王維婷

摘 要： 建筑燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，燃?xì)庠趲Ыo居民便利的同時，也產(chǎn)生一定的安全隱患。由于各類環(huán)境因素的變化，導(dǎo)致燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力發(fā)生變化，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致閥門破壞、調(diào)壓器及管道設(shè)備損壞。通過計算燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力，采取補償措施，消除管道的應(yīng)力，確保燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全。本文簡單探討建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計算和熱補償。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庠O(shè)計；建筑燃?xì)?；?yīng)力計算；熱補償

中圖分類號：TU996文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一．引言

燃?xì)鈺r可以提供給人們使用的各類氣體燃料的總稱，最早被發(fā)現(xiàn)的氣體燃料是天然氣，我國是世界上最早使用天然氣的國家。隨著資源的開發(fā)利用，燃?xì)庾鳛楸Ｕ先藗兩畹臍怏w燃料，無論是品種還是數(shù)量上，都在不斷增長和擴(kuò)大?？扇?xì)怏w和空氣混合到一定的濃度時，遇到明火極其容易引發(fā)爆炸。由于燃?xì)獾囊妆?，因此安全成為燃?xì)夤艿拦芾淼闹匾椖?。在燃?xì)夤艿婪笤O(shè)后，由于環(huán)境的變化，導(dǎo)致管道各項指標(biāo)和設(shè)計數(shù)值存在偏差，致使管道應(yīng)力發(fā)生變化，最終產(chǎn)生惡劣事故?？紤]到種種因素的影響，必須要及時采用適當(dāng)措施，減少燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力，確保管網(wǎng)的安全。

二.建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計算

1.燃?xì)饬⒐艿膲嚎s應(yīng)力。

建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計算一般采用應(yīng)力分類法，即對于管道由內(nèi)壓和持續(xù)外載所引起的一次應(yīng)力，驗算采用彈性分析和極限分析；對于管道由于熱脹冷縮和其他位移受到約束所產(chǎn)生的二次應(yīng)力及管件上的峰值應(yīng)力，采用滿足必要疲勞次數(shù)的許可應(yīng)力范圍來進(jìn)行驗算。

建筑燃?xì)饬⒐芤话闱闆r下并不負(fù)重，立管的一次應(yīng)力主要來自于管道本體自重及內(nèi)壓。可以根據(jù)輸氣壓力來計算選擇管材的合理壁厚來解決由于內(nèi)壓所帶來的一次應(yīng)力。城市建筑燃?xì)夤艿垒斔兔浇橹饕捎弥械蛪簹怏w，通過選用水平敷設(shè)，燃?xì)夤艿赖囊淮螒?yīng)力主要依靠支架來解決。可以根據(jù)強度條件和剛度條件，來計算不同燃?xì)饬⒐芄軓叫枰闹Ъ荛g距。在垂直情況下，燃?xì)饬⒐鼙倔w自重所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力計算公式為：

σ=W／A，式中：σ——壓縮應(yīng)力，MPa；

W——燃?xì)夤艿雷灾兀琋；

A——立管截面積，m㎡。

在一定高度或長度的情況下，建筑燃?xì)夤艿辣倔w自重W和燃?xì)饬⒐芙孛娣eA成正比例關(guān)系，可與判定密度相同的燃?xì)夤懿模鋲嚎s應(yīng)力和管徑關(guān)系不大。例如，建筑樓層高度為100米，燃?xì)饬⒐懿捎忙?7×3．5的無縫鋼管時，立管的截面積A為588.3mm2,單位長度內(nèi)燃?xì)饬⒐艿墓苤貫?5．32N／m。計算得出壓縮應(yīng)力為7.70MPa，由于一般無縫鋼管能夠承受的應(yīng)力為127MPa，因此對于100米的燃?xì)饬⒐埽渥灾厮a(chǎn)生的壓縮應(yīng)力相對較小，不至于發(fā)生較大破壞作用。

2.溫度變化對燃?xì)饬⒐艿挠绊憽?/p>

建筑燃?xì)饬⒐茉诎惭b固定后，由于立管的長度會隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，立管變形量大小主要取決于環(huán)境溫度，對于管段的計算長度和管材的線脹系數(shù)可以根據(jù)以下公式來進(jìn)行計算：

ΔL=α.Δt.L

公式中：ΔL----變形量；

α----線脹系數(shù)；

Δt----環(huán)境溫度差；

L----管段長度。

將計算燃?xì)饬⒐芄芏蔚膬啥斯潭?，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可以利用以下公式計算：

σt=EαΔt

公式中：σt----熱應(yīng)力；

E----彈性模數(shù)；（10號鋼E=2.1×105 MPa）

Δt----環(huán)境溫度差。

通過以上公式的計算，可以看出：熱應(yīng)力和環(huán)境溫度變化量、燃?xì)饬⒐芄艿啦馁|(zhì)有關(guān)，和管道長度及管徑無關(guān)。不同長度材質(zhì)為無縫鋼管的燃?xì)饬⒐?，在不同的環(huán)境溫度下，其伸縮量和熱應(yīng)力計算結(jié)果如下表所示：

通過以上的計算，可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度差達(dá)到40℃時，無縫鋼管的熱應(yīng)力為99.1MPa，基本上已經(jīng)接近管道的許用應(yīng)力，對應(yīng)的每百米的伸縮量為47.2mm,此時必須要采取有效補償措施。

3.熱脹冷縮和其他位移約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力。

在城市建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計中，熱脹冷縮和其他位移約束所產(chǎn)生的二次應(yīng)力也是設(shè)計時關(guān)心的重點問題。燃?xì)饬⒐芄艿烙捎跍囟炔町愃a(chǎn)生的伸縮量可以通過以下公式進(jìn)行計算：

；

式中：——管道的伸縮量，mm；

——管材的線膨脹系數(shù)，鋼管在20℃時，取℃；

——管道長度，m；

——管道在計算狀態(tài)下的溫度，℃；

——管道安裝時溫度，℃。

當(dāng)燃?xì)饬⒐芄艿郎炜s完全受到約束時，管道的熱應(yīng)力計算為：

；

式中：——熱應(yīng)力，MPa；

——設(shè)計溫差，即管道在計算狀態(tài)下的溫度與安裝溫度的差，℃；

——管材的彈性模量，MPa，（普通鋼在20℃時取MPa。）

從公式中可以看出，隨著環(huán)境溫度差的逐步升高，伸縮量逐步提高的同時，燃?xì)饬⒐艿臒釕?yīng)力也同時提高；立管管道長度增加，伸縮量也同時提高。以100米管道在不同環(huán)境溫度差情況下，伸縮量和完全受約束時熱應(yīng)力計算結(jié)果，可以明顯看出其變化規(guī)律。（計算結(jié)果如下表：）

通過計算可以得知，由環(huán)境溫度差所造成的管道熱應(yīng)力是不可忽視的，為了避免燃?xì)饬⒐茉馐芷茐?，必須要采取有效的補償措施，讓管材通過自身的伸縮來釋放應(yīng)力，達(dá)到提高管道安全的目的。

三.建筑燃?xì)饬⒐艿臒嵫a償

建筑燃?xì)饬⒐艿臒嵫a償主要是利用燃?xì)夤艿缽澢芏蔚膹椥宰冃巍⒒蛘呤窃谌細(xì)夤艿郎显O(shè)置補償器，來達(dá)到調(diào)節(jié)管道伸縮，減少管道應(yīng)力的目的。在室內(nèi)環(huán)境溫差變化較小、管段較短時，可以利用燃?xì)夤艿赖腖行、∏形和Z形的彎曲管道的彈性變形來補償燃?xì)夤艿赖臒嵘扉L，即利用燃?xì)饬⒐艿淖匀谎a償；當(dāng)室外具有較長管道或重要管道穿越燃?xì)夤艿罆r，則必須要通過計算來選擇合適的補償器來進(jìn)行熱補償。

1.方形補償器。

方形補償器是由鋼管彎制或由彎頭組焊而成。該種補償器制造安裝簡便，不需特別維護(hù)；作用在固定支架上彈性力較小；補償能力較大。但其外形尺寸較大；對安裝環(huán)境要求較高；且影響管路整體美觀。以DN50管道為例：補償能力ΔL=50 mm時，其外伸長臂量H=970 mm。

選用方形補償器時，需要通過下列公式來進(jìn)行計算：

；

；

式中：Ls——補償器伸出長度，mm；

ΔL——補償能力(取值與伸縮量相同，根據(jù)表1中Δt=20℃時，ΔL=24mm)，mm；

D——管道外徑，mm；

σbw——管道許用彎曲應(yīng)力，MPa，鋼管取75MPa；

K——比值，按經(jīng)驗取1；

L1——補償器開口長度，mm。

在工程空間能夠滿足計算要求的條件時，或在露天架空管道時，可以選擇采用方形補償器，采用鋼管管材直接焊接制作而成，明顯的特點為制造方便、運行安全可靠、不需要經(jīng)常維修。

2. 波形補償器波形補償器是靠波形管壁的彈性變形吸收管道的伸縮。該種補償器優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??；但其補償能力小，只能補償軸向變形；維護(hù)保養(yǎng)也較困難。因此不推薦在埋地煤氣管道上使用波形補償器。波紋管補償是利用波紋管橫向位移對管道進(jìn)行補償。該種補償方式結(jié)構(gòu)緊湊，補償能力大，管道耐壓性能好；不需特別維護(hù)；有法蘭、螺紋等多種連接方式。采用不同安裝方式可對管道軸向及徑向變形進(jìn)行補償,其補償原理見下圖。

波紋管補償器的計算公式

n=ΔL／Lcom

式中：n——波節(jié)數(shù)；

Lcom——一個波節(jié)的補償能力，mm，一般取20mm

波紋管補償器結(jié)構(gòu)簡單，一般補償能力較小，成對配置時可補償彎曲管段的熱伸長。為了使補償器能夠正常發(fā)揮作用，在現(xiàn)場安裝過程中也要根據(jù)現(xiàn)場實際溫度計算對所使用的補償器進(jìn)行預(yù)拉伸或壓縮。

3.其他應(yīng)力情況補償。

除了需要考慮管材的自身應(yīng)力情況和環(huán)境溫度差情況外，同時要考慮到其他不可避免因素所造成的管道應(yīng)力情況，例如外來物體的撞擊、建筑物的沉降和地震等自然災(zāi)害，在管道設(shè)計時要采用保護(hù)欄、軟管和增設(shè)緊急切斷閥門等措施，確保建筑燃?xì)廨斔桶踩?/p>

四.結(jié)束語

建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計算是保障燃?xì)獍踩斔偷闹匾Ｕ?，在管道設(shè)計時，要綜合考慮各方面因素，切實提高燃?xì)獍踩?，為人們生活提供便利?/p>

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