綜合管廊內(nèi)天然氣管道補償器計算分析

李哲

（山西省燃氣規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，太原030024）

1 引言

地下綜合管廊是將天然氣、通信、給排水、電力等多種市政管線集中于城市道路下面建設(shè)的一個共用隧道，從而對地下空間進行綜合利用，便于地下管線的統(tǒng)一管理。天然氣管道進入綜合管廊首先要考慮的問題就是安全問題。

綜合管廊內(nèi)設(shè)有送、排風(fēng)系統(tǒng)，綜合管廊內(nèi)溫度會隨著室外溫度的變化而變化。天然氣管道為金屬管道，在管廊內(nèi)架空敷設(shè)，管道會因廊內(nèi)溫度的變化而產(chǎn)生熱脹、冷縮現(xiàn)象，管道隨之產(chǎn)生的二次應(yīng)力可能會破壞焊縫或加速焊縫應(yīng)力腐蝕。合理設(shè)置補償器是保證天然氣管道進入綜合管廊本質(zhì)安全的關(guān)鍵要點。

2 補償器的類型

補償器主要用于補償管道由于溫度變化而引起的熱脹冷縮。補償器包含自然補償器和設(shè)備補償器，常用的自然補償器有L 形補償器和Z 形補償器；常用的設(shè)備補償器有方形補償器、波紋補償器、套筒補償器、球形補償器等。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

紫林路綜合管廊位于山西省轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)，全長7.9 km，管廊高3.6 m，寬2.3 m。管廊內(nèi)設(shè)計1 根燃氣管道，燃氣管道選用無縫鋼管（20#），執(zhí)行標準為GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》，管道規(guī)格為D508 mm×8 mm、D406 mm×8 mm、D325 mm×8 mm。燃氣管道彎頭選用長半徑彎頭R=1.5D（D為管道直徑），燃氣管道補償選用L 形補償器和方形補償器。

3.2 管道熱伸長量

管道熱伸長量計算如下：

式中，△x為固定支座之間的管道計算熱伸長量，m；α 為管道的線型膨脹系數(shù)，α=11.18×10-6m/（m·℃）；△T為管道運行與安裝時的溫差；根據(jù)田輝芳[1]的研究，燃氣艙內(nèi)天然氣管道溫差不超過30 ℃，本項目為保證安全，設(shè)計溫差采用40 ℃；L為管道長度，m。

3.3 L形補償器

由于地形、管廊交叉等原因，管廊需轉(zhuǎn)彎、改變走向，該項目局部利用L形補償器，對燃氣管道的轉(zhuǎn)彎、上下高差變化進行補償。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》（第二版），當(dāng)轉(zhuǎn)角不大于150°時，管道長臂L1不宜超過20～25m，見圖1。

圖1 L形補償器

L2短臂長度可按式（2）估算：

式中，L1為長臂長度，m；L2為短臂長度，m；△L1為長臂L1的熱伸長量，mm；d0為管道外徑，mm。

根據(jù)計算，短臂L2（DN500 mm）≤5 m，L2（DN400 mm）≤4.4 m，L2（DN300 mm）≤3.9 m。

3.4 方形補償器

管廊內(nèi)方形補償器的應(yīng)力計算步驟：（1）根據(jù)管廊高度及安裝要求，選定方形補償器的形式和尺寸；（2）根據(jù)選定的尺寸，對其彈性力進行計算，并核算其補償能力，見圖2。

圖2 方形補償器

3.4.1 方形補償器尺寸

根據(jù)管廊高度（H=3.6 m）及管道安裝要求，確定L2方尺寸，對方形補償器進行選型[2]，確定L3方尺寸，L1方一般取40DN，見表1。

表1 方形補償器尺寸表

3.4.2 確定彈性中心坐標

方形補償器的彈性中心坐標位置為：

式（3）～式（7）中，L1方為兩邊的自由臂長，一般取40DN；L2方為外伸臂的直管段長，m；L3方為寬邊的直管段長，m；Lzh為折算長度，m；Kr為彎管柔性系數(shù)；λ 為彎管尺寸系數(shù)；rp為管子平均半徑，mm，rp=（d0-S）/2，S為管道壁厚，mm；R為彎頭的曲率半徑，R=1.5D（D為管道直徑）。

3.4.3 彈性力計算

方形補償器彈性力包括x方向和y方向，由于y方向彈性力很小，故僅考慮x方向彈性力，彈性力計算如下：

式（8）～式（10）中，Pt.x為方形補償器x方向的彈性力，N；Pt.y為方形補償器y方向的彈性力，N；E為鋼材在20 ℃時的彈性模數(shù)，E=1.980 9×105N/m2；I為管道斷面的慣性矩，m4；Ix0為折算管段對x0軸的線慣性矩，m3；di為管道內(nèi)徑，mm。

3.4.4 彎矩計算

最大的彎曲力矩Mmax：

管道危險截面上最大彎曲應(yīng)力σf按式（13）計算：

式（11）～式（15）中，Mmax為最大彈性力下的彎曲力矩，N·m；W為管道斷面抗彎矩，m3；m為彎管應(yīng)力加強系數(shù)；H為方形補償器的高度，m。

3.4.5 應(yīng)力要求

管道由于熱脹冷縮和其他位移受約束而產(chǎn)生的二次應(yīng)力不得大于下式計算的許用應(yīng)力值[σf]：

3.4.6 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表2。

表2 計算表

3.5 支座設(shè)置

綜合管廊內(nèi)燃氣管道支座主要為固定支座、導(dǎo)向支座和滑動支座。

1）固定支座。固定支座用于限制管道位移，將管道分割并進行補償。

2）導(dǎo)向支座。導(dǎo)向支座用于僅允許有軸向位移的部位。導(dǎo)向支座設(shè)置如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向支座設(shè)置圖

3）滑動支座?；瑒又ё糜诠艿乐?，不限制管道位移，該項目滑動支座間距為8 m。

4 結(jié)語

近年來，綜合管廊快速發(fā)展，提高燃氣管道進入管廊的本質(zhì)安全是推動綜合管廊長遠發(fā)展的關(guān)鍵點。燃氣管道會因廊內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，管道隨之產(chǎn)生的二次應(yīng)力可能會破壞焊縫或加速焊縫應(yīng)力腐蝕，合理設(shè)置補償器是保證天然氣管道進入綜合管廊本質(zhì)安全的關(guān)鍵要點。論文以紫林路綜合管廊為例，對方形補償器進行應(yīng)力計算分析，為同類型工程在這方面的設(shè)計提供借鑒和參考。