高層建筑燃氣管道應力分析與補償措施

湯平傳 王濤

摘要：通過對高層建筑燃氣管道的應力分析，計算不同應力條件下管道的伸縮形變量和應力的影響，提出管道補償器的選擇和安裝建議，保證燃氣管道安全運行。

關鍵詞：高層建筑；燃氣管道；應力分析；補償器選擇。

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

1、前言

高層建筑管道較長，自重和環境溫度的變化導致管道受到重力產生的應力和熱應力的作用。當應力達到一定程度時，會造成管道扭曲、斷裂，引發事故。

鑒于高層建筑的特殊性，本文將結合工程實際，對高層建筑管道燃氣設計中的管道應力與補償措施,進行簡單分析和探討。

2、應力分析

（1）管道自重產生的壓縮應力

σ =G/A

式中：σ ——壓縮應力，MPa；

G——燃氣管道自重，N；

A——立管截面積，mm2。

以20#無縫鋼管為例，分別計算在不同高度時，重用產生的壓縮應力，計算結果見表2。

表2 立管長度與壓縮應力計算表

立管長度（m） 50 75 100 125 150 175 200

壓縮應力（MPa） 3.875 5.812 7.750 9.687 11.625 13.562 15.500

注：鋼管密度按ρg=7.9×103kg/m3計算。

20#無縫鋼管許用應力為127MPa，因此對于200m以下的高層建筑，其立管自重產生的壓縮應力不足許用應力的20%，通常不會發生破壞。

（2）管道因環境溫差產生的伸縮量

ΔL=1000α·L·ΔT

式中：ΔL——管道的伸縮量，mm；

α——管材的線膨脹系數，；對普通鋼管在20℃時，取12×10-6K-1；

L——管道長度，m；

ΔT——管道安裝溫度與計算溫度的溫差，℃。

（3）管道熱應力

管道的伸縮完全受到約束時，產生的熱應力下面公式計算，

σ t=α·E·ΔT

式中：σ t——熱應力，MPa；

E——管材的彈性模量，MPa；對普通鋼材在20℃時，取2.10×105MPa.

從公式可以看出，隨著ΔT的增大，ΔL和σ t都會增大；隨著管長L的增大，ΔL將增大。

可見，在春秋兩季安裝管道，ΔT最小，管道的伸縮量ΔL和熱應力σ t也最小。管道的伸縮量和熱應力的影響，在管道設計時不可忽視，應采取有效的補償措施。

3、補償器的選擇與安裝

在不同溫差條件下，不同長度的立管產生的伸縮量和熱應力，計算結果如表3所示。

表3 不同溫差、管長與熱伸縮量、熱應力計算表

L（m）

ΔT（℃） 50

（17F） 75

(25F) 100

(33F) 125

(43F) 150

(50F) 175

(58F) 200

(67F)

10℃ ΔL(mm) 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0

σ t(MPa) 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6

15℃ ΔL(mm) 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0

σ t(MPa) 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2

20℃ ΔL(mm) 9.0 13.5 18.0 22.5 27.0 31.5 36.0

σ t(MPa) 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8

25℃ ΔL(mm) 12.0 18.0 24.0 30.0 36.0 42.0 48.0

σ t(MPa) 50.4 50.4 50.4 50.4 50.4 50.4 50.4

30℃ ΔL(mm) 15.0 22.5 30.0 37.5 45.0 52.5 60.0

σ t(MPa) 63.0 63.0 63.0 63.0 63.0 63.0 63.0

35℃ ΔL(mm) 18.0 27.0 36.0 45.0 54.0 63.0 72.0

σ t(MPa) 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6

40℃ ΔL(mm) 21.0 31.5 42.0 52.5 63.0 73.5 84.0

σ t(MPa) 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2

45℃ ΔL(mm) 24.0 36.0 48.0 60.0 72.0 84.0 96.0

σ t(MPa) 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8

50℃ ΔL(mm) 27.0 40.5 54.0 67.5 81.0 94.5 108.0

σ t(MPa) 113.4 113.4 113.4 113.4 113.4 113.4 113.4

55℃ ΔL(mm) 30.0 45.0 60.0 75.0 90.0 105.0 120.0

σ t(MPa) 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0

60℃ ΔL(mm) 33.0 49.5 66.0 82.5 99.0 115.5 132.0

σ t(MPa) 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6

65℃ ΔL(mm) 36.0 54.0 72.0 90.0 108.0 126.0 144.0

σ t(MPa) 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2

70℃ ΔL(mm) 39.0 58.5 78.0 97.5 117.0 136.5 156.0

σ t(MPa) 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8

常用的補償器有4種，即L型補償器、Z型補償器、π型補償器和波紋補償器。在燃氣管道設計中，常用后面2種補償器。

（1）π型補償選型安裝

π型補償器是由4個90°彎頭組成，常用的有4種類型，如圖1所示。

圖1 π型補償器簡圖

π型補償器的自由臂（導向支架至補償器外伸臂的距離），一般為40倍公稱直徑的長度。π型補償器安裝時，一般必須預拉伸，預拉伸量為計算熱拉伸量的50%。

π型補償器的選型對照表，詳見表4。

表4 π型補償器選型對照表

補償能力

/mm 型號 公稱直徑DN/mm

20 25 32 40 50 65 80 100 150

外伸臂長H (=a+2R) /mm

30 1 450 520 570 — — — — — —

2 530 580 630 670 — — — — —

3 600 760 820 850 — — — — —

4 — 760 820 850 — — — — —

50 1 570 650 720 760 790 860 930 1000 —

2 690 750 830 870 880 910 930 1000 —

3 790 850 930 970 970 980 980 — —

4 — 1060 1120 1140 1050 1240 1240 — —

75 1 680 790 860 920 950 1050 1100 1220 1530

2 830 930 1020 1070 1080 1220 1200 1300 1530

3 980 1060 1150 1220 1180 1450 1250 1350 1600

4 — 1350 1410 1430 1450 1710 1350 1450 1650

100 1 780 910 980 1050 1100 1200 1270 1400 1730

2 970 1070 1170 1240 1250 1330 1400 1530 1830

3 1140 1250 1360 1430 1450 1470 1500 1600 1830

4 — 1600 1700 1780 1700 1710 1720 1730 1980

150 1 — 1100 1260 1270 1310 1400 1570 1730 2120

2 — 1330 1450 1540 1550 1660 1760 1920 2280

3 — 1560 1700 1800 1830 1870 1900 2050 2400

4 — — — 2070 2170 2200 2200 2260 2570

200 1 — 1240 1370 1510 1510 1700 1830 2000 2470

2 — 1540 1700 1810 1810 2000 2070 2250 2700

3 — — 2000 2100 2100 2220 2300 2450 2850

4 — — — — 2720 2750 2770 2780 3130

注：表中ΔL是按安裝時冷拉ΔL/2計算的。如采用褶皺彎頭，補償能力可增加1/3～1倍。

（2）波紋補償器的選型安裝

波紋補償器選型，需要確定波節數，按下列公式計算

n=ΔL/Lmin

式中：n——波節數；

Lmin——單個波節的補償能力，mm；取10mm，或參見廠家樣本；

當設計溫差ΔT=20℃時，100m（33F）的高層建筑需在中間層（17F）處設置1個四波節的補償器，即可消除立管熱伸縮量的影響。若要更大限度的消除熱應力，需適當增加補償器的數量。

波紋補償器安裝時，必須預拉伸或壓縮安裝，拉伸量或壓縮量取決于管道的伸縮量和安裝溫度，計算公式如下：

式中：ΔX——波紋補償器的預處理量，mm；+表示預拉伸，-表示預壓縮；

ΔL——波紋補償器的補償量，取管道在最大環境溫差下的熱伸縮量，mm；

Tc——管道的安裝溫度，℃；

Tmax——最高環境溫度，℃；

Tmin——最低環境溫度，℃；

下面以100m（33F）高層建筑為例，按照最低環境溫度Tmin =5℃、最高環境溫度分別為Tmax =40℃和Tmax =70℃，計算在不同安裝溫度下，波紋補償器的預處理量，結果如下表所示。

表5 不同安裝溫度下預處理量計算表

Tmax =40℃ Tmax =70℃

Tc /℃ L/m ΔL /mm ΔX/mm Tc /℃ L/m ΔL /mm ΔX/mm

5 100 42.00 21.00 5 100 78.00 39.00

10 100 42.00 15.00 10 100 78.00 33.00

15 100 42.00 9.00 15 100 78.00 27.00

20 100 42.00 3.00 20 100 78.00 21.00

25 100 42.00 -3.00 25 100 78.00 15.00

30 100 42.00 -9.00 30 100 78.00 9.00

35 100 42.00 -15.00 35 100 78.00 3.00

40 100 42.00 -21.00 40 100 78.00 -3.00

注：1、+表示預拉伸，-表示預壓縮；

2、Tmax =40℃，按最高氣溫取值；Tmax =70℃，按外墻面最高溫度取值。

3、實際工程中，需按照當地氣象參數和安裝溫度計算，上表僅為舉例計算。

（3）補償措施

在實際工程中，需每隔5-7層設置管道固定支架，以承受立管的自重；同時避免底部壓縮應力過大，設置1個波紋補償器和1個分段閥門，以克服管道因溫差而引起的應力和形變，方便運行和維修。

4、結語

高層建筑燃氣管道設計過程中，需要注意的地方還有很多，本文只是在總結多年工程設計經驗的基礎上，對管道應力和補償問題進行了一些分析和探討，為從事燃氣設計工作的同行提供一些膚淺思路，如有考慮不周之處，還請批評指正。

參考文獻

[1]《城鎮燃氣設計規范》GB50028-2006

[2]《全國民用建筑工程設計技術措施手冊（2003）暖通空調·動力》

[3]《動力管道設計手冊》，主編：《動力管道設計手冊》編寫組，機械工業出版社，2006.01