高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施

汤平传 王涛

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： A

1、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） 50 75 100 125 150 175 200

压缩应力（MPa） 3.875 5.812 7.750 9.687 11.625 13.562 15.500

注：钢管密度按ρg=7.9×103kg/m3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，

σ t=α·E·ΔT

式中：σ t——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ΔT的增大，ΔL和σ t都会增大；随着管长L的增大，ΔL将增大。

可见，在春秋两季安装管道，ΔT最小，管道的伸缩量ΔL和热应力σ t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。

表3 不同温差、管长与热伸缩量、热应力计算表

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。

（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/mm

20 25 32 40 50 65 80 100 150

外伸臂长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是按安装时冷拉ΔL/2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ΔT=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Tmin =5℃、最高环境温度分别为Tmax =40℃和Tmax =70℃，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

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、+表示预拉伸，-表示预压缩；

2、Tmax =40℃，按最高气温取值；Tmax =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