超低摩擦管支架的特性及其在管道系统中的应用

毛玉海

摘 要：本文对管道系统支撑采用超低摩擦管支架和采用四氟摩擦管支架支撑对其管道系统连接设备管口产生作用力和力矩比较，通过CAESARⅡ对管道系统模拟计算分析，结果表明超低摩擦管支架的水平摩擦力合力对设备管口的作用力和力矩相比采用低摩擦副管支架有着极大的优势。说明超低摩擦管支架具有降低管道应力和设备管口应力特征的优势和广阔的应用前景。

关键词：摩擦系数 低摩擦 管支架 模拟计算分析 工程应用

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0061-02

石油化工装置各工艺、蒸汽等管道，当管道因热胀产生位移时，管支架与生根钢梁间产生了摩擦阻力，增加了管道的刚度、约束了管道的位移，同时对土建结构产生了额外的附加荷载。摩擦力终将传递至临近的设备管口，增加设备管口的作用力和力矩，解决这一难题是管道应力设计技术人员首先要考虑的问题。

1 管支架的使用现状分析

随着国内外化工工艺技术、化工装置能力的提高，配管设计技术的进步，大规格的管道系统在石化行业装置内运用也越来越多，管支架承受的垂直和水平荷载也随之增大，管支架在运行时产生的摩擦力也越来越大，管支架摩擦合力对其所连接的设备管口形成较大的作用力和力矩，增大了设备管口的应力和管道振动。问题严重时直接可把设备管口崩坏，造成整个管道系统的瘫痪，发生严重的安全质量事故。可见用于支撑管道的管支架在整个管道系统中起到举足轻重的作用。

聚四氟乙烯板的低摩擦特性被应用到了管支架设计技术中，设计出摩擦系数为0.1的低摩擦管支架，但大型装置有苛刻应力要求的管道系统和设备还是不能满足。

江苏中圣通过对摩擦副的研究，开发出摩擦系数为0.01超低摩擦管支架并获得国家发明专利，管支架摩擦系数越低，对设备管口的作用力和力矩也越低，设备和管道系统越稳定安全。

2 摩擦副结构对比分析

超低摩擦管支架与四氟摩擦副管支架主要区别在于管支架底板下方的摩擦副结构不一样。

2.1 摩擦原理比较

超低摩擦管支架的摩擦副采用的是滚珠点与面的滚动摩擦原理，通过实验测得超低摩擦管支架的摩擦系数低至0.01。四氟摩擦管支架的摩擦副采用面与面滑动摩擦管理，通过试验测得四氟摩擦管支架的摩擦系数为0.1。

2.2 摩擦副结构比较

超低摩擦管支架摩擦副采用封闭式钢性滚动摩擦结构，不锈钢防尘防雨罩能有效的保护好摩擦系统，临时紧固螺栓设计，使摩擦副与管支架在运输和存储时保持一个整体。封闭的摩擦副结构设计保证了产品的使用效果及延长了产品的使用寿命和更换维护周期，节省了工程项目的日常维护成本。

四氟摩擦管支架的摩擦副滑板和管支架是两个独立分离的部分，管支架在运输和存储时不容易得到保护，聚四氟乙烯板摩擦面及不锈钢抛光面易被管支架的尖锐部分或其他杂物划伤，同时摩擦副安装时需与生根基础梁进行焊接，由于施工条件等限制，焊接热量及焊接飞溅会一定程度上破坏聚四氟乙烯板的摩擦表面。管支架安装后由于四氟摩擦副常年裸露在外，聚四氟乙烯板会受到紫外线、装置上方滴漏等杂物的影响，增大了摩擦副的摩擦系数。四氟摩擦副一般通过粘接或镶嵌的方法把聚四氟乙烯板固定在垫板上，因聚四氟乙烯板与摩擦副底板的线性膨胀系数不一样，随着使用时间的增加聚四氟乙烯板容易翘曲甚至脱落，降低了四副摩擦管支架的使用效果，减少了有效使用寿命。

2.3 可靠性比较

超低摩擦管支架的摩擦副主体结构都是钢材料，如果现场发生火灾爆炸等事故，最多发生高温蠕变、强度降低等现象，不会有其他有机材料分解成剧毒物，不会对事故发生地及周边的人和动物造成中毒伤亡的安全隐患，降低事故的危害性。

四氟摩擦管支架的四氟摩擦副主要功能材料为聚四氟乙烯板，聚四氟乙烯板在温度超过400℃的情况下就会产生热裂解，可分解成氟光气、氟化氢、四氟乙烯、八氟异丁烯等，其中八氟异丁烯为剧毒物质，氟化氢及氟光气为高毒物质，他们均为亲肺性毒物，对肺部有强烈的刺激作用，造成非常严重的人身伤害事故。化工装置现场一旦发生火灾爆炸事故，聚四氟乙烯板接触到高温或明火就会产生上述分解物，扩大事故危害性，造成非常严重的损失。

3 模拟计算分析

图1为国内某一大型石化企业100万t/a乙烯装置一段管线的CAESARⅡ的计算模型3D截图。支架点10号为设备的某一管口，支架点号40、70、80、120、130、273为支撑管道的管支架。

3.1 模拟计算结果

模拟计算结果如图2所示。

3.2 各管支架受力分析

从计算结果可知，支架点号40、70、80、120、130、273采用摩擦系数为0.1的四氟摩擦副结构，这些支点处的水平摩擦力Fx和Fz是采用摩擦系数为0.01的超低摩擦副结构的5～9倍，采用超低摩擦管支架能有效降低管道因热涨等受到个支架点处摩擦力的约束而产生作用力，降低了管道系统的二次应力。

3.3 设备管口受力分析

从数据Node10可以看出，采用超低摩擦管支架能有效降低设备管口处的作用力和力矩，极大降低了因管支架的水平摩擦力的合力對产设备管口形成的作用力和力矩。

4 工程应用

某石化年产100万t/a乙烯装置某区管线采用超低摩擦管支架，业主组织对其运行进行测试与考评，整个配管系统运行良好，降低了设备的管口应力、管道系统的振幅，提高了设备和管道系统的安全可靠性，深受业主的好评。

超低摩擦管支架可以与节能管支架组合使用、与支撑式弹簧箱结合使用，超低摩擦管支架可以应用在垂直载荷大水平摩擦力要求小的各种场合，如与汽轮机、压缩机、各种储罐、反应器连接的工艺管道、蒸汽管道的支撑及设备本体裙座的支撑。

5 结语

随着石化装置的工艺进步及产能提高，超低摩擦管支架的应用范围将越来越广，同时得到越来越多设计院和业主的重视和认可，必将产生巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] GB/T 17116-1997，管道支吊架[S].北京：中国标准出版社，1998.

[2] 林其略，周美芳.管道支吊架技术[M].上海：上海科学技术出版社，1994：196-221.

[3] 唐永进.应力管道分析[M].2版.北京：中国石化出版社，2010：51-93.