李舒婷

(華潤(南京)市政設計有限公司，江蘇 南京 210000)

1 項目背景及工程概況

建甌市是位于福建省北部的一個地級市，主城區(qū)分為新城區(qū)和老城區(qū)，中間橫跨一條建溪河；在氣源方面，目前新城區(qū)新建成一座LNG氣化站，老城區(qū)的氣源主要來自于一座LNG瓶組站，隨著老城區(qū)天然氣用戶不斷增加，供氣需求增大，考慮到LNG瓶組站供氣穩(wěn)定性差、供氣量小等因素，為了保證老城區(qū)供氣的穩(wěn)定性，同時也將新老城區(qū)的管網(wǎng)連接起來形成環(huán)狀管網(wǎng)，現(xiàn)規(guī)劃沿水南橋架設一根中壓天然氣管道，水南橋是一座橫跨新老城區(qū)的鋼筋混凝土懸臂梁橋，全長220 m，經(jīng)現(xiàn)場勘察及與有關(guān)部門溝通后，燃氣管道采用隨橋敷設方案，管材選用無縫鋼管D159×5，管道設計壓力0.4 MPa、設計溫度20°C；

2 管道柔性設計的必要性

柔性設計是工程師繞不開的技術(shù)要點，工程師在設計過程當中，首先要懂得判斷哪類管系需要進行柔性設計,其次柔性設計通常采用哪幾種方式，就目前來看，設計時通常選用兩種方式來增加管道的柔性：①選用補償器補償，它是由一個波紋管和兩個端接組合而成，通過波紋管的變形來吸收管道的熱伸長，由于廠家提供補償量數(shù)據(jù)直觀，以往都作為管道柔性設計的首選；②自然補償，通過改變管道的走向(形式如L型、Z型以及空間立體型)以利用管道本身自然彎曲吸收管道的熱伸長，因Caesar II 壓力管道應力軟件尚未普及，未能直觀分析應力的分布情況，故較少采用，本文針對以上問題進行對管道柔性設計原理進行詳細闡述，通過對管道熱伸長量的計算和分析，以及了解支架形式及布置原則，并在此基礎(chǔ)上實戰(zhàn)演練兩種補償方式的設計步驟，并通過Caesar II 壓力管道軟件進行應力分析。

3 管道熱伸長量以及管道支架

3.1 管道熱伸長量計算

依據(jù)《動力管道設計手冊》，管道熱伸長量可按式(1)計算：

ΔL=αL(T2-T1)

(1)

式中，ΔL為管道的熱伸長量，mm;L為計算管長，m；ɑ為管材的線膨脹系數(shù)，cm/(m·℃)，取11.64×10-4cm/(m·℃)；T2為管道內(nèi)介質(zhì)溫度/℃，取90℃；T1為管道設計安裝溫度，℃，取20℃。

該工程隨橋敷設燃氣管道長度約為220 m，計算結(jié)果為172 mm,依據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB 50028—2006)要求，超過管道伸長量50 mm需增設補償措施，上述可知，隨橋敷設燃氣管道熱伸長量遠超過規(guī)定值,證實管系沒有設置補償措施情況無法在工作環(huán)境溫度下自然泄掉管系所產(chǎn)生的熱脹荷載(二次應力)，故應對管系進行柔性設計。

3.2 管道支架

管道支架布置應滿足以下三個原則：①固定支架之間管段的熱伸長量不得超過設計補償措施允許的補償量；②管段因熱脹產(chǎn)生的推力不得超過管道支架所能承受的允許推力值；③管道支架不宜使管道產(chǎn)生縱向彎曲，從而產(chǎn)生巨大彎矩；由于管道支架數(shù)量直接影響到管網(wǎng)的經(jīng)濟性，所以在滿足以上原則的情況下盡可能增大管道支架間距以減少數(shù)量。

4 波紋補償器設計步驟

4.1 波紋補償器的選型

波紋補償器由于結(jié)構(gòu)簡單、維修管理方便、占地小、補償量大等優(yōu)點在燃氣管道的工藝設計上被廣泛應用；根據(jù)內(nèi)部構(gòu)造特點，可以分為三類：軸向型、橫向型、角向型，依據(jù)燃氣管道工藝特點該工程選用軸向型內(nèi)壓式補償器(TNY)，主要吸收管道軸向位移、可少量吸收橫向、角向位移；參閱采購部提供的補償器手冊可知，DN150管徑最大補償量為78 mm,反推出管系利用固定點可以劃分出三個單元的直管段；依據(jù)《動力管道設計手冊》中表7-24顯示當波形補償器采用四波時，一般固定支架之間最大間距約60 m，如五波、六波、七波時其最大間距可相應增加1/4～3/4，同時基于波紋補償器波數(shù)越多越容易失穩(wěn)的條件下，波數(shù)采用不超過八波，故本工程每個單元固定點的間距劃分為72 m，共設置三組波紋補償器,依據(jù)式(1)，經(jīng)計算，每個單元直管段熱伸長量為57 mm，上述計算值往往被工程師作為選用波紋補償器型號的依據(jù)，而忽略了可能影響熱伸長量的因素，比如現(xiàn)場安裝時可能遇到空間限制無法按設計要求安裝固定支架，需要調(diào)整個別固定支架的位置，從而導致某直管段固定支架之間跨度大于設計所需的跨度要求；另一種情況燃氣管道在運行過程中，設計計算所依據(jù)的安裝溫度可能存在誤差，導致管系實際的溫度差可能與設計存在一定的偏差，那么波紋補償器的補償量要留有足夠的安全裕度，既補償量應大于1.2倍計算熱伸長量(68.4 mm)，綜上所述本工程選用軸向型內(nèi)壓式補償器(型號：0.6TNY150×8J),疲勞壽命次數(shù)1 500，軸向補償量78 mm，PN=0.6 MPa，軸向剛度125 N/mm,橫向剛度247 N/mm,有效面積A為257 cm2，法蘭連接波紋補償器總長290 mm。

4.2 波紋補償器的布置

依據(jù)《動力管道設計手冊》中6.4.3條補償器設置原則：①任意直管段上固定支架之間只能安裝一套波紋補償器；②軸向內(nèi)壓式波紋補償器一端應靠近固定支架處布置，為了避免波紋補償器失穩(wěn)，另一端應安裝直線導向支架，第一導向支架與波紋補償器間距L1應不大于4倍公稱直徑，第一與第二導向管架間距L2應不大于為14倍公稱直徑，其余中間導向支架最大跨距L3可按公式(2)計算：

(2)

式中，L3為中間管架最大間距cm;E為管道材料的彈性模量，MPa,取1.830×105MPa；I為管道截面二次矩，cm4,取651.9 cm4；P0為設計壓力，MPa；A為波紋補償器有效面積，cm2；ΔL為波紋補償器額定軸向位移,mm。

當波紋補償器預壓縮時采用(+)K×ΔL，預拉伸時采用(-)K×ΔL。

波紋補償器安裝簡圖見圖1。

圖1 波紋補償器安裝簡圖

對補償器進行軸向“預變形”，假設預變形量為ΔX，最低溫度取值為TD=0℃。

(3)

因ΔX為正，故應為“預拉伸”。

經(jīng)計算，L3中間導向支架最大跨距不應大于10.99 m，

水南橋波紋補償器安裝圖見圖2。

圖2 水南橋波紋補償器安裝圖(單位：m)

4.3 管道固定支架水平推力計算

接下來應進行波紋補償器固定支吊推力的計算，以保證設置的固定支架所承受的推力應大于計算推力。

1)兩端節(jié)點1、40固定支架水平推力FH可按式(4)計算：

FH=FA+FB+qμL1=19 642 N

(4)

式中，F(xiàn)A為波紋補償器的彈性力，N，按式(5)計算:

FA=KW×EX=8 550 N

(5)

式中，KW為波紋補償器軸向剛度：N/mm,取125 N/mm。

式中，EX為設計補償量，mm，取68.4 mm;FB為波紋管內(nèi)壓引起的水平推力，N,按式(6)計算：

FB=P0×Ai=8 995 N

(6)

式中，P0為管道內(nèi)介質(zhì)的工作壓力，MPa,取0.35 MPa;Ai為波紋管有效截面積，cm2，取257 cm2;qμL1為管道自重產(chǎn)生的摩擦反力，N,按式(7)計算：

qμL1=2 097 N

(7)

式中，q為管道單位長度計算載荷，N/m,取194.17 N/m;μ為管座與管架的摩擦系數(shù)，取0.15;L1為管道長度，m，取72 m。

2)中間節(jié)點14、27固定支架水平推力FH可按公式(8)計算：

FH=FA+FB+qμL1-0.7(F’A+F’B+qμL2)=4 063 N

(8)

FA=F’A=KW×EX=125×68.4=8 550 N

(9)

FB=F’B=F-P0A=8995-0.35×0.785(159-5×2)2=2 895 N

(10)

qμL2=qμL1=2 097 N

(11)

以上固定支架推力值作為固定支架本身的設計施工,材料選用的直接依據(jù)。

5 自然補償設計步驟

5.1 自然補償管系設計

自然補償具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少等特點，依據(jù)《動力管道設計手冊》可知，常用的有“L”型、“Z”型以及空間立體型等自然補償，自然補償?shù)墓艿辣坶L一般不應超過25 m,“L”型、“Z”型對于本工程來說具有局限性，而空間立體型只要滿足以下條件：①一根管道，管材管徑一致；②兩端必須是固定點；③中間無限位支架；④無分支管。

通過空間立體管段式(12)近似驗算判別是否滿足自然補償要求：

(12)

式中,DN為燃氣管道公稱直徑，mm。ΔL為燃氣管道三個方向熱伸長量的向量和，m；L為管道展開總長度，m；U為管道兩端固定點之間的直線距離，m。

計算結(jié)果為1.38，小于20.8，故本工程自然補償能力滿足要求。

5.2 管道固定支架水平推力計算

接下來應進行自然補償固定支架推力的計算，以保證設置的固定支架所承受的推力應大于計算推力。

1)節(jié)點10固定支架水平推力FH可按式(13)計算：

FH=FK1+qμL1=4 817+3 291=8 108 N

(13)

式中，F(xiàn)K1為自然補償?shù)膹椥粤?，N，按式(14)計算：

(14)

式中，qμL1為管道自重產(chǎn)生的摩擦反力，N,按式(7)計算qμL1=3 291 N。

2)節(jié)點44固定支架水平推力FH可按式(13)計算：

FH=FK1+qμL2=4 817+3 320=8 137 N

以上固定支架推力值作為固定支架本身的設計施工,材料選用的直接依據(jù)。

6 兩種補償措施應力校核

通過CAESAR II壓力管道軟件，從建模到一、二次應力校核合規(guī)過程中，可以直觀看到管道每個節(jié)點一、二次應力的分布情況，兩種補償措施節(jié)點位移以及一、二次應力最大值進行校核見表1。

表1 兩種補償措施應力計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：MPa

由表1可以看出，一、二次應力節(jié)點最大值均小于對應的許用應力值。

7 結(jié) 語

由此可見，當隨橋敷設燃氣管道超長的情況下，管道熱伸長也隨之增大，由于補償器結(jié)構(gòu)特點，補償量不應過大，以至于管道需要增設多個固定點，將管道分隔成更小單元分別補償，因?qū)潭ㄖё蟊仨毦哂凶銐虻膹姸龋猿惺軆?nèi)壓推力，對橋梁的結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)造成一定的破壞，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，補償器常被錯誤地用于調(diào)整管道安裝超差，使得補償器熱補償失效，從而增大管系被破壞的風險系數(shù)；顯然自然補償則更加簡單，故建議優(yōu)先采用自然補償。

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