这一概念来评判恒力弹簧的载荷变化。所谓恒定度是指恒力弹簧在其全行程范围内的最大、最小载荷值之差与最大、最小载荷值之和的百分比，用式子表示即为：
D =[ (Fmax －Fmin)/ (Fmax + Fmin)] X 100%
式中
D――恒力弹簧的恒定度。一般情况下，D应不大于6%
Fmax――恒力弹簧在全行程范围内出现的最大载荷值，N；
Fmin――恒力弹簧在全行程范围内出现的最小载荷值，N。
1) 恒力弹簧支吊架的工作原理
当恒力弹簧支吊架承受一个管道载荷矶时，F1将产生一个相对于O点的转动力矩M1。M1将拉动三连杆AOB向下转动，同时三连杆会带动B点向右移动，从而使弹簧受到压缩，产生一个弹簧力F2。F2相对于主轴O点也将产生一个转动力矩M2。通过适当的结构和力的平衡设计，可以使两个力矩M1和M2始终保持平衡，并通过适当的结构尺寸设计，在保持力矩平衡的情况下，只不断变换位置但大小不变，即实现对管道的恒力支撑。
2) 恒力弹簧支吊架的选用
换句话说，吊架的承载能力与其结构设计有关。因此，支撑点的管道载荷是选择恒力弹簧吊架的参数之一。根据热态吊零原则，一般取管道荷载为冷态情况下管系的分配载荷。另外，受吊架中各运行部件的结构限制，吊点的位移是有限制的，甚至它不能按运行部件的最大运行位置来确定吊点的位移范围，因为运行部件到达极限位置时，会造成较大的承载偏差值。因此，对于一个结构参数一定的恒力弹簧吊架，它允许的最大位移值也是确定的。或者说，管道上时最大位移量也是确定恒力弹簧吊架的参数之一。有关的标准已将常用的恒力弹簧吊架进行了系列化，并对它进行了编号，每个编号的吊架其允许的最大承载和最大位移己列表给出，设计人员只要根据管道支撑点的载荷和位移查表即可确定所需要的恒力弹簧吊架规格型号。
9. 在管道中多设弹簧支吊架更安全吗？
不一定更安全，因为弹簧支吊架的刚度远低于刚性支吊架，所以过多设置弹簧支吊架会使管系各点位移方向失去控制，管系稳定性较差，易产生偏斜和振动。
10. 为什么要在高耸设备布置的竖直管道上设置导向架？如何设置？
答：为了约束由风裁、地震、温度变化等引起的横向位移。沿直立设备布置的立管应设置导向支架。立管导向支架间的允许间距应符合下表规定：
11. 为什么在沿反应器布置的高温竖直管道上，通常要设置弹簧支吊架？
答：沿反应器布置的高温管道与反应器之间，或高温管道与构架之间有较大的位移差，所以通常要设弹簧支吊架来承受管道荷重。
12. 管道在支架上滑动的轴向最大允许位移量不宜超过定型滑动管托长度的40%，以免管道在热胀时将管托滑落于支架梁的下面，而在冷缩时不能恢复原位造成管道或支架损坏。如在补偿值允许的范围内，管道的位移量超过管托长度的40%时，可将管托长度适当加大。
13. 支吊架的位置确定
从前面的介绍中可以看出，不同的支吊架型式对生根条件有不同的要求，而从保障管系的自身强度、稳定性、防振以及对边界条件的要求来说，总存在着在管系的某个地方支撑、并以特定的支架型式支撑为最理想。上述的两个条件有时是矛盾的，即最理想的支撑位置并不一定具备支架生根条件，可用的生根条件并不一定满足最理想的支架型式需要。要处理好这样的问题是比较难的，或者说要将它上升到理论上去论述是比较难的，有时工程经验比理论更适用。实际的空间管系也是多样化的。
1) 基本原则
(1) 对于不同的管系，在确定其支吊架位置时都应遵守下列基本原则：管道支吊架的位置、数量、型式等应能满足管系静应力分析的要求。这个要求包括管系自身的强度、稳定性、最大位移以及对相连设备、生根设施的力学要求；
(2) 管道支吊架的位置、数量、型式应能满足管系动应力分析的要求。这个要求包括管系对管道的机械振动、水击、放空反冲击、地震、风载等载荷作用下的力学要求；
(3) 管道支吊架应具备相应的生根条件。当该条与上述两条发生冲突肘，应考虑改变管系的走向，最终使上两条要求得到满足；
(4) 支吊架应尽可能利用已有的建构筑梁柱、平台、设备本体、加热炉钢结构、地面等作为生根点。对于有可能集中支撑的管道，应尽可能选择适宜的地方和方式集中支撑；
(5) 支吊架位置应不妨碍操作人员的通行、设备的检修和管道的拆卸等；
(6) 支吊架的位置尚应考虑经济性原则。例如，对于管道比较集中的管廊，其跨距应视多数管道的允许跨距而定，而不宜以少数较小直径管道的允许跨距确定；
(7) 支吊架的位置应尽可能整齐有序，使支撑效果美观大方。
2) 承重支吊架位置的确定
承重支吊架的位置除满足上述的基本原则之外，尚应符合下列要求：
(1) 支吊架位置应能满足管道最大允许跨度的要求。跨距要求见后面所述；
(2) 当有集中载荷时，支架应布置在靠近集中载荷的地方，以减少偏心载荷和弯曲应力；
(3) 在敏感设备(泵、压缩机)的附近，宜设置承重支架，以防止设备嘴子承受过大的管道荷载；
(4) 支吊架应设在弯管和大直径三通式分支管附近；
(5) 当塔器的水平管嘴直接安装DN注150的阅门时，应在阀门附近设承重支架；
(6) 沿立式容器、立式设备等敷设的竖直管道，应在尽可能靠近嘴子处的竖管上设承重支架；
(7) 一般较长的竖直管道，应在靠近上面的端部设承重支架；
(8) 当某些管道元件需要拆卸移走或相连设备需要拆卸移走时，应考虑相连管子的稳定性必要时应设承重支架。
3) 固定支架位置的确定
固定支架的位置除满足上述的基本原则之外，尚应符合下列要求：
(1) 对于复杂管系，可用固定支架将它划分成几个形状较先简单的管段，如L形管段、U形管段、Z形管段等，以便分段遇行分析计算和柔性设计；
(2) 确定管道固定支架位置时，应使其有利于两固定点之间管段的自然补偿；
(3) 选用π形补偿器时，宜将其设置在两固定支架的中部不能位于两固定支架的中部时，π型补偿器距固定支架的距离不宜小于两支架间距的1/3；
(4) 固定支架宜靠近需要限制分支管位移的地方；
(5) 固定支架应设置在需要承受管道振动、冲击载荷或需要限制管道多方向位移的地方；
(6) 迸出装置的工艺管道和非常温的公用工程管道，宜在装置分界处设固定支架；
(7) 落地生根的调节阅组、蒸汽分配管、其它阀组和分配管等，应一端设固定支架，但此时固定支架的位置不应阻碍管系的热补偿。
4) 导向支架位置的确定
(1) 竖直管道较长时，为了防止因风载荷等引起的管道大幅度振动或摆动，应在中间若干位置设置导向支架，以增加其稳定性。
(2) 管廊上管道直线距离较长而且中间无固定点和止推支架时，应在中间若干点设置导向支架，以防止管道产生横向不稳定：
(3) 管道在拐弯处有较大位移并影响到邻近管道或其它设施时，应在适当位置设置导向支架；
(4) 允许管道轴向位移而不允许横向位移的位置应设置导向支架；
(5) 水平设置的π型补偿器两侧应设置导向支架，导向支架距补偿器的中心位置应为32DN~42DN；
(6) 水平设置的自由型波纹管膨胀节两端应设置若干导向支架，第一组导向支架距膨胀节中心位置应不大于4DN，第二组导向支架距第一组应不大于14DN；
(7) 导向支架的位置应不影响管道的自然补偿。一般情况下，管道的弯头、分支处不应设导向支架。
5) 限位支架位置的确定
限位支架的位置除满足上述的基本原则之外，尚应符合下列要求：
(1) 限位支架在某些场合可代替固定支架，如补偿器的两端，装置边界线的管道固定点等；
(2) 在热态情况下，当管系的热胀方向朝向敏感设备嘴子时，可在适当的位置设置逆热膨胀方向的止推支架；
(3) 刚度较大的管道对设备、设备基础等产生较大推力时，可在适当的位置设止推支架。
1) 防振支架位置的确定
防振支架的位置除满足上述的基本原则之外，尚应符合下列要求：
(1) 有机械振动的管道，应设防振管卡。防振管卡的数量及位置应满足管系动应力分析的要求；
(2) 有地震设防要求的管道应在适当位置设置防振支架；
(3) 可能发生水击、两相流等而且能引起管道的振动时，应在适当位置设置防振管卡；
(4) 防振支架的生根部分应有足够的刚度；
(5) 防振支架应尽量沿地面设置；
(6) 防振支架宜设独立基础，并避免生根在厂房的梁柱上。
（未完待续） |
