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1、蒸汽管道跨河架空敷设方案比较和优化设计2010-7-26 崔明 耿房 高冉摘要：对某蒸汽管道跨河工程的设计方案进行了筛选，选定自然补偿架空敷设方案。对自然补偿量进行了应力验算，可满足设计要求。采用加设补强肋板，解决了架空管道跨距大的问题，设计跨度满足理论计算结果。关键词：自然补偿；蒸汽管道；架空敷设；补强Scheme Comparison and Optimization Design for Overhead Installation of Steam Pipeline across RiverCUI Yue，GENG Fang，GAO RanAbstract：The design sche
2、mes 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 add
3、ing reinforced plates，and the design span meets the theoretical calculation result.Key words：self-compensation；steam pipeline；overhead installation；reinforcement1 工程概况随着城市建设的快速发展，架空敷设供热管道逐渐被直埋或管沟敷设方式所取代，但是在许多特殊场所(如跨越河道等)，架空敷设仍然具有技术成熟、施工便捷的优势。在济南市小清河滨河南路供热管道跨全福河施工过程中，就遇到了蒸汽供热管道跨河的情况。该工程位于济南市北部地区全福河与小
4、清河交口处，河道由 8m 拓宽至 64m，原有供热管道需改建。改建后的供热管道规格为 789，输送介质为蒸汽，设计温度为 300，设计压力为 1.3MPa。2 设计方案的比较2.1 设计方案 方案 1方案 1 为灌注桩基础架空跨越设计方案，设计平面图见图 1。在河道内设计了 3 根灌注桩，作为滑动支架的支撑，灌注桩直径为 1m，深度至河底标高以下 12m，间距为 16m，采取有补偿器的设计方式，河道内为钢管现场保温架空敷设，河道两侧为钢套钢直埋敷设。方案 2方案 2 为扩挖混凝土基础钢立柱架空跨越设计方案，设计平面图见图 2。利用老河道的河墙作为两处滑动支架的支撑，在河道内新增 4 个扩挖混凝
5、土基础钢立柱滑动支架，跨河管道采用自然补偿方式。 方案 3方案 3 为河底穿越设计方案。该方案是按建设指挥部的要求提出的，是为了满足河道的景观要求。蒸汽管道不同于其他市政管道，采用河底穿越技术安全风险太大，设计单位与指挥部多次沟通后，指挥部放弃了该方案。2.2 方案 1、2 的技术经济性比较 技术比较方案 1 采用了波纹管补偿器进行补偿，优点是可靠性较高、设计校核简单，技术上可行。方案 2 采用了自然补偿方式，理论上可行，但需进行应力验算，要实现两个滑动支架间的大跨度(26m)安装有一定难度。 经济性比较 方案 1 的设计除正常管材外，比方案 2 增设钢套钢固定支座，且灌注桩的造价较高，施工也
6、有一定难度。方案 2 由于省去了补偿器，且为扩挖基础，因此造价较低。两种方案的工程造价比较见表 1。表 1 两种方案的工程造价比较方案 1方案内容 造价/元管子、附件及安装钢管长 64m，钢套钢直埋保温管长26m，波纹管补偿器 1 件，钢套钢固定支座 6 件，弯头 4 个24104土建施工 灌注桩基础滑动支架 3 个 18104绝热层 岩棉管壳保温+玻璃钢保护层 3104方案 2方案内容 造价/元管子、附件及安装钢管长 90m，钢套钢固定支座 2 件，弯头 4 个 15104土建施工 扩挖混凝土基础钢立柱滑动支架 4 个 8104绝热层 岩棉管壳保温+玻璃钢保护层 5104 综合评价通过比较，
7、方案 1 的技术安全易保证，缺点是造价高。方案 2 的造价较低，但必须进行两个方面的工作：一是进一步的应力验算，二是对跨度过大的滑动支架应采取补强措施。3 方案 2 的优化设计通过方案比较，设计单位更倾向采用经济性较好的方案 2，但是必须确保自然补偿能力和大跨距滑动支架的安全性。3.1 自然补偿的应力验算 钢管膨胀量的计算 1受热后钢管膨胀量L 的计算式为：L= l tL (1)式中L钢管膨胀量，m l钢材的线胀系数，K -1，为 1.2610-5K-1t 一一管道设计温度与安装温度之差，设计温度为 300，安装温度为 20L管道长度，m由式(1)计算，对于图 2 中管道长臂 L1，L 1=2
8、15mm；对于图 2 中管道短臂 L2，L 2=43.7mm。管道空间伸长量L S的计算式为：式中L S管道空间伸长量，m由式(2)计算得，L S=219.4mm 自然补偿能力的验算对于自然补偿能力的验算，可采用计算软件、验算式两种方法。首先，通过补偿应力计算软件对方案 2 的自然补偿设计进行应力验算。输入计算条件为：各管段的长度、管道公称直径、管道壁厚、弯头弯曲半径、安装温度、供热介质温度等。跨河段应力验算结果符合安全要求。其次，采用验算式进行验算 2：式中 Dn管道公称直径，mmLa管道展开总长度，m将已知参数代入式(3)，验算结果满足式(3)。上述两种验算方法结论相同，证明管道布置安全。
9、为了提高安全性，设计单位参考了方形补偿器的安装工艺 3，在施工时对河道两侧的短臂进行了与热膨胀反向的冷拉，冷拉长度为空间伸长量的 20%30%，约 60mm，使自然补偿的安全性得到了进一步保证。3.2 架空管道跨距过大问题的解决DN 450mm 架空蒸汽管道最大允许跨距推荐值为 18m。对于 26m 的大跨距，设计单位提出 4 种解决方法：进行管道补强处理(加设补强肋板)、采用拱形管道、采用悬索管架、大管背小管。后 3 种方法不同程度存在材料加工复杂、现场施工工期长、工艺复杂、造价高的缺点。因此，这里主要探讨第 1 种方法的可行性。 补强肋板布置及相关计算参数该方法通过增大管道截面系数，使滑动
10、支架跨距增加 30%60% 4，而多消耗的金属不会超过管子重量的 10%。当滑动支架间距较长时，可以在滑动支架处管道上方加焊肋板，肋板可用扁钢或钢板制成，补强肋板的布置见图 3。图中，L s为两个滑动支架之间的距离，单位为 m；L r为滑动支架支点距肋板最远端的距离，单位为 m，取 Lr=0.1Ls。上肋板剖面图见图 4，图中， 为肋板与管子截面中心垂直线的夹角，单位为()； 为肋板厚度，单位为 m；h 为肋板高度，单位为 m；点 S 为管道补强后的重心，点 O 为坐标原点；L 3为点 S、O 间距离，单位为m；L 4为点 S 距肋板上端的垂直距离，单位为 m；L sum为 L3、L 4之和，
11、单位为 m。图 4 中两侧肋板轴线交于点 S。 最大跨距的理论计算未补强跨越管道截面惯性矩，的计算式为：式中 I未补强跨越管道截面惯性矩，m 4Do管子外径，mDi管子内径，m未补强跨越管道截面系数形的计算式为： 式中 W未补强跨越管道截面系数，m 3已知参数为：D o=478mm，D i=460mm，=18mm，h=250mm，=16。将已知参数代入，由式(4)、(5)计算得，I=36474cm 4，W=1586cm 3。点 S、O 间距离 L3的计算式为：式中 A管壁截面积，m 2补强跨越管道截面惯性矩 Ic的计算式为：式中 Ic补强跨越管道截面惯性矩，m 4补强跨越管道截面系数 Wc的计
12、算式为：式中 Wc补强跨越管道截面系数，m 3将已知参数代入，由式(6)、(7)计算得，L 3=354mm，I c=80967cm4。根据图 4，利用相似三角形原理计算得出 Lsum=576mm，从而得到 L4=222mm。由式(8)计算得到，取=3647cm 3。补强后滑动支架跨距 L c，的计算式为：式中 L c补强后滑动支架跨距，mLc未补强滑动支架允许跨距，m，取 18 m 将已知参数代入式(9)，计算得到 L c=27.3m。通过计算可知，滑动支架设计跨距 26m 小于最大允许跨距 27.3m，可以满足要求。设计单位考虑到实际中可能遇到的不可预见因素，在跨距中部的管道下方增加复合肋板(见图 5)，以增加管道的稳定性。4 结语该工程自 2008 年 11 月投入运行，经过连续运行的检验，运行状态良好。设计时应充分利用现场有利条件选择最佳设计方案，自然补偿方式的经济性较好。架空敷设蒸汽管道设计中，可以考虑自然补偿与补强管道增大跨距方法的结合。参考文献：1 彭荣杰.自然补偿器的设计和应用J.广东化工，2009，(7)：256-257.2 李善化，康慧.集中供热设计手册M.北京：中国电力出版社，1996.3 肖健昌.管道应力分析及热补偿在外管工程设计中的应用J.云南化工，2000，(3)：26-30.4 施振球.动力管道手册M.北京：机械工业出版社，1994
