拱形天然气管道的优化设计与施工要点

张纯静

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016）

1 拱形天然气管道概述

1.1 简述

在管道建设中常常遇到河流、湖泊、构建筑物及其它障碍物，管道建设不得不采用穿越或者架空跨越的方式，在河床稳定性差边坡冲刷严重的地方开挖管沟困难，架空跨越往往比较经济合理。拱形天然气管道是利用钢管自身的刚度，煨成一个圆弧形无铰拱的大跨度结构。拱形天然气管道除运输作用外，还可兼作支撑结构。一般跨越铁路、公路、河流和山谷时，采用拱管结构。拱形管道示意图见图1。

图1 拱形天然气管道示意图

1.2 矢跨比确定

拱形管道设计时，首先要确定管道的合理的矢跨比，即管拱的矢高与跨距之比[1]（f/L），矢跨比的大小，主要和管道自重、风荷载和温度有关，一般为1/12～1/4。

2 拱形天然气管道的设计

2.1 拱管的几何尺寸

2.1.1 圆弧半径

由勾股定理计算，化简后得

式中：f/L- 矢跨比；f- 矢高；L - 跨距。

2.1.2 半圆心角

2.1.3 弧长

2.2 拱管的受力分析

2.2.1 管道自重

式中：qp- 拱管单位长度管道重量，N/m；D- 跨越管道外径，m；δ - 跨越管道壁厚，m；ρs- 钢材的密度，kg/m3。

2.2.2 输送介质的重量

式中：qg- 拱管单位长度管道介质重量，N/m；T0，T- 标况下和输送天然气的热力学温度，K；Pa- 输送天然气平均压力，MPa；ρg- 天然气的密度，kg/m3。d- 跨越管道内径，m，Z- 输送天然气压缩系数；

也可按如下公式计算管道重量。

式中：q- 拱管单位长度的管道重量（包括管材、保温重、介质重等），kg/m。

2.2.3 拱管由垂直荷载作用在拱脚处产生的力

a.水平推力

b.轴向力

c.切力

d.弯矩

式中：Hg- 水平推力，N；Ng- 轴向力，N；Qg- 切力，N；Mg- 弯矩，N·m。

2.2.4 拱管由温度变化在拱脚处产生的力

a.水平推力

b.轴向力

c.切力

d.弯矩

式中：Ht- 水平推力，N；Nt- 轴向力，N；Qt- 切力，N；Mt- 弯矩，N·m。

2.2.5 拱管由风荷载作用在拱脚处产生的力

a.切力

b.弯矩

c.扭矩

式中：Qp- 切力，N；Mp- 弯矩，N·m；Mk- 扭矩，N·m。

2.2.6 输送介质工作压力产生的力

2.3 拱管强度核算

2.3.1 拱管压应力

2.3.2 拱管切应力

2.3.3 拱管主应力

2.4 拱管稳定性核算

2.4.1 当量计算长度

2.4.2 长细比

式中：i- 管道截面的回转半径，m。

2.4.3 相对偏心距

2.4.5 稳定验算应力

图1

图2

6 结论

6.1 通过应力的比较，校核选用的矢跨比的是否满足要求。若拱形管子满足强度要求，可进行拱形管道刚性支架的设计；若拱形管道不满足强度或稳定性要求，则参考计算数据采取相关措施后进行调整。

6.2 通过VB 软件设计计算应用程序，优化了计算方法，提高计算速度。

6.3 通过对拱形管道设计和施工的介绍，为设计人员和施工人员选择合理的程序提供参考。