不锈钢管道在化工、制药、食品、水处理和供热这些场合用得越来越多,其中相当一部分是不锈钢焊管。管子本身的耐蚀性一般不用操心,可现场跑上几年之后,出状况的地方常常不在管身,而在支吊架上。支架看着是配角,装得不讲究,管子就先烂在支架那里。
同样一根管子,用在碳钢系统上的那套支架经验,搬到不锈钢上不一定管用。不锈钢跟碳钢比,线膨胀系数更大,怕铁离子污染,还忌讳和碳钢直接接触。下面把支吊架这件事从头理一遍:怎么分类、间距怎么查、电偶怎么隔、热膨胀怎么补、抗震要不要做,以及在图纸和合同里该怎么落。
第一层差别是热胀。不锈钢的线膨胀系数比碳钢大不少。常引用的数值是:奥氏体不锈钢 304 大约 17.3×10⁻⁶/℃,316L 约 15.9×10⁻⁶/℃,碳钢约 12×10⁻⁶/℃。折算下来,同样的长度、同样的温差,不锈钢的位移比碳钢大三分之一到四成。位移大,滑动支架、导向支架、固定点的分工和热补偿方案就要跟着调整。
第二层差别是怕电偶。不锈钢和碳钢是两种电位不同的金属,直接碰在一起,再遇上潮湿或积水,就构成一个电偶对。所以在不锈钢管上,支架不能像普通碳钢管那样随手焊上去。把碳钢件直接焊在不锈钢管壁上,焊接的高温会破坏那层起保护作用的钝化膜,焊缝附近还可能敏化,等于亲手在管子上造了一个腐蚀源,而且这个点以后还拆不掉。
第三层差别是表面。不锈钢靠表面那层致密的钝化膜防锈,这层膜最怕划伤,也怕沾上铁屑和碳钢的锈水。支架的管卡边缘不磨光就卡上去,或者用夹过碳钢的工具去夹不锈钢管,都会在管壁上留下隐患,过一段时间就从这些小伤口开始点蚀。
还有一层容易被忽略:保温材料。管道要包保温层的时候,贴着奥氏体不锈钢用的绝热材料,它的可溶氯离子含量是有规定的,要符合覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料规范的要求。支吊架的管部直接接触绝热层和管壁,选材和衬垫都得跟着这个要求走。
管道支吊架不是随便找块角钢垫一下,它是由标准部件拼起来的一个系统。按国标管道支吊架技术规范的分法,一套支吊架由四类部件组成:与管道或绝热层直接相连的管部;实现弹簧、减振、阻尼等功能的部件,叫功能件;把管部、功能件、根部连起来的中间连接件;以及固定在梁柱楼板这些承载结构上的根部。
按作用来分,常见的几种各管一件事。固定支架把管道在这一点上卡死,不允许任何方向移动,专门用来承受补偿器传来的推力和分配各管段的热胀量;滑动支架只托着管子,允许管子沿轴向自由滑动;导向支架托着管子的同时只允许轴向滑动,不让管子横向摆动;刚性吊架是从上方吊住管子的固定式支承;弹簧支吊架带弹簧,可以在一定范围内变位,用于有垂直位移或者需要控制荷载的地方,分可变弹簧和恒力弹簧;滚动支架用滚柱或滚轮减小摩擦,用于位移较大的大口径管道。消防和给水管路上还常用防晃支架,防止管道在地震或水流冲击下横晃。
这几类在一条管线上是配合用的。直管段上每隔一段放滑动或刚性支架托住自重,在需要控制位移的节点放固定支架,固定支架之间再用导向支架把管子理顺,热补偿装置旁边必须配固定和导向支架,缺一个都不行。
支架间距不是拍脑袋定的。它由管子自重、管内介质重量、保温层重量、管件阀门的集中荷载,以及管子允许的挠度和应力一起决定。管子越细、壁越薄,允许跨距越小。不锈钢焊管里相当一部分是薄壁管,刚度不如同口径的厚壁碳钢管,跨距通常要小得多。
建筑给水用的薄壁不锈钢管,有一张现成的活动支架间距表。按建筑给水薄壁不锈钢管管道工程技术规程,滑动支架的最大间距大致是:DN10 到 DN15 的水平管 1.0 米、立管 1.5 米;DN20 到 DN25 的水平 1.5 米、立管 2.0 米;DN32 到 DN40 的水平 2.0 米、立管 2.5 米;DN50 到 DN80 的水平 2.5 米、立管 3.0 米;DN100 到 DN600 的水平 3.0 米、立管 3.5 米。同一份规程还规定,固定支架的间距不宜大于 15 米,而且固定支架宜设在变径、分支、接口以及穿越承重墙、楼板的两侧。
消防管道用的是另一份薄壁不锈钢管的规程,它的支吊架最大安装间距表稍有不同:DN25 水平 1.5 米、立管 2.0 米;DN32 水平 2.0 米、立管 2.5 米;DN40 水平 2.2 米、立管 2.8 米;DN50 到 DN100 水平 2.5 米、立管 3.0 米;DN125 到 DN300 水平 3.5 米、立管 4.0 米。规程还要求,公称直径 50 及以上的每段配水干管或配水管,设防晃支架不应少于 1 个,防晃支架的间距不宜大于 15 米;在距离公称直径 65 以上的管件或阀门 100 毫米以内,以及管道变径的地方,要用管卡固定。
为便于对照,普通碳钢钢管按建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范,水平支架间距大致是 DN15 用 2.5 米、DN25 用 3.5 米、DN50 用 5 米、DN100 用 6.5 米。把这两组数放一起,差别一目了然:同口径的薄壁不锈钢管,支架间距往往只有碳钢钢管的一半左右。拿碳钢的那张表去套薄壁不锈钢管,管子会明显下垂,接口受力也跟着变大。
还有两个位置要点管卡。给水栓和配水点这类地方要用金属管卡或吊架固定,管卡宜设在距配件 40 到 80 毫米的位置。管道上有较重的阀门、过滤器时,如果组件靠自重就能把管子压变形,要给组件单独加支吊架,别让管子一个人扛。
第一个是支架处的电偶腐蚀。做法上有一条硬要求:不锈钢管不得和碳钢支架直接接触。可行的处理是几选一。支架本体尽量用不锈钢成品支架;如果只能用碳钢支架,就必须在管子和支架之间垫绝缘垫隔开,常用的垫片有聚四氟乙烯垫、橡胶垫、不含氯离子的塑料垫,也可以在不锈钢管外包一层不锈钢垫板再上管卡。U 型抱箍要穿软 PVC 管做绝缘保护,松套法兰可在碳钢法兰和不锈钢管之间衬橡胶、塑料或石棉橡胶板。管道穿墙、穿楼板时要加套管,套管与管子之间的间隙不宜小于 10 毫米,间隙里填绝缘材料,填料里不能混进铁屑、铁锈。
另一个是铁离子污染和划伤。不锈钢表面一旦沾上碳钢的铁锈,或者被硬物划伤,钝化膜就破了,起初只是一点黄锈,时间长了会发展成点蚀。所以管卡、抱箍的边缘要打磨光滑再卡管;支架和管子接触的部位要垫软质材料;切割、打磨不锈钢的砂轮片、钢丝刷要单独备一套,不能和碳钢混用;施工现场也不要在不锈钢管上随意引弧打火,电弧擦伤点就是一个现成的腐蚀源。
热膨胀量有现成公式:膨胀量等于线膨胀系数乘以管长再乘以温差。不锈钢的线膨胀系数按 16 到 17.3×10⁻⁶/℃ 取,碳钢按 12×10⁻⁶/℃ 取。举个例子,一段 100 米长的 304 不锈钢管,安装时 20℃,工作时 70℃,温差 50℃,理论伸长量大约是 80 毫米。同样的管长和温差换成碳钢,只有 60 毫米左右。管径越大、温度越高、直管段越长,这个数就越可观。
如果不给它补偿,把这根管子的两端死死固定住,管子内部就会产生热应力。热应力大致等于弹性模量乘以线膨胀系数再乘以温差。还用 304 举例,温差 280℃ 时,锁定的热应力能到 900 多兆帕,而 304 的屈服强度只有 200 兆帕出头。应力超过屈服强度好几倍,结果就是管子屈服变形,或者焊缝开裂、法兰漏。
补偿的办法有两条路。一是自然补偿,靠管道自己拐弯来解决,做成 L 形、Z 形或者方形弯,用弯头的弹性吸收位移,不额外加东西,最经济,但需要足够的空间和臂长。二是装补偿器,常用的是波纹管补偿器,产品按金属波纹管膨胀节通用技术条件 GB/T 12777 执行,另外还有套管式、球形、旋转式几种。
选波纹补偿器有几个要点。它的额定补偿量要留出余量,一般取计算热位移的 1.2 倍以上。它的公称压力要盖住系统最高工作压力。更关键的是固定支架要算清推力,因为波纹管会把这个力传出来。固定支架承受的力包括内压产生的盲板力、波纹管变形的弹性反力、摩擦力和水锤力。内压盲板力等于压力乘波纹有效面积,量级不小:公称压力 1.6 兆帕时,DN100 大约 12 千牛,DN200 约 50 千牛,DN300 约 110 千牛,管径再往大走能到几百千牛。这些力得靠混凝土支墩和预埋钢板来扛,普通管卡和角钢顶不住。
补偿器旁边还要配导向支架,让波纹管只做轴向伸缩,别受弯矩。常见的做法是:第一个导向支架距补偿器法兰端面不超过 4 倍公称直径,第二个导向支架距第一个不超过 14 倍公称直径,导向间隙只允许轴向滑动,不许横向窜动。少了导向,管子一热胀就横摆,波纹管被掰出弯矩,波峰容易失稳。
固定支架该设在哪,也有讲究。除了前面说的变径、分支、接口、穿越承重墙和楼板两侧,采用沟槽连接时还要在几个位置补固定支架:进水立管的管道底部,三通四通弯头这些管件部位,立管自由长度较长需要承担立管重量的地方,以及设了补偿器需要控制管道伸缩的部位。带热位移的管道,滑动和导向支架在安装时要往位移的反方向偏一点,给管子留出滑动的余地。
管道的抗震不是可选项。有抗震设防要求的建筑,《建筑机电工程抗震设计规范》GB 50981 对给水、消防、燃气这些机电管道的抗震支吊架有明确要求,抗震支吊架产品本身按《建筑抗震支吊架通用技术条件》GB/T 37267 执行。消防用薄壁不锈钢管的规程也直接引了这两本,要求按它们设抗震支架。
抗震支吊架和普通承重支吊架是两回事。承重支架管的是竖向自重,抗震支架管的是水平方向的地震作用,分成侧向支撑和纵向支撑两类,通过带斜撑的成品支架把管道和结构连起来。抗震支架的间距、角度、与结构的连接方式都要按规范和产品要求来,不能拿承重支架顺手替代。抗震设防区的新建、改扩建机电管道工程,这一项要在图纸阶段就纳入。
支吊架这件事,出问题多半不是技术难题,而是没写清楚、没人验收。图纸和合同里至少要把下面几项落实。支架的材质和做法:不锈钢管优先配不锈钢成品支架,用碳钢支架的必须注明绝缘隔离方式。间距要求:注明所依据的标准和具体数值,薄壁管不能套碳钢管的表。热补偿方案:哪些管段要补偿、用哪种补偿器、固定和导向支架设在哪、推力多大。抗震要求:是否设抗震支吊架、依据哪本规范、由谁深化设计。表面保护:管卡和接触部位的处理、专用工具的配备。
施工验收时重点看这几样。支架位置是否准确、埋设是否牢固、焊接是否饱满;滑动支架的滑动面是否清洁平整,有没有歪斜卡涩;导向支架的导向间隙是否符合要求;支架有没有直接焊在不锈钢管上,接触面有没有按要求加绝缘垫;不锈钢件和碳钢件是否分开堆放,工具是否分开使用。有承载要求的支吊架,还要做荷载试验确认承重达标。试压合格之前把这些查一遍,比事后返工便宜得多。
数据来源:来自公开网络。
钢管动力,关联公众号:钢标控。
不锈钢管的支架,为什么不能像碳钢那样直接焊上去?
碳钢管上焊支架很常见,不锈钢管上就要另说。把碳钢件直接焊在不锈钢管壁上,焊接的高温会破坏管壁表面的钝化膜,焊缝附近还可能敏化,耐蚀性跟着下降,等于在管子上留下一个固定的腐蚀源,而且焊上去以后没法拆换。行业里通行的做法是:支架用抱箍、管卡这类机械方式抱在管子上,接触面加绝缘垫;确有必要在管上焊接的,也只能用不锈钢件,并按不锈钢焊接的要求做焊后酸洗钝化。
支吊架的间距,能不能照搬碳钢管的那张表?
不能。间距由自重、介质重量、保温重量、附件集中荷载和管子允许的挠度、应力共同决定,管壁越薄,允许跨距越小。薄壁不锈钢管的支架间距,往往只有同口径碳钢钢管的一半左右。建筑给水薄壁不锈钢管有专门的间距表,滑动支架从 DN10 到 DN15 的水平管 1.0 米起,到 DN50 到 DN80 的 2.5 米;消防用管另有一张表。想省事去套碳钢钢管那张表(DN50 用 5 米),管子会明显下垂,接口受力也跟着变大。
碳钢支架和不锈钢管之间,到底怎么隔离?
原则是让两种金属不直接接触。可选的做法有:不锈钢管优先配不锈钢成品支架;必须用碳钢支架时,在管子和支架之间垫聚四氟乙烯垫、橡胶垫或不含氯离子的塑料垫,也可以在不锈钢管外包一层不锈钢垫板再上管卡;U 型抱箍穿软 PVC 管;松套法兰在碳钢法兰和不锈钢管之间衬橡胶、塑料或石棉橡胶板;穿墙穿楼板时用套管,套管与管子间隙不小于 10 毫米,填不含铁屑铁锈的绝缘材料。这些措施同时解决两件事:隔断电偶,挡住铁离子污染。
不锈钢管热胀比碳钢大多少,什么时候必须装补偿器?
不锈钢的线膨胀系数约 16 到 17.3×10⁻⁶/℃,碳钢约 12×10⁻⁶/℃,同样的管长和温差,不锈钢的位移比碳钢大三分之一到四成。算热膨胀量用公式:膨胀量等于线膨胀系数乘以管长再乘以温差。100 米 304 管、温差 50℃,理论伸长量约 80 毫米。是否必须装补偿器,要看这一段直管能不能靠自身拐弯自然补偿,以及固定点之间积累的位移有没有超出允许范围。位移大、直管段长、温度高的场合,通常要装波纹补偿器,并配够固定支架和导向支架。补偿量的额定值一般按计算热位移的 1.2 倍以上选取。
抗震支吊架是不是所有项目都要装?
不是所有项目都要,但抗震设防区的建筑机电管道工程基本绕不开。有抗震设防要求的建筑,按 GB 50981《建筑机电工程抗震设计规范》要对给水、消防、燃气等机电管道设置抗震支吊架,产品按 GB/T 37267《建筑抗震支吊架通用技术条件》执行。抗震支吊架管的是水平方向的地震作用,和只管竖向自重的承重支架是两套东西,要分开设计,不能互相替代。项目要不要做、做哪些部位,以设计和规范要求为准,别等到验收才想起来补。