一种高温高压大直径管道固定支架及其固定方法与流程

本发明涉及一种管道固定支架，特别涉及一种高温高压大直径管道固定支架结构。

背景技术：
高温管道广泛应用于各种工业生产及民用工程，特别是部分管道不仅管道内流体高温高压，而且直径超大。此类管道固定支架需要与管道基础紧密连接，而管道基础一般处于常温状态，因此管道固定支架节点的温度由管道位置的高温状态迅速降低到支架底部与基础连接部位的常温状态，温度梯度极大。内部管道在高温高压作用下，管道向外膨胀变形，而外部支架温度较低，沿管道直径方向的膨胀量很小，对内部高温管道形成强烈的变形约束，使节点内部管道及外部支架诸多部位材料进入屈服阶段。当此类支架节点作为承受管道盲端力的固定支架时，管道盲端力迫使管道在温度应力作用下已进入屈服阶段的位置产生巨大的塑性应变，节点整体发生不可逆转的大变形而失效。

技术实现要素：
本发明的目的在于设计出一种具有特殊构造的管道固定支架及其固定方法，解决的主要问题是：传统管道固定支架节点的构造做法均将高温管道与其固定支架直接焊接连接为一个整体，以达到传递高温管道外部机械荷载的目的，但由此造成高温管道的热量也传递到管系固定支架上，造成固定支架与高温管道连接部分处于与管道一致的高温工作状态，而固定支架与基础连接的部位则处于与基础一致的常温工作状态。如此的工作状态下，固定支架内部管道与外部构造温度变形不一致且互相约束，造成高温管道的固定支架在工作工况下的温度应力很高，基本达到甚至局部超过材料在工作温度下的屈服点，致使支架节点在外部机械荷载及工作温度场的共同作用下，发生大面积塑性变形，支架整体发生不可逆转的塑性大变形，直至整个节点变形超过安全标准而退出工作；此外，现有技术中节点内部管道与节点外部构造之间一般设置绝热构造，其构造复杂且可靠度不高，严重影响管道固定质量。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方法如下：一种高温高压大直径管道固定支架，支设在管道上，其特征在于，固定支架包括以下部分：支架框架，所述支架框架为矩形框，管道从其中间穿过，支架框架的底部有支腿支设在基础上；支架框架的框上开有用于固定传力牛腿的限位孔；传力限位环梁，所述传力限位环梁套在支架框架与管道之间的管道外壁面上，其内径大于管道的外径，与管道外壁面之间的间隙不小于管道的径向温度膨胀距离；所述传力限位环梁的两端面上均有用于与纵向传力限位加劲板接触的内凹斜面；传力牛腿，所述传力牛腿垂直焊接在传力限位环梁的外表面上，且绕传力限位环梁一圈均匀分布，其与支架框架的限位孔一一对应并从孔中伸出；纵向传力限位加劲板，所述纵向传力限位加劲板包括前后两圈，分别焊接在传力限位环梁前后两侧的管道外壁面上，沿管道圆周均匀分布，所述纵向传力限位加劲板靠近传力限位环梁接触的一侧为楔形，与传力限位环梁的内凹斜面配合形成能上下发生相对位移的摩擦面；所述摩擦面位于依据管道中心膨胀方向射线确定的膨胀摩擦接触面上。其中，所述膨胀摩擦接触面是集合管道中心膨胀方向射线形成的一个以膨胀中心点为顶点的圆锥面或棱锥面，即圆锥的侧面形状或棱锥的侧面形状，所述管道中心膨胀方向射线以膨胀中心点为原点，经过两圈传力限位加劲板相互靠近的内侧楔形的下边缘点；所述膨胀中心点可根据需要设置在支架中心位置的管道轴线上；也可以在支架内的管道轴线上偏心设置。其确定方法如下：步骤1、在支架内选定膨胀中心点：此膨胀中心点可根据需要设置在支架中心位置的管道轴线上；也可以在支架内的管道轴线上偏心设置；步骤2、作管道中心膨胀方向射线：在膨胀中心点处，根据需要的支架宽度作管道中心膨胀方向射线；管道中心膨胀方向射线以膨胀中心点为原点，经过两圈传力限位加劲板相互靠近的内侧楔形的下边缘点O；步骤3、确定膨胀摩擦接触面：将所有管道中心膨胀方向射线统一起来，使管道两端的管道中心膨胀方向射线各自形成一个以膨胀中心点为顶点的圆锥面或棱锥面，即圆锥侧面形状或棱锥侧面形状，为膨胀摩擦接触面。当所述膨胀摩擦接触面是圆锥面时，锥面上的每一点都位于管道中心膨胀方向射线上，相应的，所述传力限位环梁的截面为圆形，其与纵向传力限位加劲板接触的摩擦面也为圆锥面。所述膨胀摩擦接触面是正棱锥面时，相应的所述传力限位环梁的截面为正多边形，其与纵向传力限位加劲板接触接触的摩擦面也为正棱锥面。优选的，所述传力限位环梁为一个环梁或并排的两个环梁，若为并排的两个环梁，则其刚性连接为一个整体，所述传力牛腿设于两个环梁中间的连接杆件上。优选的，所述传力牛腿的横截面为圆形、正方形或多边形。本发明还提供上述的高温高压大直径管道固定支架的固定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、确定支架安装位置：根据工艺条件要求及场地条件选定支架位置；步骤二、确定支架的截面尺寸：根据工作工况下管道需要支架承受的外荷载大小，确定需要的支架截面应力，结合支架框架的材料性能，以材料能承担此应力为依据反算出所需支架的截面尺寸；步骤三、在支架内选定膨胀中心点：此膨胀中心点可根据需要设置在支架中心位置的管道轴线上；也可以在支架内的管道轴线上偏心设置；步骤四、设置两圈纵向传力限位加劲板：在管道外侧设置两圈纵向传力限位加劲板，其焊接在管道外壁上、沿管道圆周均匀分布，两圈传力限位加劲板相互靠近的内侧均为楔形，此楔形面为管道节点整体承受外部机械荷载的传力面，两圈纵向传力限位加劲板的净距，以两圈纵向传力限位加劲板及与之焊接的管道本体在节点外部机械荷载作用下材料的强度及刚度满足设计要求为条件；步骤五、作管道中心膨胀方向射线：在膨胀中心点处，根据需要的支架宽度作管道中心膨胀方向射线；管道中心膨胀方向射线以膨胀中心点为原点，经过两圈传力限位加劲板相互靠近的内侧楔形的下边缘点，所述内侧楔形的下边缘点可以是位于内侧楔形的下边沿上的任一点；步骤六、确定膨胀摩擦接触面：将所有管道中心膨胀方向射线统一起来，则管道两端的管道中心膨胀方向射线各自形成一个以膨胀中心点为顶点的圆锥面或棱锥面，即为膨胀摩擦接触面；步骤七、在两圈纵向传力限位加劲板的内侧楔形之间设置传力限位环梁，纵向传力限位加劲板与传力限位环梁在膨胀摩擦接触面上摩擦接触，接触面为能上下发生相对位移的摩擦面，传力限位环梁的内环表面与管道外壁面之间留有间隙，此间隙不小于管道外表面径向温度膨胀距离；步骤八、在传力限位环梁外侧最少设置两个传力牛腿，绕传力限位环梁均匀分布，传力牛腿的大小及数量根据传力牛腿在工作工况下需要的工作应力满足传力牛腿的材料性能为依据确定；步骤九、安装支架框架：支架框架平面垂直于管道中轴线，其中心点位于管道中轴线管道中轴线上；所述支架框架上开有与传力牛腿一一对应的限位孔，传力牛腿伸出限位孔；步骤十：整体质检，至此，管道固定支架的安装工作完成，重复步骤一至步骤九，在需要安装固定支架的其他位置安装支架，直至管道固定完成。若所述膨胀摩擦接触面是圆锥面，锥面上每一点都位于管道中心膨胀方向射线上，相应的所述传力限位环梁的截面为圆形，其与纵向传力限位加劲板接触的摩擦面也为圆锥面。若所述膨胀摩擦接触面是正棱锥面，相应的所述传力限位环梁的截面为正多边形，其与纵向传力限位加劲板接触接触的摩擦面也为正棱锥面。优选的，所述传力限位环梁可以是一个环梁或并排的两个环梁，若为并排的两个环梁，则其刚性连接为一个整体，所述传力牛腿设于两个环梁中间的连接杆件上。与现有技术相比，本发明的技术优势在于：1、应用本发明高温高压大直径管道固定支架，可使高温管道固定支架节点的外部构造与内部高温管道系统属于弱连接，由内部管道传递到外部的热量十分有限，且将内部管道的膨胀变形与外部构造分离，节点外部构造仅用于承受管道节点位置的外部机械荷载，内部高温高压的管道在温度作用下可以自由向外膨胀，可完全释放节点部位内部高温管道的温度膨胀变形，从而避免了节点在内外温度不一致的情况下，发生由温度膨胀变形不协调导致的节点破坏；同时支架位置管道不发生空间位移，形成固定支架，在释放温度变形的同时可以承受外部机械荷载；2、采用分离的变形构造，节点内外温度变形不相互影响，因此不需要设置专门绝热构造来隔断节点内部热量通过弱连接向外部传递的通道，大大降低了节点构造的复杂程度，同时提高了节点的可靠性。本发明的做法使用框架传力，稳定可靠，具有可靠地工作安全裕量。且框架的综合刚度及综合强度较大，可以用在高温高压大直径的管道固定支架上，用于承受很大的管道盲端推力，也可用于管道中部次固定支架。附图说明图1是本发明实施例涉及的高温高压大直径管道固定支架的整体安装状态示意图；图2是本发明实施例涉及的高温高压大直径管道固定支架的设置在管道8上的传力限位环梁5、纵向传力限位加劲板3及传力牛腿的安装关系示意图；图3是图2的A-A剖面的剖面结构示意图；图4是支架框架7的结构示意图。附图标记：1-膨胀中心点、2-管道中心膨胀方向射线、3-纵向传力限位加劲板、4-摩擦面、5-传力限位环梁、6-传力牛腿、7-支架框架、8-管道、9-管道中轴线、10-限位孔。具体实施方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1，一种高温高压大直径管道固定支架，包括底部带支腿的支架框架7，支架框架7支在地面上，管道8从支架框架7中间穿过，其特征在于：在支架框架7与管道8之间的管道上套有一个传力限位环梁5，如图2和图3，传力限位环梁5的内环直径大于管道8的外径，其与管道外壁面之间的间隙不小于管道外保温层径向温度膨胀距离；传力限位环梁5的外侧至少设两个垂直其外壁面的传力牛腿6，传力牛腿6的横截面为圆形、正方形或多边形。传力牛腿6绕传力限位环梁5一圈均匀分布；如图4，支架框架7上开有与传力牛腿6一一对应的限位孔10，传力牛腿6从限位孔10中伸出支架框架7；传力限位环梁5为一个环梁或并排的两个环梁，本实施例采用并排的两个环梁，其刚性连接为一个整体，四个矩形传力牛腿6均匀设于两个环梁中间的连接杆件上。如图2和图3，传力限位环梁5两侧的管道外壁面上分别焊接一圈沿管道圆周均匀分布的纵向传力限位加劲板3，所有传力限位加劲板3靠近传力限位环梁5的一侧为楔形，其与内侧的传力限位环梁5的接触面为能上下发生相对位移的摩擦面4，摩擦面4位于依据管道中心膨胀方向射线确定的膨胀摩擦接触面上。如图1至3，本实施例采用的膨胀摩擦接触面是圆锥面，锥面上每一点都位于管道中心膨胀方向射线上，相应的传力限位环梁5的截面为圆形，其与纵向传力限位加劲板3接触的摩擦面4也为圆锥面。膨胀摩擦接触面也可以是正棱锥面，相应的传力限位环梁5的截面为正多边形，其与纵向传力限位加劲板3接触接触的摩擦面4也为正棱锥面。其中，所述膨胀摩擦接触面是集合管道中心膨胀方向射线2形成的一个以膨胀中心点（1）为顶点的圆锥面或棱锥面，所述管道中心膨胀方向射线2以膨胀中心点1为原点，经过两圈传力限位加劲板3相互靠近的内侧楔形的下边缘点11；所述膨胀中心点1可根据需要设置在支架中心位置的管道轴线上；也可以在支架内的管道轴线上偏心设置。其确定方法如下：步骤1、在支架内选定膨胀中心点1：此膨胀中心点可根据需要设置在支架中心位置的管道轴线上；也可以在支架内的管道轴线上偏心设置；步骤2、作管道中心膨胀方向射线2：在膨胀中心点1处，根据需要的支架宽度作管道中心膨胀方向射线2；管道中心膨胀方向射线2以膨胀中心点1为原点，经过两圈传力限位加劲板3相互靠近的内侧楔形的下边缘点11，所述内侧楔形的下边缘点11可以是位于内侧楔形的下边沿上的任一点；步骤3、确定膨胀摩擦接触面：将所有管道中心膨胀方向射线2统一起来，使管道两端的管道中心膨胀方向射线2各自形成一个以膨胀中心点1为顶点的圆锥面或棱锥面，即为膨胀摩擦接触面。在应用本发明的高温高压大直径管道固定支架进行管道的规定施工时，具体操作如下：1）确定支架安装位置：根据工艺条件要求及场地条件选定支架位置；2）根据管道8在工作状态下支架需要承受的外荷载大小，用有限元计算或理论分析计算得出支架截面应力，以此应力满足框架的材料要求为依据反算出所需要的支架宽度及支架截面。3）在管道8支架位置内选定的膨胀中心点1处，根据需要的支架宽度作出管道8中心膨胀方向射线2。此膨胀中心点1可根据需要设置在管道8支架中心位置的管道8轴线上；也可以在管道8支架位置内的管道8轴线上偏心设置。4）根据管道8中心膨胀方向射线2确定出膨胀摩擦接触面，膨胀摩擦接触面可以是圆锥面也可以是正棱锥面。锥面上每一点都位于管道8中心膨胀方向射线2上。5）在管道8外侧设置两圈焊接在管道8外壁上，沿管道8圆周均匀分布的纵向传力限位加劲板3，纵向传力限位加劲板3内侧的楔形与管道8中心膨胀方向射线2重合，使所有的纵向传力限位加劲板3位于管道8中心膨胀方向射线2一侧的楔形位于膨胀摩擦接触面上。每圈纵向传力限位加劲板3的加劲板3数量、厚度根据管道8直径大小及管道8支架受力情况确定，确定的原则是根据有限元计算或理论分析计算得出的纵向传力限位加劲板3工作应力满足纵向传力限位加劲板3的材料要求，纵向传力限位加劲板33的间距一般为200~250mm。6）在两圈纵向传力限位加劲板3的膨胀摩擦接触面之间设置传力限位环梁5，纵向传力限位加劲板3与传力限位环梁5在膨胀摩擦接触面上摩擦接触成摩擦面4。若前面确定的膨胀摩擦接触面是圆锥面，则环梁5相应为圆形且与纵向传力限位加劲板3接触一侧同样为与膨胀摩擦接触面重合的圆锥面。若前面确定的膨胀摩擦接触面是正棱锥面，则环梁5相应为正多边形且与纵向传力限位加劲板3接触的摩擦面4也同样为与膨胀摩擦接触面重合的正棱锥面。本实施例传力限位环梁5内直径比管道8外径大100mm。传力限位环梁5可以整体为一个环梁5，也可以在两侧的纵向传力限位加劲板3位置设置沿支架位置管道8中心对称的两个环梁5，然后将两个环梁5刚性连接为一个整体。传力限位环梁5内环表面与管道8外表面间留一定间隙，此间隙需大于等于管道8外保温厚度及管道8外表面径向温度膨胀值之和。根据限位环梁5在工作工况下通过有限元计算或理论分析计算得出的限位环梁5工作应力需满足限位环梁5的材料要求确定限位环梁5的截面尺寸。7）在传力限位环梁5外侧设置圆形或正方形或多边形传力牛腿6，传力牛腿6最少设置两个，沿传力限位环梁5圆周均匀分布。传力牛腿6大小及数量根据传力牛腿6在工作工况下通过有限元计算或理论分析计算得出的传力牛腿6工作应力满足传力牛腿6的材料要求确定。8）在支架位置设置支架框架7，支架框架7沿支架位置管道8中心处的垂直于管道8中轴线的平面对称，支架框架7上设置与传力牛腿6一一对应的限位孔10，限位孔10需要释放传力牛腿6沿传力牛腿6中轴线方向的位移，并约束传力牛腿6在垂直于传力牛腿6中轴线平面内的位移。9）整体质检，至此，管道固定支架的安装工作完成，重复上述步骤，在需要安装固定支架的其他位置安装支架，直至管道8整体固定完成。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。