浅谈随桥敷设燃气管道柔性设计

李舒婷

(华润(南京)市政设计有限公司，江苏 南京 210000)

1 项目背景及工程概况

建瓯市是位于福建省北部的一个地级市，主城区分为新城区和老城区，中间横跨一条建溪河；在气源方面，目前新城区新建成一座LNG气化站，老城区的气源主要来自于一座LNG瓶组站，随着老城区天然气用户不断增加，供气需求增大，考虑到LNG瓶组站供气稳定性差、供气量小等因素，为了保证老城区供气的稳定性，同时也将新老城区的管网连接起来形成环状管网，现规划沿水南桥架设一根中压天然气管道，水南桥是一座横跨新老城区的钢筋混凝土悬臂梁桥，全长220 m，经现场勘察及与有关部门沟通后，燃气管道采用随桥敷设方案，管材选用无缝钢管D159×5，管道设计压力0.4 MPa、设计温度20°C；

2 管道柔性设计的必要性

柔性设计是工程师绕不开的技术要点，工程师在设计过程当中，首先要懂得判断哪类管系需要进行柔性设计,其次柔性设计通常采用哪几种方式，就目前来看，设计时通常选用两种方式来增加管道的柔性：①选用补偿器补偿，它是由一个波纹管和两个端接组合而成，通过波纹管的变形来吸收管道的热伸长，由于厂家提供补偿量数据直观，以往都作为管道柔性设计的首选；②自然补偿，通过改变管道的走向(形式如L型、Z型以及空间立体型)以利用管道本身自然弯曲吸收管道的热伸长，因Caesar II 压力管道应力软件尚未普及，未能直观分析应力的分布情况，故较少采用，本文针对以上问题进行对管道柔性设计原理进行详细阐述，通过对管道热伸长量的计算和分析，以及了解支架形式及布置原则，并在此基础上实战演练两种补偿方式的设计步骤，并通过Caesar II 压力管道软件进行应力分析。

3 管道热伸长量以及管道支架

3.1 管道热伸长量计算

依据《动力管道设计手册》，管道热伸长量可按式(1)计算：

ΔL=αL(T2-T1)

(1)

式中，ΔL为管道的热伸长量，mm;L为计算管长，m；ɑ为管材的线膨胀系数，cm/(m·℃)，取11.64×10-4cm/(m·℃)；T2为管道内介质温度/℃，取90℃；T1为管道设计安装温度，℃，取20℃。

该工程随桥敷设燃气管道长度约为220 m，计算结果为172 mm,依据《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)要求，超过管道伸长量50 mm需增设补偿措施，上述可知，随桥敷设燃气管道热伸长量远超过规定值,证实管系没有设置补偿措施情况无法在工作环境温度下自然泄掉管系所产生的热胀荷载(二次应力)，故应对管系进行柔性设计。

3.2 管道支架

管道支架布置应满足以下三个原则：①固定支架之间管段的热伸长量不得超过设计补偿措施允许的补偿量；②管段因热胀产生的推力不得超过管道支架所能承受的允许推力值；③管道支架不宜使管道产生纵向弯曲，从而产生巨大弯矩；由于管道支架数量直接影响到管网的经济性，所以在满足以上原则的情况下尽可能增大管道支架间距以减少数量。

4 波纹补偿器设计步骤

4.1 波纹补偿器的选型

波纹补偿器由于结构简单、维修管理方便、占地小、补偿量大等优点在燃气管道的工艺设计上被广泛应用；根据内部构造特点，可以分为三类：轴向型、横向型、角向型，依据燃气管道工艺特点该工程选用轴向型内压式补偿器(TNY)，主要吸收管道轴向位移、可少量吸收横向、角向位移；参阅采购部提供的补偿器手册可知，DN150管径最大补偿量为78 mm,反推出管系利用固定点可以划分出三个单元的直管段；依据《动力管道设计手册》中表7-24显示当波形补偿器采用四波时，一般固定支架之间最大间距约60 m，如五波、六波、七波时其最大间距可相应增加1/4～3/4，同时基于波纹补偿器波数越多越容易失稳的条件下，波数采用不超过八波，故本工程每个单元固定点的间距划分为72 m，共设置三组波纹补偿器,依据式(1)，经计算，每个单元直管段热伸长量为57 mm，上述计算值往往被工程师作为选用波纹补偿器型号的依据，而忽略了可能影响热伸长量的因素，比如现场安装时可能遇到空间限制无法按设计要求安装固定支架，需要调整个别固定支架的位置，从而导致某直管段固定支架之间跨度大于设计所需的跨度要求；另一种情况燃气管道在运行过程中，设计计算所依据的安装温度可能存在误差，导致管系实际的温度差可能与设计存在一定的偏差，那么波纹补偿器的补偿量要留有足够的安全裕度，既补偿量应大于1.2倍计算热伸长量(68.4 mm)，综上所述本工程选用轴向型内压式补偿器(型号：0.6TNY150×8J),疲劳寿命次数1 500，轴向补偿量78 mm，PN=0.6 MPa，轴向刚度125 N/mm,横向刚度247 N/mm,有效面积A为257 cm2，法兰连接波纹补偿器总长290 mm。

4.2 波纹补偿器的布置

依据《动力管道设计手册》中6.4.3条补偿器设置原则：①任意直管段上固定支架之间只能安装一套波纹补偿器；②轴向内压式波纹补偿器一端应靠近固定支架处布置，为了避免波纹补偿器失稳，另一端应安装直线导向支架，第一导向支架与波纹补偿器间距L1应不大于4倍公称直径，第一与第二导向管架间距L2应不大于为14倍公称直径，其余中间导向支架最大跨距L3可按公式(2)计算：

(2)

式中，L3为中间管架最大间距cm;E为管道材料的弹性模量，MPa,取1.830×105MPa；I为管道截面二次矩，cm4,取651.9 cm4；P0为设计压力，MPa；A为波纹补偿器有效面积，cm2；ΔL为波纹补偿器额定轴向位移,mm。

当波纹补偿器预压缩时采用(+)K×ΔL，预拉伸时采用(-)K×ΔL。

波纹补偿器安装简图见图1。

图1 波纹补偿器安装简图

对补偿器进行轴向“预变形”，假设预变形量为ΔX，最低温度取值为TD=0℃。

(3)

因ΔX为正，故应为“预拉伸”。

经计算，L3中间导向支架最大跨距不应大于10.99 m，

水南桥波纹补偿器安装图见图2。

图2 水南桥波纹补偿器安装图(单位：m)

4.3 管道固定支架水平推力计算

接下来应进行波纹补偿器固定支吊推力的计算，以保证设置的固定支架所承受的推力应大于计算推力。

1)两端节点1、40固定支架水平推力FH可按式(4)计算：

FH=FA+FB+qμL1=19 642 N

(4)

式中，FA为波纹补偿器的弹性力，N，按式(5)计算:

FA=KW×EX=8 550 N

(5)

式中，KW为波纹补偿器轴向刚度：N/mm,取125 N/mm。

式中，EX为设计补偿量，mm，取68.4 mm;FB为波纹管内压引起的水平推力，N,按式(6)计算：

FB=P0×Ai=8 995 N

(6)

式中，P0为管道内介质的工作压力，MPa,取0.35 MPa;Ai为波纹管有效截面积，cm2，取257 cm2;qμL1为管道自重产生的摩擦反力，N,按式(7)计算：

qμL1=2 097 N

(7)

式中，q为管道单位长度计算载荷，N/m,取194.17 N/m;μ为管座与管架的摩擦系数，取0.15;L1为管道长度，m，取72 m。

2)中间节点14、27固定支架水平推力FH可按公式(8)计算：

FH=FA+FB+qμL1-0.7(F’A+F’B+qμL2)=4 063 N

(8)

FA=F’A=KW×EX=125×68.4=8 550 N

(9)

FB=F’B=F-P0A=8995-0.35×0.785(159-5×2)2=2 895 N

(10)

qμL2=qμL1=2 097 N

(11)

以上固定支架推力值作为固定支架本身的设计施工,材料选用的直接依据。

5 自然补偿设计步骤

5.1 自然补偿管系设计

自然补偿具有结构简单、运行可靠、投资少等特点，依据《动力管道设计手册》可知，常用的有“L”型、“Z”型以及空间立体型等自然补偿，自然补偿的管道臂长一般不应超过25 m,“L”型、“Z”型对于本工程来说具有局限性，而空间立体型只要满足以下条件：①一根管道，管材管径一致；②两端必须是固定点；③中间无限位支架；④无分支管。

通过空间立体管段式(12)近似验算判别是否满足自然补偿要求：

(12)

式中,DN为燃气管道公称直径，mm。ΔL为燃气管道三个方向热伸长量的向量和，m；L为管道展开总长度，m；U为管道两端固定点之间的直线距离，m。

计算结果为1.38，小于20.8，故本工程自然补偿能力满足要求。

5.2 管道固定支架水平推力计算

接下来应进行自然补偿固定支架推力的计算，以保证设置的固定支架所承受的推力应大于计算推力。

1)节点10固定支架水平推力FH可按式(13)计算：

FH=FK1+qμL1=4 817+3 291=8 108 N

(13)

式中，FK1为自然补偿的弹性力，N，按式(14)计算：

(14)

式中，qμL1为管道自重产生的摩擦反力，N,按式(7)计算qμL1=3 291 N。

2)节点44固定支架水平推力FH可按式(13)计算：

FH=FK1+qμL2=4 817+3 320=8 137 N

以上固定支架推力值作为固定支架本身的设计施工,材料选用的直接依据。

6 两种补偿措施应力校核

通过CAESAR II压力管道软件，从建模到一、二次应力校核合规过程中，可以直观看到管道每个节点一、二次应力的分布情况，两种补偿措施节点位移以及一、二次应力最大值进行校核见表1。

表1 两种补偿措施应力计算结果统计表 单位：MPa

由表1可以看出，一、二次应力节点最大值均小于对应的许用应力值。

7 结 语

由此可见，当随桥敷设燃气管道超长的情况下，管道热伸长也随之增大，由于补偿器结构特点，补偿量不应过大，以至于管道需要增设多个固定点，将管道分隔成更小单元分别补偿，因对固定支座要求必须具有足够的强度，以承受内压推力，对桥梁的结构及基础造成一定的破坏，结合现场施工情况，补偿器常被错误地用于调整管道安装超差，使得补偿器热补偿失效，从而增大管系被破坏的风险系数；显然自然补偿则更加简单，故建议优先采用自然补偿。

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