高层民用建筑室内天然气管道的设计.doc

浅析高层民用建筑室内天然气管道的设计 作者： 日期：2 浅析高层民用建筑室内天然气管道的设计宝鸡中燃城市燃气发展有限公司 于 丽 引言作为陕西省第二大城市的宝鸡，近几年来，随着西部大开发政策的深入，国民经济迅速发展，城市面貌发生了很大的变化，新建了许多高层建筑。高层建筑由于其自身的特殊性，供气与多层建筑供气有一定的差别。在高层民用建筑室内天然气管道的设计中燃气附加压力、高层建筑的沉降、室内立管自重及热伸缩等都是设计人员所必须考虑的问题。 1、燃气的附加压力 1.1、附加压力的计算附加压力是由于燃气和空气之间存在密度差而产生的，管道终始端高程差越大，附加压力越大。民用天然气燃具的额定压力Pn=2000Pa,当灶前压力在075pn15Pn内时，燃具能够正常工作。若超出此范围，燃具的热效率低，燃烧不稳定，燃烧噪声大，甚至出现脱火。由此产生不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，厨房卫生状况恶化，严重时引发事故。宝鸡市高层建筑的燃气设计主要采用楼栋式调压箱将中压降为低压，由低压进户，在计算低压燃气管道的压力损失时，应考虑因建筑高度而引起的燃气附加压力H。计算公式如下：H=98(k-m)h (1) 式中：H燃气的附加压力，Pa； k空气的密度，kgm3； m燃气的密度，kgm3； h燃气管道终、起点的高程差，m。 宝鸡市的天然气是从陕北引进的，陕北气田中m=075kgm3，k=1293kgm3，由式(1)，得：H=5.32h附加压力为正值，说明燃气自下而上流动时，附加压力相当于浮力。随着楼层升高，由于附加压力的作用，必然使燃前压力超过3000Pa。由于宝鸡采用的是楼栋式调压箱调压，高层建筑调压箱的低压出口压力一般设为2500Pa，设定最不利工况，即只有顶层一户用气，管道沿程阻力接近于0，而局部阻力仅为燃气表的阻力(约120Pa)。设用户燃具前的压力为P，则P=2500+H-120Pa=2380Pa+5.32h当P=3000Pa时，h=116m。但为了使用户燃具前的压力波动范围变小，更接近pn，有必要采取措施，减小附加压力的影响。 1.2、消除附加压力措施随着楼层的升高，附加压力逐渐增大，相当于降低了管道的阻力，要消除附加压力的影响，必须增加管道阻力。由于宝鸡市的高层大都建在中压管网已铺就的城区且采用楼栋式调压箱调压，克服附加压力主要有以下几个措施： (1)通过水力计算是使立管逐步变径，即在高层采用较细的立管管径，增大立管的沿称损失； （2）增加表后管损失的方法克服附加压力； （3）每隔若干层设置一调节用阀门，增大局部阻力； （4）减小调压箱低压最大出口压力Pmax。 由于天然气燃具的额定压力Pn=2000Pa，灶前压力允许波动范围P=075pn15Pn,对于供应天然气的高层建筑来说，较小的附加压力影响及天然气燃具自身较宽的压力适应性，采取上述几个措施是可以达到供气灶前压力要求的。 以宝鸡市石油机械厂建设的35层超高层建筑为例，经过水利计算，123层立管管径为DN32，2330层立管管径为DN25，3135层立管管径为DN20。表后管径为DN15，软管与灶具连接。从二层开始每隔七层设置一调节用阀门，同时减小调压箱低压最大出口压力。 2、高层建筑沉降的影响。建筑物建成后，都会有不同程度的沉降，高层建筑由于自重大，其沉降量在建成后的几年内尤为明显。建筑物沉降时，燃气引入管是相对静止的，当建筑物沉降量比较大时，燃气引入管就会受到损坏，甚至断裂漏气。而建筑基础处回填土的沉降也会导致引入管局部悬空，易引发事故。因此在燃气设计时，必须考虑采取有效保护措施。 方法一：引入管穿墙前水平或垂直弯曲2次以上（最好用煨弯）； 方法二：引入管穿墙前设置金属通用型波纹补偿器； 方法三：加大引入管穿墙处预留洞尺寸并加设钢套管； 方法四：引入管穿墙前在水平管上设置金属软管。方法一用弯头的自然补偿来减少沉降量的影响，虽然其简单易行，但是易受到位置限制。方法二是将通用波纹补偿器垂直安装在引入管上，利用其伸缩能力进行沉降量的补偿。通用波纹补偿器可通过计算来满足沉降量的补偿，但对其他方向的补偿能力有限，且波纹补偿器的安装要求也高。方法三对于高层建筑等沉降量较大的地方来说采取的措施是不够的。方法四利用金属软管的可扰性进行补偿，是进行燃气引入管沉降量补偿的最佳方式。方法一、二、三对于地震频发地区也不合适。因此采用何种方法需根据本地的具体情况而定，就宝鸡目前的情况我们采用方法三与方法四合用来达到补偿沉降的目的。 3、燃气立管自重与热伸缩的影响 高层建筑立管的自重和热胀冷缩产生的推力在达到一定程度时，燃气管道会产生变形、扭曲、断裂，引发事故。因此在进行高层燃气管道设计时，必须考虑管道自重产生的压缩应力和环境温度的变化产生的伸缩变型与热应力。 3.1、管道自重产生的压缩应力 管道自重产生的压缩应力计算公式为： =WA (2) 式中：压缩应力，MPa； W燃气管道自重，N； A立管截面积，mm2。仍以上述工程为例，层高2.8m，立管长度约98m，立管全程考虑为DN40（加厚）焊接钢管，A=619.2mm2，单位长度管重为47.63Nm，则=7.54MPa。一般普通钢管在工作环境温度小于100许用应力为113MPa，因此对于98m的高层，其立管自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。根据管道允许自重WA计算不同管径允许的管长（考虑加厚焊接钢管，许用应力为113MPa）如表一： 表一公称直径（mm)DN100DN80DN65DN50DN40允许管长(m)1468.61468.21468.11469.51469.1由表一的计算结果可知：当管长超过1468m时，由管道自重产生的压缩应力才会超过管材的许用应力，而如此高的立管长度对一般的高层建筑是不可能的。故管道自重产生的压缩应力对管材的破坏可不预考虑，但应考虑管道自重可能造成的局部应力过大，为此必须采用分层支撑的方法将管道重量预以均摊。 3.2、环境温度的变化产生伸缩量与热应力 (1)管道因温差产生的伸缩量 管道两端不固定时伸缩量的计算公式为： L=103lLt (3) 式中：L管道的伸缩量，mm； l管材的线膨胀系数，K-1，对普通钢管在20时，取1.110-5K-1； L管道长度，m； t设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，。 (2)管道的热应力 如果管道两端完全固定时，产生的热应力计算公式为： t=ltE (4) 式中：t热应力，MPa； t设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，； E管材的弹性模量，MPa，普通钢在20时取1.9105MPa。 一般计算温差：室外取70，室内无空气调节取40，室内有空气调节取20。管道伸缩量与管道材质、管长和温度变化有关，而热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。不同温差时的热应力，不同管长时的伸缩量计算结果见表二： 表二温差（）伸缩量（mm)热应力(MPa)50m100m150m105.51116.520.92011223341.84022446683.67038.577115.5146.3 可见，立管的伸缩量和热应力是不可忽视的，应采取有效的热补偿措施。立管为低压流体输送用焊接钢管丝接，每隔两层有一活接，可以起到一定热补偿作用。但活接热补偿作用有限，一般我们还采取如下两种方式进行补偿。 方式一：在立管上采用多个弯头组合进行补偿；方式二：在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿。 多个弯头设于室内及占地方有影响美观，当弯头为丝接时，长期进行伸缩量的补偿将造成丝口松动，因此方式二为理想的补偿方式。在实际工程中对于高层建筑立管在立管底部设稳定的固定管座，并在每一层用角钢固定立管用以以承受立管自重，同时避免底部压缩应力过大。每隔两层设置一活接，每隔七层设置一个分段阀门，根据伸缩量在合适位置设置一个或多个波纹补偿器克服管道因温差而引起的应力和变形，便于维修。 仍以上述工程为例，在高层一层设置了DN40的固定管座，对DN32的立管在每一层采用40404的角钢固定，DN25、DN20的立管在每一层采用30303的角钢固定，从二层开始每隔两层设置一活接，每隔七层设置一个阀门，并在十七层设置了一个轴向波纹补偿器。 结语 以上只是我们在平时的设计工作中结合实际得出的一些微不足道结论，当然高层建筑的天然气管道设计还应考虑高层建筑受风荷载和地震影响时管道产生的弯曲应力以及其它影响管道安全的因素，尤其是对于高度逐步增加的高层建筑，更应综合考虑，选择最佳的设计方案。of rural drinking water sou