综合管廊内天然气管道补偿器计算分析

李哲

（山西省燃气规划设计研究院有限责任公司，太原030024）

1 引言

地下综合管廊是将天然气、通信、给排水、电力等多种市政管线集中于城市道路下面建设的一个共用隧道，从而对地下空间进行综合利用，便于地下管线的统一管理。天然气管道进入综合管廊首先要考虑的问题就是安全问题。

综合管廊内设有送、排风系统，综合管廊内温度会随着室外温度的变化而变化。天然气管道为金属管道，在管廊内架空敷设，管道会因廊内温度的变化而产生热胀、冷缩现象，管道随之产生的二次应力可能会破坏焊缝或加速焊缝应力腐蚀。合理设置补偿器是保证天然气管道进入综合管廊本质安全的关键要点。

2 补偿器的类型

补偿器主要用于补偿管道由于温度变化而引起的热胀冷缩。补偿器包含自然补偿器和设备补偿器，常用的自然补偿器有L 形补偿器和Z 形补偿器；常用的设备补偿器有方形补偿器、波纹补偿器、套筒补偿器、球形补偿器等。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

紫林路综合管廊位于山西省转型综改示范区，全长7.9 km，管廊高3.6 m，宽2.3 m。管廊内设计1 根燃气管道，燃气管道选用无缝钢管（20#），执行标准为GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》，管道规格为D508 mm×8 mm、D406 mm×8 mm、D325 mm×8 mm。燃气管道弯头选用长半径弯头R=1.5D（D为管道直径），燃气管道补偿选用L 形补偿器和方形补偿器。

3.2 管道热伸长量

管道热伸长量计算如下：

式中，△x为固定支座之间的管道计算热伸长量，m；α 为管道的线型膨胀系数，α=11.18×10-6m/（m·℃）；△T为管道运行与安装时的温差；根据田辉芳[1]的研究，燃气舱内天然气管道温差不超过30 ℃，本项目为保证安全，设计温差采用40 ℃；L为管道长度，m。

3.3 L形补偿器

由于地形、管廊交叉等原因，管廊需转弯、改变走向，该项目局部利用L形补偿器，对燃气管道的转弯、上下高差变化进行补偿。

根据《实用供热空调设计手册》（第二版），当转角不大于150°时，管道长臂L1不宜超过20～25m，见图1。

图1 L形补偿器

L2短臂长度可按式（2）估算：

式中，L1为长臂长度，m；L2为短臂长度，m；△L1为长臂L1的热伸长量，mm；d0为管道外径，mm。

根据计算，短臂L2（DN500 mm）≤5 m，L2（DN400 mm）≤4.4 m，L2（DN300 mm）≤3.9 m。

3.4 方形补偿器

管廊内方形补偿器的应力计算步骤：（1）根据管廊高度及安装要求，选定方形补偿器的形式和尺寸；（2）根据选定的尺寸，对其弹性力进行计算，并核算其补偿能力，见图2。

图2 方形补偿器

3.4.1 方形补偿器尺寸

根据管廊高度（H=3.6 m）及管道安装要求，确定L2方尺寸，对方形补偿器进行选型[2]，确定L3方尺寸，L1方一般取40DN，见表1。

表1 方形补偿器尺寸表

3.4.2 确定弹性中心坐标

方形补偿器的弹性中心坐标位置为：

式（3）～式（7）中，L1方为两边的自由臂长，一般取40DN；L2方为外伸臂的直管段长，m；L3方为宽边的直管段长，m；Lzh为折算长度，m；Kr为弯管柔性系数；λ 为弯管尺寸系数；rp为管子平均半径，mm，rp=（d0-S）/2，S为管道壁厚，mm；R为弯头的曲率半径，R=1.5D（D为管道直径）。

3.4.3 弹性力计算

方形补偿器弹性力包括x方向和y方向，由于y方向弹性力很小，故仅考虑x方向弹性力，弹性力计算如下：

式（8）～式（10）中，Pt.x为方形补偿器x方向的弹性力，N；Pt.y为方形补偿器y方向的弹性力，N；E为钢材在20 ℃时的弹性模数，E=1.980 9×105N/m2；I为管道断面的惯性矩，m4；Ix0为折算管段对x0轴的线惯性矩，m3；di为管道内径，mm。

3.4.4 弯矩计算

最大的弯曲力矩Mmax：

管道危险截面上最大弯曲应力σf按式（13）计算：

式（11）～式（15）中，Mmax为最大弹性力下的弯曲力矩，N·m；W为管道断面抗弯矩，m3；m为弯管应力加强系数；H为方形补偿器的高度，m。

3.4.5 应力要求

管道由于热胀冷缩和其他位移受约束而产生的二次应力不得大于下式计算的许用应力值[σf]：

3.4.6 计算结果

计算结果见表2。

表2 计算表

3.5 支座设置

综合管廊内燃气管道支座主要为固定支座、导向支座和滑动支座。

1）固定支座。固定支座用于限制管道位移，将管道分割并进行补偿。

2）导向支座。导向支座用于仅允许有轴向位移的部位。导向支座设置如图3所示。

图3 导向支座设置图

3）滑动支座。滑动支座用于管道支撑，不限制管道位移，该项目滑动支座间距为8 m。

4 结语

近年来，综合管廊快速发展，提高燃气管道进入管廊的本质安全是推动综合管廊长远发展的关键点。燃气管道会因廊内温度变化而产生热胀冷缩现象，管道随之产生的二次应力可能会破坏焊缝或加速焊缝应力腐蚀，合理设置补偿器是保证天然气管道进入综合管廊本质安全的关键要点。论文以紫林路综合管廊为例，对方形补偿器进行应力计算分析，为同类型工程在这方面的设计提供借鉴和参考。