高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施

CONSTRUCTION技术探讨高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施汤平传1　王　涛21.中国市政工程华北设计研究总院深圳分院　广东深圳　5180142.中国石油天然气管道工程有限公司珠海分公司　广东珠海　519015摘　要：通过对高层建筑燃气管道的应力分析，计算不同应力条件下管道的伸缩形变量和应力的影响，提出管道补偿器的选择和安装建议，保证燃气管道安全运行。关键词：高层建筑；燃气管道；应力分析；补偿器选择中图分类号：TU208 文献标识码：A1、前言高层建筑管道较长，自重和环境温度的变化导致管道受到重力产生的应力和热应力的作用。当应力达到一定程度时，会造成管道扭曲、断裂，引发事故。鉴于高层建筑的特殊性，本文将结合工程实际，对高层建筑管道燃气设计中的管道应力与补偿措施，进行简单分析和探讨。2、应力分析（1）管道自重产生的压缩应力σ=G/A式中：σ——压缩应力，MPa；　　　G——燃气管道自重，N；　　　A——立管截面积，mm2。以20#无缝钢管为例，分别计算在不同高度时，重用产生的压缩应力，计算结果见表2。表2　立管长度与压缩应力计算表立管长度（m）5075100125150175200压缩应力（MPa）3.8755.8127.7509.68711.62513.56215.500注：钢管密度按计算。20#无缝钢管许用应力为127MPa，因此对于200m以下的高层建筑，其立管自重产生的压缩应力不足许用应力的20%，通常不会发生破坏。（2）管道因环境温差产生的伸缩量ΔL=1000α·L·ΔT式中：ΔL——管道的伸缩量，mm；α——管材的线膨胀系数，对普通钢管在20℃时，取12×10-6K-1；L——管道长度，m；ΔT——管道安装温度与计算温度的温差，℃。（3）管道热应力管道的伸缩完全受到约束时，产生的热应力下面公式计算，σt=α·E·ΔT式中：σt——热应力，MPa；E——管材的弹性模量，MPa；对普通钢材在20℃时，取2.10×105MPa.从公式可以看出，随着的增大，和都会增大；随着管长L的增大，也将增大。可见，在春秋两季安装管道，最小，管道的伸缩量和热应力也最小。管道的伸缩量和热应力的影响，在管道设计时不可忽视，应采取有效的补偿措施。3、补偿器的选择与安装在不同温差条件下，不同长度的立管产生的伸缩量和热应力，计算结果如表3所示。常用的补偿器有4种，即L型补偿器、Z型补偿器、π型补偿器和波纹补偿器。在燃气管道设计中，常用后面2种补偿器。表1　不同温差、管长与热伸缩量、热应力计算表　　　（m）（℃）　　　50（17F）75（25F）100（33F）125（43F）150（50F）175（58F）200（67F）10℃（mm）3.04.56.07.59.010.512.0（MPa）12.612.612.612.612.612.612.615℃（mm）6.09.012.015.018.021.024.0（MPa）25.225.225.225.225.225.225.220℃（mm）9.013.518.022.527.031.536.0（MPa）37.837.837.837.837.837.837.825℃（mm）12.018.024.030.036.042.048.0（MPa）50.450.450.450.450.450.450.430℃（mm）15.022.530.037.545.052.560.0（MPa）63.063.063.063.063.063.063.035℃（mm）18.027.036.045.054.063.072.0（MPa）75.675.675.675.675.675.675.640℃（mm）21.031.542.052.563.073.584.0（MPa）88.288.288.288.288.288.288.245℃（mm）24.036.048.060.072.084.096.0（MPa）100.8100.8100.8100.8100.8100.8100.850℃（mm）27.040.554.067.581.094.5108.0（MPa）113.4113.4113.4113.4113.4113.4113.455℃（mm）30.045.060.075.090.0105.0120.0（MPa）126.0126.0126.0126.0126.0126.0126.060℃（mm）33.049.566.082.599.0115.5132.0（MPa）138.6138.6138.6138.6138.6138.6138.665℃（mm）36.054.072.090.0108.0126.0144.0（MPa）151.2151.2151.2151.2151.2151.2151.270℃（mm）39.058.578.097.5117.0136.5156.0（MPa）163.8163.8163.8163.8163.8163.8163.8（1）π型补偿选型安装π型补偿器是由4个90°弯头组成，常用的有4种类型，如图1所示。图1　π型补偿器简图π型补偿器的自由臂（导向支架至补偿器外伸臂的距离），一般为40倍公称直径的长度。π型补偿器安装时，一般必须预拉伸，预拉伸第4卷　第25期2014年9月CONSTRUCTION技术探讨量为计算热拉伸量的50%。π型补偿器的选型对照表，详见表4。表4　π型补偿器选型对照表补偿能力/mm型号公称直径DN/mm20253240506580100150外伸臂长/mm301450520570——————2530580630670—————3600760820850—————4—760820850—————5015706507207607908609301000—26907508308708809109301000—3790850930970970980980——4—106011201140105012401240——7516807908609209501050110012201530283093010201070108012201200130015303980106011501220118014501250135016004—13501410143014501710135014501650100178091098010501100120012701400173029701070117012401250133014001530183031140125013601430145014701500160018304—160017001780170017101720173019801501—110012601270131014001570173021202—133014501540155016601760192022803—156017001800183018701900205024004———2070217022002200226025702001—124013701510151017001830200024702—154017001810181020002070225027003——20002100210022202300245028504————27202750277027803130注：表中是按安装时冷拉计算的。如采用褶皱弯头，补偿能力可增加1/3～1倍。（2）波纹补偿器的选型安装波纹补偿器选型，需要确定波节数，按下列公式计算n=ΔL/Lmin式中：n——波节数；Lmin——单个波节的补偿能力，mm；取10mm，或参见厂家样本；当设计温差20℃时，100m（33F）的高层建筑需在中间层（17F）处设置1个四波节的补偿器，即可消除立管热伸缩量的影响。若要更大限度的消除热应力，需适当增加补偿器的数量。波纹补偿器安装时，必须预拉伸或压缩安装，拉伸量或压缩量取决于管道的伸缩量和安装温度，计算公式如下：式中：ΔX——波纹补偿器的预处理量，mm；+表示预拉伸，-表示预压缩；ΔL——波纹补偿器的补偿量，取管道在最大环境温差下的热伸缩量，mm；Tc——管道的安装温度，℃；Tmax——最高环境温度，℃；Tmin——最低环境温度，℃；下面以100m（33F）高层建筑为例，按照最低环境温度、最高环境温度分别为，计算在不同安装温度下，波纹补偿器的预处理量，结果如下表所示。表5　不同安装温度下预处理量计算表=40℃=70℃/℃/m/mm/mm/℃/m/mm/mm510042.0021.00510078.0039.001010042.0015.001010078.0033.001510042.009.001510078.0027.002010042.003.002010078.0021.002510042.00-3.002510078.0015.003010042.00-9.003010078.009.003510042.00-15.003510078.003.004010042.00-21.004010078.00-3.00注：1、+表示预拉伸，-表示预压缩；2、=40℃，按最高气温取值；=70℃，按外墙面最高温度取值。3、实际工程中，需按照当地气象参数和安装温度计算，上表仅为举例计算。（3）补偿措施在实际工程中，需每隔5-7层设置管道固定支架，以承受立管的自重；同时避免底部压缩应力过大，设置1个波纹补偿器和1个分段阀门，以克服管道因温差而引起的应力和形变，方便运行和维修。4、结语高层建筑燃气管道设计过程中，需要注意的地方还有很多，本文只是在总结多年工程设计经验的基础上，对管道应力和补偿问题进行了一些分析和探讨，为从事燃气设计工作的同行提供一些肤浅思路，如有考虑不周之处，还请批评指正。参考文献：[1]《城镇燃气设计规范》GB50028-2006[2]《全国民用建筑工程设计技术措施手册（2003）暖通空调·动力》[3]《动力管道设计手册》，主编：《动力管道设计手册》编写组，机械工业出版社，2006.01第4卷　第25期2014年9月文章被我刊收录，以上为全文。此文章编码：2014S　 　2011高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施作者：汤平传，王涛作者单位：汤平传(中国市政工程华北设计研究总院深圳分院广东深圳518014)，王涛(中国石油天然气管道工程有限公司珠海分公司广东珠海519015)刊名：城市建设理论研究（电子版）英文刊名：ChengShiJiansheLiLunYanJiu年，卷(期)：2014(25)参考文献(3条)1.城镇燃气设计规范2.全国民用建筑工程设计技术措施手册(2003)暖通空调·动力3.《动力管道设计手册》编写组动力管道设计手册2006引用本文格式：汤平传.王涛高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版）2014(25)