建筑燃气立管的应力计算与热补偿

王维婷

摘 要： 建筑燃气管网敷设范围逐渐扩大，燃气在带给居民便利的同时，也产生一定的安全隐患。由于各类环境因素的变化，导致燃气立管的应力发生变化，严重情况下可能导致阀门破坏、调压器及管道设备损坏。通过计算燃气立管的应力，采取补偿措施，消除管道的应力，确保燃气管网的安全。本文简单探讨建筑燃气立管的应力计算和热补偿。

关键词：燃气设计；建筑燃气；应力计算；热补偿

中图分类号：TU996文献标识码： A

一．引言

燃气时可以提供给人们使用的各类气体燃料的总称，最早被发现的气体燃料是天然气，我国是世界上最早使用天然气的国家。随着资源的开发利用，燃气作为保障人们生活的气体燃料，无论是品种还是数量上，都在不断增长和扩大。可燃气体和空气混合到一定的浓度时，遇到明火极其容易引发爆炸。由于燃气的易爆性，因此安全成为燃气管道管理的重要项目。在燃气管道敷设后，由于环境的变化，导致管道各项指标和设计数值存在偏差，致使管道应力发生变化，最终产生恶劣事故。考虑到种种因素的影响，必须要及时采用适当措施，减少燃气管道的应力，确保管网的安全。

二.建筑燃气立管的应力计算

1.燃气立管的压缩应力。

建筑燃气立管的应力计算一般采用应力分类法，即对于管道由内压和持续外载所引起的一次应力，验算采用弹性分析和极限分析；对于管道由于热胀冷缩和其他位移受到约束所产生的二次应力及管件上的峰值应力，采用满足必要疲劳次数的许可应力范围来进行验算。

建筑燃气立管一般情况下并不负重，立管的一次应力主要来自于管道本体自重及内压。可以根据输气压力来计算选择管材的合理壁厚来解决由于内压所带来的一次应力。城市建筑燃气管道输送媒介主要采用中低压气体，通过选用水平敷设，燃气管道的一次应力主要依靠支架来解决。可以根据强度条件和刚度条件，来计算不同燃气立管管径需要的支架间距。在垂直情况下，燃气立管本体自重所产生的压缩应力计算公式为：

σ=W／A，式中：σ——压缩应力，MPa；

W——燃气管道自重，N；

A——立管截面积，m㎡。

在一定高度或长度的情况下，建筑燃气管道本体自重W和燃气立管截面积A成正比例关系，可与判定密度相同的燃气管材，其压缩应力和管径关系不大。例如，建筑楼层高度为100米，燃气立管采用φ57×3．5的无缝钢管时，立管的截面积A为588.3mm2,单位长度内燃气立管的管重为45．32N／m。计算得出压缩应力为7.70MPa，由于一般无缝钢管能够承受的应力为127MPa，因此对于100米的燃气立管，其自重所产生的压缩应力相对较小，不至于发生较大破坏作用。

2.温度变化对燃气立管的影响。

建筑燃气立管在安装固定后，由于立管的长度会随着环境温度的变化而发生变化，立管变形量大小主要取决于环境温度，对于管段的计算长度和管材的线胀系数可以根据以下公式来进行计算：

ΔL=α.Δt.L

公式中：ΔL----变形量；

α----线胀系数；

Δt----环境温度差；

L----管段长度。

將计算燃气立管管段的两端固定，就会产生热应力，所产生的热应力可以利用以下公式计算：

σt=EαΔt

公式中：σt----热应力；

E----弹性模数；（10号钢E=2.1×105 MPa）

Δt----环境温度差。

通过以上公式的计算，可以看出：热应力和环境温度变化量、燃气立管管道材质有关，和管道长度及管径无关。不同长度材质为无缝钢管的燃气立管，在不同的环境温度下，其伸缩量和热应力计算结果如下表所示：

通过以上的计算，可以看出，当环境温度差达到40℃时，无缝钢管的热应力为99.1MPa，基本上已经接近管道的许用应力，对应的每百米的伸缩量为47.2mm,此时必须要采取有效补偿措施。

3.热胀冷缩和其他位移约束产生的二次应力。

在城市建筑燃气管道设计中，热胀冷缩和其他位移约束所产生的二次应力也是设计时关心的重点问题。燃气立管管道由于温度差异所产生的伸缩量可以通过以下公式进行计算：

；

式中：——管道的伸缩量，mm；

——管材的线膨胀系数，钢管在20℃时，取℃；

——管道长度，m；

——管道在计算状态下的温度，℃；

——管道安装时温度，℃。

当燃气立管管道伸缩完全受到约束时，管道的热应力计算为：

；

式中：——热应力，MPa；

——设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，℃；

——管材的弹性模量，MPa，（普通钢在20℃时取MPa。）

从公式中可以看出，随着环境温度差的逐步升高，伸缩量逐步提高的同时，燃气立管的热应力也同时提高；立管管道长度增加，伸缩量也同时提高。以100米管道在不同环境温度差情况下，伸缩量和完全受约束时热应力计算结果，可以明显看出其变化规律。（计算结果如下表：）

通过计算可以得知，由环境温度差所造成的管道热应力是不可忽视的，为了避免燃气立管遭受破坏，必须要采取有效的补偿措施，让管材通过自身的伸缩来释放应力，达到提高管道安全的目的。

三.建筑燃气立管的热补偿

建筑燃气立管的热补偿主要是利用燃气管道弯曲管段的弹性变形、或者是在燃气管道上设置补偿器，来达到调节管道伸缩，减少管道应力的目的。在室内环境温差变化较小、管段较短时，可以利用燃气管道的L行、∏形和Z形的弯曲管道的弹性变形来补偿燃气管道的热伸长，即利用燃气立管的自然补偿；当室外具有较长管道或重要管道穿越燃气管道时，则必须要通过计算来选择合适的补偿器来进行热补偿。

1.方形补偿器。

方形补偿器是由钢管弯制或由弯头组焊而成。该种补偿器制造安装简便，不需特别维护；作用在固定支架上弹性力较小；补偿能力较大。但其外形尺寸较大；对安装环境要求较高；且影响管路整体美观。以DN50管道为例：补偿能力ΔL=50 mm时，其外伸长臂量H=970 mm。

选用方形补偿器时，需要通过下列公式来进行计算：

；

；

式中：Ls——补偿器伸出长度，mm；

ΔL——补偿能力(取值与伸缩量相同，根据表1中Δt=20℃时，ΔL=24mm)，mm；

D——管道外径，mm；

σbw——管道许用弯曲应力，MPa，钢管取75MPa；

K——比值，按经验取1；

L1——补偿器开口长度，mm。

在工程空间能够满足计算要求的条件时，或在露天架空管道时，可以选择采用方形补偿器，采用钢管管材直接焊接制作而成，明显的特点为制造方便、运行安全可靠、不需要经常维修。

2. 波形补偿器波形补偿器是靠波形管壁的弹性变形吸收管道的伸缩。该种补偿器优点是结构紧凑，占地面积小；但其补偿能力小，只能补偿轴向变形；维护保养也较困难。因此不推荐在埋地煤气管道上使用波形补偿器。波纹管补偿是利用波纹管横向位移对管道进行补偿。该种补偿方式结构紧凑，补偿能力大，管道耐压性能好；不需特别维护；有法兰、螺纹等多种连接方式。采用不同安装方式可对管道轴向及径向变形进行补偿,其补偿原理见下图。

波纹管补偿器的计算公式

n=ΔL／Lcom

式中：n——波节数；

Lcom——一个波节的补偿能力，mm，一般取20mm

波纹管补偿器结构简单，一般补偿能力较小，成对配置时可补偿弯曲管段的热伸长。为了使补偿器能够正常发挥作用，在现场安装过程中也要根据现场实际温度计算对所使用的补偿器进行预拉伸或压缩。

3.其他应力情况补偿。

除了需要考虑管材的自身应力情况和环境温度差情况外，同时要考虑到其他不可避免因素所造成的管道应力情况，例如外来物体的撞击、建筑物的沉降和地震等自然灾害，在管道设计时要采用保护栏、软管和增设紧急切断阀门等措施，确保建筑燃气输送安全。

四.结束语

建筑燃气立管的应力计算是保障燃气安全输送的重要保障，在管道设计时，要综合考虑各方面因素，切实提高燃气安全，为人们生活提供便利。

参考文献：

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