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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流优易管道支吊架设计软件AutoPHS简明操作步骤.精品文档.管道支吊技术林其略 周美芳 编著上海科学技术出版社1994年2月第1版目录1总论11.1管道支吊架的功能11.1.1承受管道荷载11.1.2限制管道位移11.1.3控制管道振动11.2管道支吊架的类型21.2.1承重支吊架21.2.2限位支吊装置31.2.3控制振动装置41.3管道支吊架的构成41.3.1管部结构41.3.2功能件41.3.3根部结构41.3.4连接件52管道支吊架荷载62.1管道荷重及其分配62.1.1管道荷重及其偏差62.1.2荷重分配方法82.2支吊架自重142
2、.3管道挠性补偿器荷载142.3.1填料式补偿器152.3.2波形补偿器152.4支吊架摩擦力202.5管道排放反力212.5.1空管排放反力212.5.2装设消声器后的排放反力242.6风荷载252.6.1管道风荷载252.6.2支吊架本体风荷载262.7雪荷载263管道位移和限制283.1管道变形位移的因素283.1.1管道自重283.1.2支吊架附加反力283.1.3管道端点附加位移283.1.4管道热胀冷缩283.1.5管道冷紧283.2管道的状态线283.2.1设计线283.2.2安装线283.2.3冷态线293.2.4热态线293.3管道热位移计算293.3.1热位移的近似计算29
3、3.3.2热位移的计算偏差303.4管道位移对支吊架荷载的影响313.4.1管道位移对吊架吊杆的影响313.4.2管道位移对刚性吊架的影响323.4.3管道位移对变力弹簧吊架的影响333.4.4管道位移对恒力弹簧吊架333.4.5管道位移对根部结构的影响343.5支吊架的偏装343.6限位装置在管系中的作用353.6.1调整管系的应力分布353.6.2减小管系对设备的推力353.6.3简化管道及其支吊架的设计354管道振动及对策364.1管道振动原因364.1.1机械振动364.1.2流体脉动364.1.3汽液两相流的振动364.1.4高速流引起的振动374.1.5流动瞬变引起的冲击374.1
4、.6风力引起的振动374.1.7地震引起的振动374.2管系振动分析374.3管道振动的对策384.3.1消减管系的激扰力384.3.2提高管系结构的刚度384.3.3增加管系结构的阻尼385变力弹簧支吊架405.1支吊架弹簧的基本概念405.1.1支吊架弹簧的参数及工作图405.1.2支吊架弹簧的荷载405.1.3支吊架弹簧的变形量415.1.4支吊架弹簧的系列425.2变力弹簧支吊架的结构型式445.2.1中间连接吊架弹簧445.2.2上下连接吊架弹簧445.2.3支架弹簧(F型)455.2.4横担并联吊架弹簧(G型)455.3变力弹簧支吊架的选用455.3.1弹簧支吊架的选择455.3.
5、2弹簧支吊架的整定476恒力支吊架506.1恒力支吊架的特性参数506.1.1荷载容量506.1.2荷载偏差506.2恒力支吊架的种类506.2.1平衡重锤式恒力吊架506.2.2弹簧式恒力吊架526.3恒力弹簧支吊架的选用566.3.1恒力支吊架规格的选择566.3.2恒力支吊架型式的选择566.3.3恒力吊架杆直径的选择577刚性支吊装置587.1刚性支吊装置的结构型式587.1.1刚性吊架587.1.2活动支架587.1.3导向支架597.1.4限位装置597.1.5固定支架607.2刚性支吊装置的选用607.2.1刚性支吊装置的选型与设置607.2.2刚性支吊装置的结构要求628减振器
6、和阻尼器638.1弹簧式减振器638.1.1弹簧式减振器的类型638.1.2弹簧式减振器的工作原理及特性638.1.3弹簧减振器的选用648.2轮鼓式减振器678.2.1轮鼓式减振器的结构原理678.2.2轮鼓式减振器的设计使用688.3液压式阻尼器688.3.1液压式阻尼器的工作原理与性能688.3.2液压式阻尼器的主要技术指标708.3.3液压式阻尼器的设计选用718.4机械式阻尼器728.4.1机械式阻尼器的特点728.4.2机械式阻尼器的结构原理738.4.3机械式阻尼器的性能预测及试验结果739支吊架管部结构759.1管部结构的分类759.1.1对管道的支承方式759.1.2与管道的
7、连接方式759.1.3被支吊管道的空间位置和形状759.2整体型管部结构759.2.1吊板和鳍形板759.2.2支座和裙座769.2.3管座和管形耳轴769.3非整体型管部结构769.3.1管夹769.3.2管箍779.3.3管环779.3.4卡箍779.3.5管托779.3.6防护鞍座、护板与滚筒779.4隔热型支吊架管部结构7810支吊架的连接件7910.1建筑结构连接件7910.1.1钢梁夹钳7910.1.2焊接式连接件7910.1.3螺栓式连接件8010.1.4埋入式连接件8010.2吊杆及其配件8010.2.1吊杆8010.2.2松紧螺母8010.2.3吊杆连接螺母8110.2.4连
8、接吊板8110.2.5防雨罩8110.2.6吊杆坚固螺母及垫圈8110.3拉撑杆及其配件8110.3.1拉撑杆8210.3.2托架8211支吊架的辅助钢结构8311.1建筑结构构件的基本型式8311.1.1钢构件8311.1.2钢筋混凝土构件8311.2辅助钢结构与承载结构的连接8311.2.1辅助钢梁8311.2.2辅助立柱8411.2.3辅助构架8411.3辅助钢结构附件8511.3.1焊缝连接8511.3.2螺栓连接8611.3.3嵌入连接8911.4辅助钢结构附件8911.4.1钢梁加强板8911.4.2钢梁连接件8911.4.3焊缝补强件8911.4.4单槽钢吊杆座8911.4.5垫
9、板8911.4.6梁箍8912管道支吊架的设计9112.1管道支吊架的部件设计9112.1.1材料、许用应力和承载能力9112.1.2参数及其系列9212.1.3尺寸及其系列9312.1.4部件设计要点9412.1.5部件设计的验证试验9512.2管道支吊架的工程设计9512.2.1设计所需资料9512.2.2管道支吊架的位置选择9612.2.3管道支吊架的型式选择10012.2.4管道应力分析10112.2.5支吊架荷载的决定10112.2.6支吊架的概念设计与详细设计10212.2.7管道支吊架组装图10212.3管道支吊架设计软件AutoPHS4.110312.3.1管道支吊架设计软件A
10、utoPHS4.1的基本配置10312.3.2支吊架CAD的软件接口10513管道支吊架的制造10613.1材料10613.1.1钢板10613.1.2钢管10713.1.3型材10713.1.4铸件10813.1.5螺栓、螺母、垫圈和销10813.1.6焊条10813.2尺寸公差10813.3制造工艺10913.3.1下料10913.3.2成形10913.3.3弹簧卷制11013.3.4螺纹的轧制和攻丝11013.3.5焊接11013.4防护涂层11213.5性能校准试验11313.6检验11413.6.1概述11413.6.2检验项目11413.6.3抽样规则11513.6.4判别规则11
11、513.6.5焊缝检验11513.7标志、包装、运输、贮存11613.7.1标志11613.7.2产品包装11713.7.3运输11813.7.4贮存11814管道支吊架的安装与运行监督11914.1安装准备11914.2支吊架定位11914.3支吊架安装12014.3.1刚性吊架12014.3.2刚性支架12014.3.3弹簧支吊架12014.3.4恒力支吊架12114.3.5减振器12114.3.6液压式阻尼器12214.4支吊架调整12214.5检验12314.5.1安装后和水压试验期间的检验12314.5.2水压试验后升温前的检验12414.5.3运行时检验12414.6运行监督与维护
12、1241 总论管道支吊技术是管道技术的重要组成部分。它是专门研究和解决正确合理地对管道支承、悬吊、限位或固定的技术；是控制管系的应力水平及对设备的推力和力矩，保证管道和设备长期安全运行的技术。它涉及管道支吊架的设计、选用、制造、安装、调整、维护等方面的内容。1.1 管道支吊架的功能管道支吊架的功能主要可概括为：承受管道荷载、限制管道位移和控制管道振动三个方面。其中以承受管道荷载为支吊架最主要、最普遍的功能。1.1.1 承受管道荷载作用于管道上的荷载通常包括介质运行压力、自重、风、雪、地震、流动瞬变引起的冲击或振动等机械荷载，还包括管道热胀冷缩和管道端点附加位移等位移荷载及由于温度梯度或热冲击引
13、起的热荷载，它们都可能以使管道产生内力和变形。上述荷载按其作用的性质，还可分为静荷载和动荷载两类。静荷载是缓慢地、毫无振动地作用于管道上的荷载。它可分为永久荷载（恒荷载）和变化荷载（活荷载）两种。永久荷载的大小和位置与时间无关，或者是极为缓慢地变化，因而其变化值可忽略不计。变化荷载则随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略。动荷载是指随时间有迅速变化的荷载，例如由于外部或内部条件引起的冲击力、地震以及热冲击等。这类荷载在管道运行期间不一定出现，也可能偶尔发生，故又可称为偶然荷载。上述管道荷载的主要类型如表 11所示。表 11 管道荷载的主要类型荷载性质荷载类型引起荷载的原因静荷载机械荷载管道自
14、重(包括阀门、管件及绝热层)管内介质重力内压(或外压)其他持续外载热荷载热膨胀受约束稳定的温度梯度动荷载机械荷载压力波动或冲击受激扰(地震、管道破裂及流体排放等)热荷载不稳定和类稳定的温度梯度、或热冲击管道荷载均可能传递给管道支吊架承受。1.1.2 限制管道位移管道在各种荷载作用下,都会产生不同程度的变形和位移。其中,有些荷载(如外力荷载),其大小与变形受约束与否有关,这类荷载属于非自限性能荷载；另一些荷载(如热胀荷载),则是由于结构变形受约束所引起的荷载,这类荷属于自限性荷载。对于非自限性荷载作用下产生的管道变形位移,大都需要通过设置支吊装置加以约束限制,以防止管道因受非自限性荷载作用而被破
15、坏。为减小自限性荷载,防止管道因疲劳而破坏,要求管道能自由位移而不被约束限制。然而,要求管道完全不受约束,是不可能的,也是不必要的。事实上,管道在自限性荷载作用下产生的二次应力,只要控制在一定范围内,就可以保证管道的安全。对于复杂的管系，各管段的二次应力水平是各不相同的，有时其差异会相当大。此时,为了使整个管系的应力水平都在安全范围内,有必要对管道位移给以适当的约束和限制,以降低应力水平超限的管段的二次应力。综上所述,在管系中的适当位置设置限位装置,不仅是可能的,而且是必要的。关键在于正确选定设置限位装置的位置和采用限位装置的型式(主要是约束模型)。1.1.3 控制管道振动管道在动荷载作用下,
16、会产生程度不同的摆动、振动。由于管系中支吊架的设置,在一定程度上提高了管系的刚度,增加了管系的阻尼,一般说来,支吊架都或多或少地起到减小管道振动效应的作用。但当支吊架设置不当,也可能加剧管道的振动,而且以承重为主要目的的支吊架，其减振效果往往不太明显。因此,对于在运行期间伴随发生有强迫振动和(或)冲击振动的地方,仍需增加合适的拉撑杆、支架、减振器或阻尼器等装置,以维护管道振动安全。核电厂的管道设计还必须考虑冲击防护装置,以承受管道破裂而喷出蒸汽或汽水混合物所产生的反作用力,从而防止事故扩大和损坏附近的重要设备或构筑物。尤其是主冷却介质管道、主蒸汽管道、给水管道、停堆和事故冷却水管道系统以及快速
17、停机系统的主要管道应装设冲击防护装置。这类防护装置所承受的冲击力可能高达2000kN,因此,必须精确地计算其荷载,并细致地考虑其荷载的传递方式和冲击防护装置的结构。这类防护装置的制造和安装应该非常精确,还应对其进行严格的检验,以保证其实际防护效果。1.2 管道支吊架的类型根据管道支吊装置承载、限位和防振三大功能,以及支吊装置各自的主要性能和用途；可将其分为承重支吊架、限位支吊装置和振动控制装置三大类(见表 12)。表 12 管道 支吊装置的类型编号分类型式名称用途名称用途1承重支吊架以承受管系重量目的的装置恒力支吊架用于管道垂直位移较大或需要限制转移荷载的地方变力支吊架(弹簧支吊架)用于管道垂
18、直位移不太大的地方刚性支吊架用于管道无垂直位移或垂直位移很小且允许约束的地方2限位支吊装置以限制和约束因热胀引起管系自由位移为目的的装置限位装置用于管系中需要限制某一(些)方向位移的地方导向支架(导向装置)用于引导管道位移方向或需要控制管道沿轴线转动的地方固定支架用于管道上不允许有任何方向位移的地方3振动控制装置用于制止管道摆动振动或冲击的控制装置减振器用于需要控制持续性流体振动的地方阻尼器用于需要控制冲击性的流体振动和地震激扰的地方1.2.1 承重支吊架以承受管道自重(包括管件、绝热保温层和管内流体等重量)为目的的装置,统称为承重支吊架(简称支吊架)。支吊架按其承载结构与管道在空间的相对位置
19、可分为支架和吊架两类。通常将管道经可摆动吊杆悬吊在承载结构下方的装置称为吊架；管道经支承部件支承在结构上方的装置称为支架。也就是说,吊架的承重部件主要受拉伸荷载,支吊的承重部件主要受压缩荷载。但也有例外,如双吊架的管部可能受压缩荷载；悬吊构架作为管道支架的承重部件,其吊杆受拉伸荷载,承载结构也在管道的上方。承重支吊架按其在管道垂直位移时其荷重的变化情况可大致分为恒力支吊架、变力支吊架和刚性支吊架三种。1.2.1.1 恒力支吊架恒力支吊架在理论上对管道的任何方向位移均不产生约束力和力矩。当支吊架的元件坐标系取成图 11时,它相对于元件坐标系的刚度矩阵为:Kc=diag0,0,0,0,0,0(1-
20、1)这样，管道在整个垂直位移范围内其支承点上具有近似不变的支承力。因此,它适用于管道垂直位移较大或需要限制转移荷载的地方。图 11 支吊架的元件坐标系1.2.1.2 变力支吊架变力支吊架亦即弹簧支吊架。它相对于元件标系(图 11)的刚度矩阵为:=diag,0,0,0,0,0(1-2)式中为单个弹簧的刚度, 为弹簧的并联数,为弹簧的串联数。这意味着,弹簧支吊架对管道的支承力随着支承点管道垂直位移的变化而变化,故称其为变力支吊架。由于管道在运行过程中(冷态或热态),会受到弹簧支吊架与其重量不平衡的附加力，而且管道垂直位移愈大,其荷载变化率愈大。为了把荷载变化率控制在一定范围内，弹簧支吊架只适用于管
21、道垂直位移不太大的地方。1.2.1.3 刚性支吊架刚性支吊架相对于元件坐标系(图 11)的刚度矩阵为:Kn=diagK1,0,0,0,0,0(1-3)式中K1为垂直方向刚度。它意味着,刚性支吊架对管道垂直方向位移呈刚性约束,故只能用于管道没有垂直位移或垂直位移很小且允许约束的地方。1.2.2 限位支吊装置以限制和约束因热胀引起管系自由位移为目的装置,统称为限位支吊装置。限位支吊装置按其是否承受管系荷重可分为限位支吊架和限位装置两类。在限制管道位移的同时也承受管系重量的装置，称为限位支吊架。单纯限制管道位移而不承受管系重量的装置称为限位装置。限位支吊装置按其限位特性可分为限位装置、导向支架(导向
22、装置)和固定支吊架三种。其中,前两种限位支吊装置没有明确的分界。1.2.2.1 限位装置限位装置用于管系中需要限制某一方向或某些方向位移的地方,它不承受管系的重量。当限位装置的元件坐标系取成图 12(即1为承受管道重量的方向)时,则其相对于元件坐标系的刚度矩阵有以下几种:图 12 限位装置的元件坐标系Krs1=diag0,K2,0,0,0,0 (1-4)Krs2=diag0,0,K3,0,0,0, (1-5)Krs3=diag0,K2,K3,0,0,0 (1-6)Krs4=diag0,K2,0,Kq1,0,0 (1-7)Krs5=diag0,K2,0,0,0,Kq3 (1-8)Krs6=dia
23、g0,K2,0,Kq1,0,Kq3 (1-9)Krs7=diag0,0,K3,Kq1,0,0 (1-10)Krs8=diag0,0,K3,0,Kq2,0 (1-11)Krs9=diag0,0,K3,Kq1,Kq2,0 (1-12)Krs10=diag0,K2,K3,Kq1,0,0 (1-13)Krs11=diag0,K2,K3,0,Kq2,0 (1-14)Krs12=diag0,K2,k3,0,0,Kq3 (1-15)Krs13=diag0,K2,K3,Kq1,Kq2,0 (1-16)Krs14=diag0,K2,K3,0,Kq2,Kq3 (1-17)Krs15=diag0,K2,K3,Kq1
24、,0,Kq3 (1-18)Krs16=diag0,K2,K3,Kq1,Kq2,Kq3 (1-19)即不同结构型式限位装置可限制管道某一方向或两个方向的线位移,也可同时限制某一、二个方向乃至三个方向的角位移。这需根据管系设计的具体要求选择合适的约束类型。1.2.2.2 导向支架导向支架用于引导管道位移方向或需要控制管道沿轴线转动的地方。对于水平管道的导向支架,一般都同时承受管系的荷重；对于垂直管道的导向支架，则不承受管系荷重,因此应称为导向装置。实际上,不承重的导向装置就是限位装置的一种型式。从严格的定义出发,导向支架是引导管道按一定方向移动,必定有限制角位移的功能。当导向支架的元件坐标系取成图
25、 12时,则其相对于元件坐标系的理论刚度矩阵可以为:Kq1=diagK1,0,K3,Kq1,0,Kq3 (1-20)Kq2=diagK1,0,K3,Kq1,Kq2,Kq3 (1-21)但习惯上,将具有限制管道沿轴线法向运动的支吊架也称为导向支架,这类支架的理论刚度矩阵为:Kq3=diagK1,0,K3,0,0,0 (1-22)由此可见,它允许管道有角位移,亦即对管道的运动方向并不限定。1.2.2.3 固定支架固定支架在其固定点不允许管道有任何方向的平动和转动.当固定支架的元件坐标系取成图 12时,则其相对元件坐标系的理论刚度矩阵为:Kq3=diagK1,K2,K3,Kq1,Kq2,Kq3 (1
26、-23)1.2.3 控制振动装置专门用来控制管道摆动、振动或冲击的装置统称为控制振动装置。上述支吊架和限位装置中，除恒力吊架外,都有不同程度的减振作用。控制振动装置则不承受管系的重量,在正常情况下,不约束或较小约束管道自由地热位移。控制振动装置通常分为减振装置和阻尼装置两类。1.2.3.1 减振装置减振装置在一定程度上限制了管道的正常热位移,但能有效地控制任何频率和任何振幅的摆动或振动。它适用于控制持续性的流体振动激扰的管系振动。1.2.3.2 阻尼装置阻尼装置允许管道自由地热位移,但对低频高幅或高幅低频的振动不能有效地控制。它适用于控制冲击性的流体振动，如主汽门快速关闭、安全阀排放、水锤等冲
27、击激扰和地震激扰的管系振动。1.3 管道支吊架的构成每个支吊架装置都是由装在管子上的部件和固定在承载结构（建筑结构或设备）上的部件以及与这两类部件相连的中间部件(支吊架装置的功能部件或中间连接件)所组成。1.3.1 管部结构直接安装在管子上的部件称为管部,它是管道支吊装置中的唯一不可缺少的部件。管部结构按其对管道的支承方式可分为:悬吊式(用于吊架)、支承式(用于支架或带横担吊架)和拉撑式(用于限位数置和振动控制装置)三类；按其同管道的连接方式可分为:焊接式(一般用于介质参数不高的管道)和夹持式(推荐普遍采用的型式)两种；按其所连接管道的布置形式可分为:水平管道、垂直管道(立管)和弯头(管)三种
28、。1.3.2 功能件用于实现管道支吊装置主要功能的核心部件称为功能件。承重支吊架中的恒力弹簧组件、变力弹簧组件；限位支吊装置中的拉撑杆；振动控制装置中的减振器、阻尼器等都属于功能件。1.3.3 根部结构将管道支吊装置固定到承载结构上的部件称为根部。通常情况下,尽量将管道支吊装置直接固定(生根)在承载结构上。这种生根部件也可看作根部结构的一部分,但通常将其归在中间连接件中,这样对于此类支吊装置就没有独立的根部结构。在多数情况下,尤其是混凝土建筑结构,管道支吊点偏离承载结构,需要添加辅助钢结构,才能实现支吊装置的生根固定。这种辅助钢结构就是支吊装置的根部结构。辅助钢结构有梁、立柱和构架三类,其中最
29、常用的有悬臂梁、简支梁和三角架三种。1.3.4 连接件用于连接管部结构与功能件；连接功能件与根部桔构或连接管部结构与根部结构的部件均称为连接件。连接件大部分介于上述各类部件之间,故又称为中间连接件。这些连接件又都是刚性结构,也可称为刚性连接件。中间连接件按其连接方式可分为夹持式、焊接式、螺纹连接式、销(轴)孔连接式、埋(嵌)入式、滚滑式等类型。2 管道支吊架荷载支吊架的荷载绝大部分是管道荷载传递给它的。但也有支吊架自身的重量、摩擦力等。支吊架荷载有静荷载和动荷载之分,本章主要涉及静荷载的计算。2.1 管道荷重及其分配2.1.1 管道荷重及其偏差2.1.1.1 管子重量对于普通碳钢管子的单位重量
30、可按式(2-1)计算。q=0.02466C tn(D-tn)(2-1)式中q管子单位重量(kg/m)；tn管子公称壁厚(mm)；D管子外径(mm)；c相对重量系数(不同管子材料取值如下:碳钢1.00,铸铁0.91,熟(锻)铁0.98,铁素体不锈钢0.95,奥氏体不锈钢1.02,铜1.14,黄铜1.12,铝0.35)。在计算管子重量时,一般以公称壁厚为计算基础。然而实际上一整批管子中,有时仅有少量超过要求的最小壁厚的管子,有时则大多管子都接近于最大壁厚。因此,计算支吊架荷重,不是超过管子的实际重量就是小于管子实际重量,这样也就改变了原管系计算的剪力分布情况和和各支吊点的反力。为此,文献1提出:在
31、进行管道静力计算时,管子壁厚偏差可按+12.5%计算。还可采用一种补充方法:即在管道安装前将其进行称量,这样就有可能将实际重量与计算重量比较,并确定是否有必要进行修正计算以精确地算出恒力吊架和弹簧吊架的整定值。另一种补充方法是:要细致地安装管道，装好后将其支吊架锁定装置松开,测定管道的位移,并与计算值相比较,然后调整恒力吊架和弹簧吊架的荷载,使管道复原到事先计算的位置上.此时管道因重量引起的剪力分布和应力偏差,就同重量偏差的幅度相近。假设管子的公称壁厚为计算最小壁厚tm的1.125倍, 管子的实际壁厚为计算最小壁厚tm的T倍，这里T=1+Tol,Tol为壁厚实际偏差的百分数，例如12.5%、1
32、0%等等,且不考虑内径偏差,用图2-1所示的符号可求得管子重量关系为:由此得： (2-2)根据无缝钢管壁厚计算公式(设附加厚度为零)： (2-3)得到比值： (2-4)将式(2-4)代入式(2-2)，得： (2-5)根据式(2-5)计算得到的管重偏差与计算强度比值的关系可看出，随着的增大，壁厚实际偏差对管重偏差的影响也越大。也就是说，壁厚实际偏差对主蒸汽管道和主给水管道的支吊架反力的影响要比再热蒸汽管道的影响大。2.1.1.2 流体重量管内流体重量与管子理论重量的关系式为： (2-6)式中：管内流体密度；钢管密度。将式(2-4)代入式(2-6)得： (2-7)根据式(2-7)计算得到的管内流体
33、相对重量与计算强度比值的关系可看出，蒸汽重量占管子理论重量一定的百分数，因此计算荷载时应考虑蒸汽重量。2.1.1.3 保温重量保温重量在管道总重量中占的份数额随着管材强度的增高而增加。当采用X20CrMoV121的主蒸汽管道，10CrMo910、14MoV63的高温再热蒸汽管道,15Mo3的低温再热蒸汽管道,15NiCuMoNb5的高压给水管道时,它可以占到管重的36%。在计算荷载时要考虑保温理论厚度与实际厚度之间及理论容重和实际容重之间的差值。保温材料实际重量与理论重量的关系为:即得： (2-8)式中：保温理层论重量(kg)；保温层理论重量(kg)；保温材料理论容重(kg/M3)；材料实际容
34、重(kg/m3)；保温层理论厚度(m)；保温层实际厚度(m)；对于保温层外的罩壳即得： (2-9)式中：罩壳理论重量(kg)；罩壳实际重量(kg)。由式(2-8)和式(2-9)计算的保温和保温层外铁皮罩壳的重量偏差与比值的关系可看出，高温小口径管子(主要是主蒸汽管道)的保温层厚度或容重的偏差可以导致显著的重量偏差。2.1.2 荷重分配方法管道系统是一个超静定结构,其自重荷载在各支吊架间的分配，也是一个超静定结构的计算问题。两端固定的管道AB,如果其间没有其它支吊架,在计算自重荷载时,按照力法,可假想B端释放。此时,由于自重的作用,管系将下沉到AB的位置,但由于复原力PB的作用,又从B点推回到B
35、点的位置,成为虚线所示的形状。显然,复原力的计算可按照文献2介绍,解变形协调线性方程组求得。同样，端点A的力PA亦可求得。由于A、B端点的力PA,PB的支持,管道将处于平衡状态。但在实际工程中管道两端固点间的距离很长,将产生很大的自重应力,因此,必须在中间加上支吊架,以减少结构的跨距。现在假设在C,D点加上两个支吊架，按照结构计算的观点,就相当于在C、D点加上两个多余的垂直方向的约束。于是管系AB的计算就不单是PB的六个约束力(即PBx、PBy、PBz、MBx、MBz),又增加了Pcy及Pdy。因此,必须在六个变形协调方程式之外,再增加以C、D两点的Z方向位移值YC、YD作为变形条件的两个方程
36、。由这八个变形协调方程即可求出所有支点的力。当给定一组YC、YD值时，就能求得一组支吊力，即不同的变形条件，可以求得不同的支吊力组合。反之，若在C、D支吊点处给予一定的支吊力，亦可计得C、D点相应的YC、YD值及A,B的端的支吊力。当然,也可以任意给定C点或D点的一个位移值和一个支吊力,求相应的另一个支吊力和位移值。这种荷重分配的不定性是由超静定结构的特点所造成的。根据管道结构的实际情况，给定支吊力的点只能是弹性支吊点,因为其支吊力是通过调节弹簧而人为给定的。而对于刚性支吊点,只能给定变形条件,因为它只能按要求的空间位置来安装,而无法精确地调整支吊力,当然,弹性支吊点也可以给定变形条件,因为弹
37、簧是可以调整其变形量的。但是管系荷重分配不仅要满足荷重的静力平衡和结构的变形协调,而且要合理分配自重应力。不同的荷重分配,管系的自重应力的分布是不同的。如图两等跨管道，当中间支点C的变形条件为:YC=0、YC大于0,YC小于0时其自重应力的分布是不同的。当YC=0时,其自重应力分布最为均匀,其最大值ql2/12W小于其他两种变形条件时最大值(W为管子的截面系数)。因此,荷重的分配,应尽量使管系的自重应力分布较为均匀,这就是合理的荷重分配原则。由于管道布置形状的任意性和复杂性,要从理论上找出合理的荷重分配办法,是比较困难的。现行的方法往往带有一定的判测性和经验性。常用的荷重分配方法有三种:2.1
38、.2.1 吊零分配法按每个支吊点处管道自重产生的垂直位移为零的条件(以下简称吊零)来分配荷重。它是一种按变形条件分配的原则。在作此种分配时,必须对管系按吊点处垂直位移为零的条件进行超静定的分析计算,计算工作量极大,因之它只能应用于电子计算机的计算。按吊零分配荷重的优点是:1)此种荷重分配条件,管系的自重应力分布是比较均匀的；2)按垂直位移为零的变形条件,在计算中,只要在各吊点处以虚拟的垂直方向刚度为极大值的刚性支吊架来代替各实际的弹簧吊架或恒力吊架,即与所要求的变形条件相符。在计算机程序设计中将支吊架类型作这样的替换是极为方便的。但是,按吊零分配荷重也有一定的缺点:1)当管系上支吊点的间距很不
39、均匀时,各支吊点荷载会有较大幅度的不均,甚至在某些支吊点上支吊力出现负值(即脱空,又称失重)。而支吊点的间距不均,是不可避免的,有时则是需要的,例如在阀门等集中荷载的两侧,或在设备、三通的附近等等。如图2-7中所示，AB跨间距较小,而BC跨又大于DA跨,则小跨距侧支吊点A的荷载必然受到大跨距BC的弯矩的影响而减少。当跨距不均到一定程度时,A点处和管线将在零位移之上,于是就需要反向的支吊力(即向下的压力)来使A点亦符合零位移的条件,这就使A点支吊架出现了失重。又如管道与设备的连接处,为了减少设备承受管道重量的荷载,往往在紧靠设备处设置支吊架。一般来说,设备的刚性是较大的,在作管系计算时,总是将设
40、备作为一个刚性端点来处理。此时,若按吊零分配荷重,则在设备上将受到一个数值很大的力F,因为AB跨自重产生的弯矩M,需要弯矩FOA为来平衡,距离OA很小时,力F很大,这样,就不能达到减少设备荷重的目的。如果支点A不吊零而略微下沉，则弯距M将大大减少,力F也应很快地减小了。这不但说明吊零的分配原则在这种情况下是不合适的,而且说明在这种情况下支点A不能采用刚性支吊架,而必须采用弹簧支吊架。2)它不能满足某些特殊要求的支吊力需要。为了减少出口管道对水泵的荷重,希望垂直管的重量尽量由弹簧吊架来承担,这时就不能用吊零分配荷重了。这就需要采用通常称为“吊零加给定荷载”的分配荷重方法,即对一般的(多数)支吊架
41、按支吊点处垂直位移的变形条件分配荷重,而对某些支吊点(如吊零分配荷重过大或过小的不均匀点,失重点以及和管系设计特殊需要承担一定支吊荷重的地方)则按人为的给定荷载。这种荷重分配条件,不仅符合工程实际需要,而且编制计算程序也很方便的，只要以虚拟的大刚度支吊架代替吊零处的弹簧支吊架,以支吊力为给定值的虚拟恒力吊架代替给定荷载的支吊架,即可计算得所需要的荷重分配值,这样的分配条件已应用于实际的计算程序3中,并取得较好的效果。由于管道在整个使用过程处于热和冷两种状态的交替之中,因此上述的荷重分配可以在冷状态实现,也可以在热状态实现。在冷状态实现吊零荷重分配称为冷态吊零；在热状态实现吊零荷重分配称为热态吊
42、零。当管道由一个状态(冷或热状态)变到另一个状态(热或冷状态)时,由于支吊点位移(由冷到热或由热到冷),将使弹簧支吊架的支吊力发生变化,支吊力的改变量为P(为支吊架的位移,P为弹簧的刚度)，称为弹簧附加力。显然,如果支吊架按热态吊零分配荷重,即管道在工作状态下各支点正好承受分配给它的荷重,管系上将不出现弹簧附加力；而如果吊零荷重分配在冷状态下实现,则管系在工作状态下将承受弹簧附加力。当吊零荷重分配在热状态下实现时,则分配的荷重即为各支吊架的工作荷重,而冷状态下的荷重则由该支吊点的“工作荷重+弹簧附加力”来确定。当采用冷态吊零分配荷重时,则冷态下的荷重为各支吊架的工作荷重(也称基本荷重),而热态
43、下的荷重则由该支吊点的“工作荷重+弹簧附加力”来确定。.由弹簧附加力引起的管系应力实际上是有自限性的。一般它在管道整个应力中所占的份额也相当小,而且它与管道其它应力叠加时,可能使总的应力增大,也可能使总的应力减小。文献4对等值刚度法多分支管道静力计算程序采用热态吊零与冷态吊零两种分配荷重方法进行对比计算,通过两个典型例题计算结果,冷态吊零最大应力点的二次应力与热态吊零相比,有三点增大,最多增大4.903 MPa,变化率为9.45%,占二次应力的许用应力范围的2.62%；有两点减小,最多减小8.24MPa,变化率为4.28%,占二次应力的许用应力范围的4.04%。因此,很难说弹簧附加力对管道是不利的或是有利的,要视管系的具体情况而定。前述给定荷载的分配荷重方法,实际上也是在某些支吊点上增大支吊架附加力,以求管系各支吊点荷重分配更为均匀合理,或减小管道对某些设备的推力或力矩。而冷态吊零便于安装调整，容易控制管道在初期冷态下对设备的推力和力矩的优点是显而易见的。2.1.2.2 静力平衡法静力平衡法是将静不定的管道系统分割为若干个静定系统,然后用静力平衡方程式求解各支吊点的荷重方法。这种方法不能得到确切的端点反力