【摘要】液化天然氣架空管道的設(shè)計(jì)工作是液化天然氣供應(yīng)站總體設(shè)計(jì)中不可或缺的一個(gè)組成部分，而相當(dāng)一部分城市燃?xì)庑袠I(yè)的設(shè)計(jì)人員對(duì)這種架空低溫介質(zhì)管道的設(shè)計(jì)工作比較陌生。在此種管道的設(shè)計(jì)工作中，管道的受力分析是設(shè)計(jì)工作能否成功的一個(gè)重要因素。文章將結(jié)合自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)液化天然氣架空管道的受力機(jī)理、分析方法和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行闡述，以期對(duì)讀者能有所幫助。
　　【關(guān)鍵詞】液化天然氣；架空管道；受力分析；設(shè)計(jì)方法
　　1．引言
　　對(duì)于選擇液化天然氣供氣方案的城市，液化天然氣供應(yīng)站是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的源頭，地位十分重要液化天然氣供應(yīng)站的核心組成部分是工藝裝置區(qū)在此一區(qū)域。經(jīng)卸車自增壓器輸入儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存的液化天然氣，將通過氣化器、調(diào)壓器等裝置氣化、調(diào)壓，成為普通的天然氣，輸送給城市地下管網(wǎng)。為方便檢修起見，連接這些裝置的工藝管道一般均為地上低位架空管道由于液化天然氣是—168℃的低溫液體。造成架空管道內(nèi)的介質(zhì)溫度與管道安裝溫度存在較大差異，溫度應(yīng)力對(duì)管道的影響十分明顯如果不對(duì)這種影響進(jìn)行合理的解決，有可能造成管道與設(shè)備連接處發(fā)生泄漏、損壞，或者是設(shè)備在推力的作用下產(chǎn)生過量變形，無法正常工作，乃至報(bào)廢。
　　除了溫度應(yīng)力以外，和其它架空管道一樣，由內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力和正應(yīng)力，由管道自重、介質(zhì)重等豎向持續(xù)荷載造成的彎曲應(yīng)力，由偶然荷載(如地震區(qū)的水平地震作用和沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng))引起的水平方向應(yīng)力，都對(duì)管道有一定的影響，處理不當(dāng)仍然可能造成災(zāi)難性后果。筆者將從液化天然氣架空管道一次應(yīng)力的計(jì)算和管道跨距的確定、液化天然氣架空管道的補(bǔ)償措施和溫度應(yīng)力的計(jì)算理論以及液化天然氣架空管道設(shè)計(jì)方法3個(gè)方面對(duì)這些問題進(jìn)行一一闡述。
　　2．液化天然氣架空管道一次應(yīng)力的計(jì)算和管道跨距的確定
　　2．1由內(nèi)壓引起的管道環(huán)向應(yīng)力和正應(yīng)力
　　一般設(shè)計(jì)人員對(duì)此部分內(nèi)容十分熟悉，我們不再贅述只指出．由于泊松效應(yīng)．環(huán)向應(yīng)力會(huì)引起正(軸向)應(yīng)力，其計(jì)算公式為：
　　                                  
　　式中P——管道的設(shè)計(jì)壓力：D0——管道的外徑；S——管道的壁厚
　　2．2豎向持續(xù)荷載造成的彎曲應(yīng)力及管道跨距的確定
　　所謂架空管道，顧名思義，即隔一定距離就需要用支架將管道支撐起來。在不考慮水平和溫度受力的情況下，支架只需提供豎向支撐．我們稱只提供豎向支撐的支架為活動(dòng)支架。在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)一般可簡(jiǎn)化為三跨連續(xù)梁模型，則最大彎矩(發(fā)生在支座處)方程為：
　　（單位：N•m）
　　式中q一管道單位長(zhǎng)度荷載設(shè)計(jì)值=1．2(管道單位長(zhǎng)度自重+管道單位長(zhǎng)度保溫重)+管道單位長(zhǎng)度滿水重，灰、雪荷載忽略未計(jì)，N／m
　　L——跨距(活動(dòng)支架間的距離)，m
　　相應(yīng)的最大彎曲應(yīng)力為：
　　(單位：N／m2)
　　式中管道的截面系數(shù)，cm3當(dāng)然，實(shí)際工程中的管道，拐彎很多，還要計(jì)及軸向彎曲應(yīng)力的組合影響，情況較上式復(fù)雜。此外，架空管道的跨中撓度還不允許超過一定的限值，否則會(huì)對(duì)管道的正常運(yùn)行造成不利影響。連續(xù)鋪設(shè)的無坡度管道，撓度方程為：
　　(單位：m)
　　式中q廣管道單位長(zhǎng)度荷載標(biāo)準(zhǔn)值=管道單位長(zhǎng)度自重+管道單位長(zhǎng)度保溫重+管道單位長(zhǎng)度滿水重,N／m：EI-管材一168~C時(shí)的彈性模量2．08xl05N／mmz；J一截面慣性矩．cm4；x一支座至計(jì)算截面的長(zhǎng)度，m
　　以上也就是確定管道跨距時(shí)需要滿足的兩個(gè)必備條件，即強(qiáng)度條件(彎曲應(yīng)力不超限)和剛度條件。
　　目前各種計(jì)算手冊(cè)中所列的跨距表都不太適用于液化天然氣架空管道。這主要是因?yàn)椋孩僖延锌缇啾肀�溫重量考慮過大，至少是150kg／m，。而液化天然氣架空管道的保溫層材料一般是架橋發(fā)泡聚乙烯，表觀密度僅26kg／m3，兩者相差過大。②已有跨距表進(jìn)行剛度條件計(jì)算時(shí)，都考慮管道是有坡度的。而實(shí)際上，液化天然氣架空管道都不需要設(shè)置坡度，這也會(huì)造成一定誤差。我們針對(duì)液化天然氣架空管道的自身情況，計(jì)算了一套專門適用于它的跨距表。
　　強(qiáng)度條件計(jì)算時(shí)，我們的原則是：①荷載采用設(shè)計(jì)值：②由豎向持續(xù)荷載在管壁中引起的一次應(yīng)力不應(yīng)大于許用應(yīng)力的1／2，即引人一個(gè)0．5的系數(shù)。于是．強(qiáng)度條件下的允許最大跨距計(jì)算公式為：
　　(單位：m)
　　式中一焊縫系數(shù)，按手工電弧焊，取0．7；管材在工作溫度下的許用應(yīng)力；按考慮奧氏體不銹鋼≤20cI=時(shí)的管材許用應(yīng)力，取137N／mm2剛度條件計(jì)算時(shí)，我們的原則是：①荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值；②當(dāng)一個(gè)中間支架失效時(shí)，管道最大撓度不應(yīng)大于0．005。于是，剛度條件下的允許最大跨距計(jì)算公式為：
　　(單位：m)
　　2．3由偶然荷載引起的水平方向應(yīng)力架空管道
　　以上談的是豎向支撐問題，為了避免管道側(cè)向失穩(wěn)，還需要隔一定距離設(shè)置側(cè)向支點(diǎn)(此處的支架稱導(dǎo)向支架)。當(dāng)管道上存在風(fēng)荷載或地震等橫向作用時(shí)。側(cè)向支點(diǎn)就更加重要。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式如下：
　　                            
　　式中——該工程地的基本風(fēng)壓；一風(fēng)壓高度系數(shù)；一當(dāng)多管共架時(shí)，要考慮各管的互相影響，乘此體形系數(shù)，水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下：
　　                       
　　式中僅一相應(yīng)于管道基本自振周期的地震影響系數(shù)：Gl踟一管道的總重力荷載代表值。
　　3．液化天然氣架空管道的補(bǔ)償措施和溫度應(yīng)力的計(jì)算理論
　　3．1液化天然氣架空管道的補(bǔ)償措施
　　管道的溫度應(yīng)力來源是管材的熱脹冷縮。由于管道總是有約束的連接裝置，管道的熱脹冷縮總是受到限制，于是管道上就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力。進(jìn)一步的管道對(duì)約束它的物體還要施以推(拉)力，且此種作用力的方向隨溫度變化而循環(huán)往復(fù)。我們可以做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，假設(shè)有一條直管段連接儲(chǔ)罐和氣化器，不做任何溫度補(bǔ)償措施。在只考慮溫度應(yīng)力的情況下，管道對(duì)兩端裝置的推(拉)力。
　　推(拉)力的量值確實(shí)是不容忽視的，當(dāng)管徑為200mm，推(拉)力竟達(dá)2339400N，什么設(shè)備經(jīng)受得了如此大的作用力呢？所以，在液化天然氣架空管道上必須采取溫度補(bǔ)償措施。
　　在《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，管道應(yīng)盡量采用自然補(bǔ)償?shù)姆绞�，即利用管道自身彎曲段的柔性吸收溫度�?yīng)力。實(shí)際工程中，經(jīng)常使用的是L形自然補(bǔ)償器。Z形自然補(bǔ)償器(如圖2b)和矩形自然補(bǔ)償器。另外，為減輕應(yīng)力集中、減小補(bǔ)償器尺寸和保證管道側(cè)向穩(wěn)定性，我們還經(jīng)常把一條管道人為的分成若干段，在分段點(diǎn)上把管道與支座焊死(此處的支架稱固定支架)，使管道在此處不能產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)角。每段中部設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償器，使每段管的溫度應(yīng)力由每段管的補(bǔ)償器吸收，固定點(diǎn)的不平衡推力由固定支架承擔(dān)。
　　3．2溫度應(yīng)力的計(jì)算理論
　　當(dāng)管道成為帶拐點(diǎn)的平面管系后，計(jì)算將趨于復(fù)雜我們以一個(gè)采用L形補(bǔ)償?shù)墓芏螢槔�加以介紹。目的是使讀者初步了解溫度應(yīng)力計(jì)算的基本理論。兩端固定點(diǎn)或是固定支架分段點(diǎn)，或是裝置連接點(diǎn)，其它受力和穩(wěn)定問題暫不考慮。如果我們將一端的約束去掉，代以等效力和力矩。在這些力和力矩的作用下，此端變形量仍應(yīng)為零。于是有以下的變形協(xié)調(diào)方程組：
　　                                
　　根據(jù)此關(guān)系利用力法或位移法．就可求得彈性推(拉)力，再根據(jù)求得的推(拉)力和彎矩圖，可進(jìn)一步求得各點(diǎn)應(yīng)力。這就是計(jì)算溫度應(yīng)力的基本方法。但是，實(shí)際工程中的管道路由情況千變?nèi)f化，溫度應(yīng)力計(jì)算是十分復(fù)雜煩瑣的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，前人創(chuàng)造了許多簡(jiǎn)化計(jì)算圖表，供大家使用。近年來，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及，溫度應(yīng)力計(jì)算也早以進(jìn)入程序計(jì)算時(shí)代了。
　　4．液化天然氣架空管道設(shè)計(jì)方法
　　通過以上的論述，大家肯定已經(jīng)對(duì)液化天然氣架空管道的受力情況有了梗概性的了解，下面我們總結(jié)一下液化天然氣架空管道的設(shè)計(jì)步驟和方法。
　　4．1第一步：確定管徑、壁厚及平面布置。
　　本部分內(nèi)容與地下或常溫管道沒有本質(zhì)性的區(qū)別。
　　4．2第二步：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，參考跨距表，初步確定支架位置。
　　實(shí)際工程中，管道繁多、布置復(fù)雜，往往是多管共架．確定支架位置時(shí)要注意滿足最細(xì)管的要求。如確有必要拉開跨距，可與結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員協(xié)商，采用縱梁式支架。此時(shí)，不必考慮管徑，統(tǒng)一取一個(gè)跨距數(shù)值即可(一般為9m)。另外，跨距表中的跨距推薦值適用于直管中跨。對(duì)彎管跨，要乘以折減系數(shù)0．6—0．7：對(duì)盡端跨(與裝置連接處也應(yīng)認(rèn)為是盡端跨)，要乘以折減系數(shù)0．8。
　　4．3第三步：初步確定管道的固定支架間距及每段的補(bǔ)償方案
　　確定固定支架間距時(shí)主要是以直管段(指不含補(bǔ)償器)不產(chǎn)生縱向彎曲為原則。這是因?yàn)�，與其它長(zhǎng)細(xì)桿類似．直管段在溫度作用力下，如果除軸向伸縮變形還存在縱向(平面外)彎曲的話，管段有失穩(wěn)的危險(xiǎn)固定支架間距確定。短邊最小距離是以滿足補(bǔ)償量為原則確定的在設(shè)置固定支架的同時(shí)，還應(yīng)特別注意在合適位置設(shè)置導(dǎo)向支架。除滿足間距要求外，在補(bǔ)償器管端以外40管徑的位置也一定要設(shè)置導(dǎo)向支架。
　　4．4第四步：帶入計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)行計(jì)算分析
　　帶入計(jì)算機(jī)程序時(shí)，應(yīng)是每個(gè)補(bǔ)償段分別帶人。當(dāng)本管段上有支管時(shí)，應(yīng)帶支管一起計(jì)算，否則要把支管對(duì)母管的力和位移影響人工填人程序。此外，要特別提醒結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人對(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)進(jìn)行沉降控制，應(yīng)要求其提供基礎(chǔ)最終沉降量，作為附加位移作用在管道與儲(chǔ)罐相連的節(jié)點(diǎn)上。管段的一次應(yīng)力要滿足下式：
　　
　　此外，對(duì)裝置的推力應(yīng)不大于裝置的承受能力，應(yīng)向廠家落實(shí)。
　　5．結(jié)語
　　架空管道受力分析是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，很多工程設(shè)計(jì)人員窮其畢生精力從事這方面的研究和設(shè)計(jì)工作。與化工、熱力和電力等行業(yè)相比，城市燃?xì)庑袠I(yè)涉及這個(gè)問題比較晚，經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足。我們必須奮起直追，多學(xué)習(xí)，多實(shí)踐。不但要吸取兄弟行業(yè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，而且應(yīng)該摸索出一套適用于我們自己的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。我們只是在這方面做了一些初步的探索，還很膚淺，希望能拋磚引玉，引后者高論。
　　
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