蒸汽管道跨河架空敷設(shè)方案比較和優(yōu)化設(shè)計

摘 要

摘要：對某蒸汽管道跨河工程的設(shè)計方案進(jìn)行了篩選，選定自然補償架空敷設(shè)方案。對自然補償量進(jìn)行了應(yīng)力驗算，可滿足設(shè)計要求。采用加設(shè)補強肋板，解決了架空管道跨距大的問題，設(shè)計跨
摘要：對某蒸汽管道跨河工程的設(shè)計方案進(jìn)行了篩選，選定自然補償架空敷設(shè)方案。對自然補償量進(jìn)行了應(yīng)力驗算，可滿足設(shè)計要求。采用加設(shè)補強肋板，解決了架空管道跨距大的問題，設(shè)計跨度滿足理論計算結(jié)果。
關(guān)鍵詞：自然補償；蒸汽管道；架空敷設(shè)；補強
Scheme Comparison and Optimization Design for Overhead Installation of Steam Pipeline across River
CUI Yue，GENG Fang，GAO Ran
Abstract：The design schemes of a project of steam pipeline across river are screened，and the overhead installation scheme with self-compensation is selected. The stress calculation of the self-compensation is carried out，and it can meet the design requirement. The problem of large span of overhead pipeline is solved by adding reinforced plates，and the design span meets the theoretical calculation result.
Key words：self-compensation；steam pipeline；overhead installation；reinforcement
1 工程概況
    隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，架空敷設(shè)供熱管道逐漸被直埋或管溝敷設(shè)方式所取代，但是在許多特殊場所(如跨越河道等)，架空敷設(shè)仍然具有技術(shù)成熟、施工便捷的優(yōu)勢。在濟南市小清河濱河南路供熱管道跨全福河施工過程中，就遇到了蒸汽供熱管道跨河的情況。該工程位于濟南市北部地區(qū)全福河與小清河交口處，河道由8m拓寬至64m，原有供熱管道需改建。改建后的供熱管道規(guī)格為Ø78×9，輸送介質(zhì)為蒸汽，設(shè)計溫度為300℃，設(shè)計壓力為1.3MPa。
2 設(shè)計方案的比較
2.1 設(shè)計方案
    ① 方案1
方案1為灌注樁基礎(chǔ)架空跨越設(shè)計方案，設(shè)計平面圖見圖1。在河道內(nèi)設(shè)計了3根灌注樁，作為滑動支架的支撐，灌注樁直徑為1m，深度至河底標(biāo)高以下12m，間距為16m，采取有補償器的設(shè)計方式，河道內(nèi)為鋼管現(xiàn)場保溫架空敷設(shè)，河道兩側(cè)為鋼套鋼直埋敷設(shè)。
 

②方案2
  方案2為擴挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱架空跨越設(shè)計方案，設(shè)計平面圖見圖2。利用老河道的河墻作為兩處滑動支架的支撐，在河道內(nèi)新增4個擴挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱滑動支架，跨河管道采用自然補償方式。
 

   ③ 方案3
   方案3為河底穿越設(shè)計方案。該方案是按建設(shè)指揮部的要求提出的，是為了滿足河道的景觀要求。蒸汽管道不同于其他市政管道，采用河底穿越技術(shù)安全風(fēng)險太大，設(shè)計單位與指揮部多次溝通后，指揮部放棄了該方案。
2.2 方案1、2的技術(shù)經(jīng)濟性比較
   ① 技術(shù)比較
   方案1采用了波紋管補償器進(jìn)行補償，優(yōu)點是可靠性較高、設(shè)計校核簡單，技術(shù)上可行。方案2采用了自然補償方式，理論上可行，但需進(jìn)行應(yīng)力驗算，要實現(xiàn)兩個滑動支架間的大跨度(26m)安裝有一定難度。
   ② 經(jīng)濟性比較
   方案1的設(shè)計除正常管材外，比方案2增設(shè)鋼套鋼固定支座，且灌注樁的造價較高，施工也有一定難度。方案2由于省去了補償器，且為擴挖基礎(chǔ)，因此造價較低。兩種方案的工程造價比較見表1。
表1 兩種方案的工程造價比較
方案
方案1
內(nèi)容
造價/元
管子、
附件及安裝
鋼管長64m，鋼套鋼直埋保溫管長26m，波紋管補償器1件，鋼套鋼固定支座6件，彎頭4個
24×104
土建施工
灌注樁基礎(chǔ)滑動支架3個
18×104
絕熱層
巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層
3×104
方案
方案2
內(nèi)容
造價/元
管子、附件及安裝
鋼管長90m，鋼套鋼固定支座2件，彎頭4個
15×104
土建施工
擴挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱滑動支架4個
8×104
絕熱層
巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層
5×104
   ③ 綜合評價
   通過比較，方案1的技術(shù)安全易保證，缺點是造價高。方案2的造價較低，但必須進(jìn)行兩個方面的工作：一是進(jìn)一步的應(yīng)力驗算，二是對跨度過大的滑動支架應(yīng)采取補強措施。
3 方案2的優(yōu)化設(shè)計
    通過方案比較，設(shè)計單位更傾向采用經(jīng)濟性較好的方案2，但是必須確保自然補償能力和大跨距滑動支架的安全性。
3.1 自然補償?shù)膽?yīng)力驗算
   ① 鋼管膨脹量的計算[1]
   受熱后鋼管膨脹量△L的計算式為：
    △L=αl△tL    (1)
式中△L——鋼管膨脹量，m
    αl——鋼材的線脹系數(shù)，K-1，為1.26×10-5K-1
    △t一一管道設(shè)計溫度與安裝溫度之差，℃，設(shè)計溫度為300℃，安裝溫度為20℃
    L——管道長度，m
    由式(1)計算，對于圖2中管道長臂L1，△L1=215mm；對于圖2中管道短臂L2，△L2=43.7mm。
管道空間伸長量△LS的計算式為：
 
式中△LS——管道空間伸長量，m
    由式(2)計算得，△LS=219.4mm
    ② 自然補償能力的驗算
    對于自然補償能力的驗算，可采用計算軟件、驗算式兩種方法。首先，通過補償應(yīng)力計算軟件對方案2的自然補償設(shè)計進(jìn)行應(yīng)力驗算。輸入計算條件為：各管段的長度、管道公稱直徑、管道壁厚、彎頭彎曲半徑、安裝溫度、供熱介質(zhì)溫度等?？绾佣螒?yīng)力驗算結(jié)果符合安全要求。
   其次，采用驗算式進(jìn)行驗算[2]：
 
式中Dn——管道公稱直徑，mm
    La——管道展開總長度，m
    將已知參數(shù)代入式(3)，驗算結(jié)果滿足式(3)。
    上述兩種驗算方法結(jié)論相同，證明管道布置安全。為了提高安全性，設(shè)計單位參考了方形補償器的安裝工藝[3]，在施工時對河道兩側(cè)的短臂進(jìn)行了與熱膨脹反向的冷拉，冷拉長度為空間伸長量的20%～30%，約60mm，使自然補償?shù)陌踩缘玫搅诉M(jìn)一步保證。
3.2 架空管道跨距過大問題的解決
    DN 450mm架空蒸汽管道最大允許跨距推薦值為18m。對于26m的大跨距，設(shè)計單位提出4種解決方法：進(jìn)行管道補強處理(加設(shè)補強肋板)、采用拱形管道、采用懸索管架、大管背小管。后3種方法不同程度存在材料加工復(fù)雜、現(xiàn)場施工工期長、工藝復(fù)雜、造價高的缺點。因此，這里主要探討第1種方法的可行性。
    ① 補強肋板布置及相關(guān)計算參數(shù)
該方法通過增大管道截面系數(shù)，使滑動支架跨距增加30%～60%[4]，而多消耗的金屬不會超過管子重量的10%。當(dāng)滑動支架間距較長時，可以在滑動支架處管道上方加焊肋板，肋板可用扁鋼或鋼板制成，補強肋板的布置見圖3。圖中，Ls為兩個滑動支架之間的距離，單位為m；Lr為滑動支架支點距肋板最遠(yuǎn)端的距離，單位為m，取Lr=0.1Ls。上肋板剖面圖見圖4，圖中，φ為肋板與管子截面中心垂直線的夾角，單位為(°)；δ為肋板厚度，單位為m；h為肋板高度，單位為m；點S為管道補強后的重心，點O為坐標(biāo)原點；L3為點S、O間距離，單位為m；L4為點S距肋板上端的垂直距離，單位為m；Lsum為L3、L4之和，單位為m。圖4中兩側(cè)肋板軸線交于點S。
 

   ② 最大跨距的理論計算
   未補強跨越管道截面慣性矩，的計算式為：
 
式中I——未補強跨越管道截面慣性矩，m4
    Do——管子外徑，m
    Di——管子內(nèi)徑，m
未補強跨越管道截面系數(shù)形的計算式為：
 
式中W——未補強跨越管道截面系數(shù)，m3
    已知參數(shù)為：Do=478mm，Di=460mm，δ=18mm，h=250mm，φ=16°。將已知參數(shù)代入，由式(4)、(5)計算得，I=36474cm4，W=1586cm3。
    點S、O間距離L3的計算式為：
 
式中A——管壁截面積，m2
    補強跨越管道截面慣性矩Ic的計算式為：
 
式中Ic——補強跨越管道截面慣性矩，m4
補強跨越管道截面系數(shù)Wc的計算式為：
 
式中Wc——補強跨越管道截面系數(shù)，m3
    將已知參數(shù)代入，由式(6)、(7)計算得，L3=354mm，Ic=80967cm4。根據(jù)圖4，利用相似三角形原理計算得出Lsum=576mm，從而得到L4=222mm。由式(8)計算得到，取=3647cm3。
補強后滑動支架跨距L′c，的計算式為：
 
式中L′c——補強后滑動支架跨距，m
    Lc——未補強滑動支架允許跨距，m，取18 m
  將已知參數(shù)代入式(9)，計算得到L′c=27.3m。通過計算可知，滑動支架設(shè)計跨距26m小于最大允許跨距27.3m，可以滿足要求。設(shè)計單位考慮到實際中可能遇到的不可預(yù)見因素，在跨距中部的管道下方增加復(fù)合肋板(見圖5)，以增加管道的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語
    該工程自2008年11月投入運行，經(jīng)過連續(xù)運行的檢驗，運行狀態(tài)良好。設(shè)計時應(yīng)充分利用現(xiàn)場有利條件選擇最佳設(shè)計方案，自然補償方式的經(jīng)濟性較好。架空敷設(shè)蒸汽管道設(shè)計中，可以考慮自然補償與補強管道增大跨距方法的結(jié)合。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 肖健昌.管道應(yīng)力分析及熱補償在外管工程設(shè)計中的應(yīng)用[J].云南化工，2000，(3)：26-30.
[4] 施振球.動力管道手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994
 
(本文作者：崔明 耿房 高冉 濟南熱力有限公司 山東濟南 250011)