台风地区架空煤气管道设计要点

2022-09-06钟丽娜

冶金动力 2022年4期

关键词：跨距弯曲应力台风

钟丽娜

（宝钢工程技术集团有限公司，上海 201999）

前言

钢厂的副产煤气是伴随着炼铁、炼焦以及炼钢的生产过程而产生的，是钢铁企业各单元生产的主要燃料来源。煤气管道多采用架空布置，对建于台风地区的钢厂而言，抗风设计尤为重要。

1 管道断面布置

钢厂煤气主干管网通常沿道路边架空敷设，同一路段经常有多根煤气管道共架敷设。以某台风地区钢厂燃气管网工程为例，某路段有如下煤气管道：DN3200高炉煤气，DN2200转炉煤气，DN1600焦炉煤气，DN1400 焦炉煤气及DN1100 加压焦炉煤气各1 根。管道断面布置中，将管径较小的煤气管道架设在大煤气管道上是冶金企业管道敷设的常用做法，这样能取得更大的跨距，节约支架工程量。本路段煤气管道众多，考虑总图限值，管道分两层布置，下层3 根较大管径煤气管道，上层2 根较小煤气管道架设在下层中间大煤气管道上，还有一些氧、氮、氩、蒸汽等小管道分别架设在下层两边的煤气管道上。管道断面布置见图1。

2 支架跨距计算

煤气管道的跨距应按强度与刚度条件分别计算［1］。强度条件是控制管道自重弯曲应力不超过管材的许用外载弯曲应力值，根据这个条件计算的管道跨距，称为按强度条件计算的跨距。刚度条件是限制管道自重产生的弯曲挠度，根据对挠度的限制所确定的管道跨距称为按刚度条件计算的跨距［2］。

2.1 强度条件跨距计算

分别按照《钢铁企业燃气设计参考资料》（煤气部分）中（以下简称“参考资料”）强度跨距计算公式

以及《钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范》GB51128-2015中强度跨距计算公式

计算各煤气管道跨距，煤气管道的事故荷载按积水高度500 mm计算，预留荷载按基本计算荷载的30%计算，公式（1）焊缝系数取0.95，管道材质为Q235B，介质温度为常温，材料许用应力为113 MPa，管道壁厚、荷载及跨距计算结果见表1。

表1 煤气管道强度跨距计算

规范GB51128 中强度跨距计算公式是依据支架间距的“强度条件是控制管道自重弯曲应力不应超过设计温度下材料许用应力的一半”来推算的，因此计算所得的跨距比依据“参考资料”公式计算结果偏小。项目煤气管道工作压力均低于20 kPa，对于低压煤气管道，内压引起的纵向应力很小，即使没有考虑焊缝系数，按照规范GB 51128计算得到的强度跨距比按照“参考资料”计算得到的跨距偏小且有很大安全空间。

2.2 刚度条件跨距计算

煤气管道全部采用无坡敷设，刚度跨距按GB51128-2015 公式L2=0.048，煤气管道的事故荷载按积水高度500 mm计算，预留荷载按基本计算荷载的30%计算，管道计算壁厚、荷载及跨距计算结果见表2。

表2 煤气管道刚度跨距计算

刚度跨距计算公式是按三跨连续承受均布荷载计算的。对架设在煤气管道上的其他管道，一般按均布载荷考虑是偏于安全的［3］。

根据强度条件和刚度条件跨距计算结果，选取本路段煤气管道跨距为20 m。

3 局部应力验算

由于项目处于台风地区，考虑台风对管道应力的影响，因此尝试分别通过应力计算公式和有限元模型来分析管道局部应力。

3.1 按照“参考手册”的应力验算

跨距计算公式仅考虑了管道的轴向应力，管道在管托处尚有切应力、局部周向弯曲应力及局部压应力［4］。

3.1.1 管托处切应力计算

切应力主要由管托反力及外加荷载的扭矩所产生。通过公式

及公式

分别计算每根管道的管托反力及扭矩产生的切应力，

式中：Q——管托计算反力，kg；

Rp——管道平均半径，cm；

δj——管道计算壁厚，cm；

Mp——外加管道产生的扭矩，kg·cm；

Z——管道的断面系数，cm3。

外加荷载考虑了小管道荷载和风荷载，管道荷载按照两个工况考虑，第一个工况为大管道金属重+大管道事故水重+小管道荷载+预留荷载，第二个工况为大管道金属重+大管道操作荷载+小管道荷载+预留荷载+垂直风荷载，两者取较大值计算管托处的切应力。

项目所处台风地区的基本风压取0.86 kN/m2，5根煤气管道的荷载、管托反力、扭矩产生的切应力及合成切应力计算结果见表3。

表3 煤气管道切应力计算

如表结果显示：管托处的切应力均在材料的许用应力范围之内。

3.1.2 管托处管壁压应力计算

管托的反力指向管心，在管托所接触的范围内，管壁受到局部压应力，最大压应力在管道最低处，局部压应力按公式（5）计算。

式中：ky——压应力系数，当2θ=120°，ky=0.76；

δj2——管道计算壁厚和衬托板壁厚之和，cm；

δj1——管道计算壁厚，cm；

b——管托宽带，cm。

项目中所选用托座角度为120°；对于δj2的取值，托座的衬托板伸出管托两侧60 mm，均＜时，δj2取δj1，5 根煤气管道局部压应力计算结果见表4。

表4 煤气管道局部压应力计算

管道局部许用应力=1.35［σ］=1.35×1 130=1 526 kg/cm2，如表结果所示煤气管道的局部压应力均小于局部许用应力。

3.1.3 管托处管壁的周向弯曲应力计算

管托的反力对管壁产生周向弯矩，在管托边角处为最大，周向弯曲应力按公式计算。

式中：kzw——轴向弯矩系数，当2θ=120°，kzw=0.053。

DN1400 及以上煤气管道在每个托座的两侧设置了加固圈，DN3200 管道还在每个管托中心增设了加固圈，加固圈形式及参数见图2及表5所列。

图2 煤气管道加固圈示意图

表5 煤气管道加固圈参数

通过公式（6）计算没设置加固圈的DN1100 管道的周向弯曲应力，弯矩系数取0.053，由于衬托板的包角比管托的包角每侧大6°，δj2取10 mm，计算得σrw=933.7 kg/cm2，小于局部许用应力。本项目中DN1400、DN1600及DN2200管道在管托两侧设置了型钢加固圈，DN3200 管道在管托两侧及中心均设置了型钢加固圈，“参考资料”中的加固圈仅设置在管托中心，由于设置的加固圈形式不同于“参考资料”，无法按照“参考资料”中的公式计算周向弯曲应力，在下一章节中将采用有限元模型对管道局部应力进行了分析。

3.2 有限元模型分析

利用Ansys 软件建模对台风工况下DN3200、DN2200 及DN1600 管径的三根煤气管道的应力情况进行分析。分析工况考虑了大管道及小管道的荷载及操作水重、大管承受的水平风载荷（风振系数取2.0），大管上托座安装小管所承受的风载荷及产生的相应力矩等。模型的输入参数如下表6。

表6 有限元模型分析输入参数

模型分析所得三根管道的最大局部应力见图3～5。

图3 DN3200管道最大局部应力云图（单位：MPa）

在台风+操作水载荷工况作用下，DN3200、DN2200 及DN1600 管道的最大局部应力及材料许用应力分别见表7。

图4 DN2200管道最大局部应力云图（单位：MPa）

从图3～图5 可以发现，煤气管道最大局部应力主要分布煤气管道管托的翼板边缘以及煤气管道与加固圈的交接处。从表7数据可见，管道、管托以及加固圈的最大局部应力均小于材料的许用应力。

图5 DN1600管道最大局部应力云图（单位：MPa）

表7 管道局部最大应力及材料许用应力

4 台风地区管道加固方式应用

工程设计中，对于台风地区，考虑到风荷载对管道应力的影响，为降低管托处的局部应力，管托主要采用底部两侧为直角的鞍形托座。煤气管道的管托以及加固圈处局部应力更大，可以采用许用应力更大的材质，比如Q345B，而管道本身可选用许用应力略小的材质如Q235B。对于管径大且附加荷载较大的管道，管托中心处可设置型钢加固圈降低管托处局部应力。同时对于非铰接的煤气管道，在非固定点的地方增加包带可防止台风下煤气管道倾覆。