蒸汽管道跨河架空敷设方案比较和优化设计

蒸汽管道跨河架空敷设方案比较和优化设计2010-7-26崔明耿房高冉摘要：对某蒸汽管道跨河工程的设计方案进行了筛选，选定自然补偿架空敷设方案。对自然补偿量进行了应力验算，可满足设计要求。采用加设补强肋板，解决了架空管道跨距大的问题，设计跨度满足理论计算结果。关键词：自然补偿；蒸汽管道；架空敷设；补强SchemeComparisonandOptimizationDesignforOverheadInstallationofSteamPipelineacrossRiverCUIYue，GENGFang，GAORanAbstract：Thedesignschemesofaprojectofsteampipelineacrossriverarescreened，andtheoverheadinstallationschemewithself-compensationisselected.Thestresscalculationoftheself-compensationiscarriedout，anditcanmeetthedesignrequirement.Theproblemoflargespanofoverheadpipelineissolvedbyaddingreinforcedplates，andthedesignspanmeetsthetheoreticalcalculationresult.Keywords：self-compensation；steampipeline；overheadinstallation；reinforcement1工程概况随着城市建设的快速发展，架空敷设供热管道逐渐被直埋或管沟敷设方式所取代，但是在许多特殊场所(如跨越河道等)，架空敷设仍然具有技术成熟、施工便捷的优势。在济南市小清河滨河南路供热管道跨全福河施工过程中，就遇到了蒸汽供热管道跨河的情况。该工程位于济南市北部地区全福河与小清河交口处，河道由8m拓宽至64m，原有供热管道需改建。改建后的供热管道规格为Ø78×9，输送介质为蒸汽，设计温度为300℃，设计压力为1.3MPa。2设计方案的比较2.1设计方案①方案1方案1为灌注桩基础架空跨越设计方案，设计平面图见图1。在河道内设计了3根灌注桩，作为滑动支架的支撑，灌注桩直径为1m，深度至河底标高以下12m，间距为16m，采取有补偿器的设计方式，河道内为钢管现场保温架空敷设，河道两侧为钢套钢直埋敷设。②方案2方案2为扩挖混凝土基础钢立柱架空跨越设计方案，设计平面图见图2。利用老河道的河墙作为两处滑动支架的支撑，在河道内新增4个扩挖混凝土基础钢立柱滑动支架，跨河管道采用自然补偿方式。③方案3方案3为河底穿越设计方案。该方案是按建设指挥部的要求提出的，是为了满足河道的景观要求。蒸汽管道不同于其他市政管道，采用河底穿越技术安全风险太大，设计单位与指挥部多次沟通后，指挥部放弃了该方案。2.2方案1、2的技术经济性比较①技术比较方案1采用了波纹管补偿器进行补偿，优点是可靠性较高、设计校核简单，技术上可行。方案2采用了自然补偿方式，理论上可行，但需进行应力验算，要实现两个滑动支架间的大跨度(26m)安装有一定难度。②经济性比较方案1的设计除正常管材外，比方案2增设钢套钢固定支座，且灌注桩的造价较高，施工也有一定难度。方案2由于省去了补偿器，且为扩挖基础，因此造价较低。两种方案的工程造价比较见表1。表1两种方案的工程造价比较方案方案1内容造价/元管子、附件及安装钢管长64m，钢套钢直埋保温管长26m，波纹管补偿器1件，钢套钢固定支座6件，弯头4个24×104土建施工灌注桩基础滑动支架3个18×104绝热层岩棉管壳保温+玻璃钢保护层3×104方案方案2内容造价/元管子、附件及安装钢管长90m，钢套钢固定支座2件，弯头4个15×104土建施工扩挖混凝土基础钢立柱滑动支架4个8×104绝热层岩棉管壳保温+玻璃钢保护层5×104③综合评价通过比较，方案1的技术安全易保证，缺点是造价高。方案2的造价较低，但必须进行两个方面的工作：一是进一步的应力验算，二是对跨度过大的滑动支架应采取补强措施。3方案2的优化设计通过方案比较，设计单位更倾向采用经济性较好的方案2，但是必须确保自然补偿能力和大跨距滑动支架的安全性。3.1自然补偿的应力验算①钢管膨胀量的计算[1]受热后钢管膨胀量△L的计算式为：△L=αl△tL(1)式中△L——钢管膨胀量，mαl——钢材的线胀系数，K-1，为1.26×10-5K-1△t一一管道设计温度与安装温度之差，℃，设计温度为300℃，安装温度为20℃L——管道长度，m由式(1)计算，对于图2中管道长臂L1，△L1=215mm；对于图2中管道短臂L2，△L2=43.7mm。管道空间伸长量△LS的计算式为：式中△LS——管道空间伸长量，m由式(2)计算得，△LS=219.4mm②自然补偿能力的验算对于自然补偿能力的验算，可采用计算软件、验算式两种方法。首先，通过补偿应力计算软件对方案2的自然补偿设计进行应力验算。输入计算条件为：各管段的长度、管道公称直径、管道壁厚、弯头弯曲半径、安装温度、供热介质温度等。跨河段应力验算结果符合安全要求。其次，采用验算式进行验算[2]：式中Dn——管道公称直径，mmLa——管道展开总长度，m将已知参数代入式(3)，验算结果满足式(3)。上述两种验算方法结论相同，证明管道布置安全。为了提高安全性，设计单位参考了方形补偿器的安装工艺[3]，在施工时对河道两侧的短臂进行了与热膨胀反向的冷拉，冷拉长度为空间伸长量的20%～30%，约60mm，使自然补偿的安全性得到了进一步保证。3.2架空管道跨距过大问题的解决DN450mm架空蒸汽管道最大允许跨距推荐值为18m。对于26m的大跨距，设计单位提出4种解决方法：进行管道补强处理(加设补强肋板)、采用拱形管道、采用悬索管架、大管背小管。后3种方法不同程度存在材料加工复杂、现场施工工期长、工艺复杂、造价高的缺点。因此，这里主要探讨第1种方法的可行性。①补强肋板布置及相关计算参数该方法通过增大管道截面系数，使滑动支架跨距增加30%～60%[4]，而多消耗的金属不会超过管子重量的10%。当滑动支架间距较长时，可以在滑动支架处管道上方加焊肋板，肋板可用扁钢或钢板制成，补强肋板的布置见图3。图中，Ls为两个滑动支架之间的距离，单位为m；Lr为滑动支架支点距肋板最远端的距离，单位为m，取Lr=0.1Ls。上肋板剖面图见图4，图中，φ为肋板与管子截面中心垂直线的夹角，单位为(°)；δ为肋板厚度，单位为m；h为肋板高度，单位为m；点S为管道补强后的重心，点O为坐标原点；L3为点S、O间距离，单位为m；L4为点S距肋板上端的垂直距离，单位为m；Lsum为L3、L4之和，单位为m。图4中两侧肋板轴线交于点S。②最大跨距的理论计算未补强跨越管道截面惯性矩，的计算式为：式中I——未补强跨越管道截面惯性矩，m4Do——管子外径，mDi——管子内径，m未补强跨越管道截面系数形的计算式为：式中W——未补强跨越管道截面系数，m3已知参数为：Do=478mm，Di=460mm，δ=18mm，h=250mm，φ=16°。将已知参数代入，由式(4)、(5)计算得，I=36474cm4，W=1586cm3。点S、O间距离L3的计算式为：式中A——管壁截面积，m2补强跨越管道截面惯性矩Ic的计算式为：式中Ic——补强跨越管道截面惯性矩，m4补强跨越管道截面系数Wc的计算式为：式中Wc——补强跨越管道截面系数，m3将已知参数代入，由式(6)、(7)计算得，L3=354mm，Ic=80967cm4。根据图4，利用相似三角形原理计算得出Lsum=576mm，从而得到L4=222mm。由式(8)计算得到，取=3647cm3。补强后滑动支架跨距L′c，的计算式为：式中L′c——补强后滑动支架跨距，mLc——未补强滑动支架允许跨距，m，取18m将已知参数代入式(9)，计算得到L′c=27.3m。通过计算可知，滑动支架设计跨距26m小于最大允许跨距27.3m，可以满足要求。设计单位考虑到实际中可能遇到的不可预见因素，在跨距中部的管道下方增加复合肋板(见图5)，以增加管道的稳定性。4结语该工程自2008年11月投入运行，经过连续运行的检验，运行状态良好。设计时应充分利用现场有利条件选择最佳设计方案，自然补偿方式的经济性较好。架空敷设蒸汽管道设计中，可以考虑自然补偿与补强管道增大跨距方法的结合。参考文献：[1]彭荣杰.自然补偿器的设计和应用[J].广东化工，2009，(7)：256-257.[2]李善化，康慧.集中供热设计手册[M].北京：中国电力出版社，1996.[3]肖健昌.管道应力分析及热补偿在外管工程设计中的应用[J].云南化工，2000，(3)：26-30.[4]施振球.动力管道手册[M].北京：机械工业出版社，1994