管道第二章之地上管道总结61

第2章地上上管道管道跨越山山谷、河流流，通过沼沼泽、沙漠漠及永久冻冻土带等地地区时采用用地面架设设；油库和炼油油厂中的输输油管道，，常设置在在地面管架架（管墩））上或地下下管沟中；；优点：不影影响土壤环环境，且不不受地下水水位的影响响，检修方方便，发现现和清除事事故容易。。缺点：管道道直接设置置在空气中中，对于非非常温管增增加了热冷冷能量的损损失，限制制了通道的的高度，不不美观。2-1地上敷设管管道的支承承形式地上敷设的的管道是由由支架或管管架支承按支架高低低按管架的结结构形式按支架对管管道的约束束形式按管道的跨跨越形式支承形式按支架高低低分：低支架敷设中支架和高支架敷设沿墙敷设低支架敷设设示例低支架敷设设为了防止地地面水的侵侵袭和节约约材料，这这种敷设方方式的管子子距地面的的净空一般般为0.5米左右。由于管道敷敷设高度较较低，便于于施工、维维护和检修修，因而有有利于节约约材料。缺点是线路路规划不当当，将严重重影响交通通。中支架和高高支架敷设设在人行交通通频繁的地地方，应该该采用中支支架，支架架净空高度度约为2.5~3.0米。在跨越铁路路或公路的的地方应该该采用高支支架，高支支架净空高高度约为4.5~6.5米，甚至更更高。中高支架和和低支架敷敷设比较，，需要的投投资大，耗耗材多，维维修也比低低支架困难难。沿墙敷设在工厂厂内部部，当当管径径不大大，管管数不不多时时可以以采用用悬臂臂托架架，将将管道道敷设设在建建筑物物的墙墙上。。不需另另设支支柱。。应校核核墙体体的稳稳定性性，并并应注注意不不要影影响厂厂房的的采光光和窗窗扇的的开启启。按管架架的结结构形形式分分类独立式式管架架：管架与与管架架之间间没有有任何何联系系结构构，每每个管管架独独立地地支承承着管管道；；T形和П形，它它们又又可做做成单单层和和双层层，要要根据据安装装管道道的多多少来来选用用，从从结构构上可可分为为单片片平面面管架架、空空间刚刚架和和塔架架等。。组合式式管架架把各自自独立立的管管架联联接起起来，，形成成管架架系统统。常见的的组合合式管管架有有纵梁梁式、、桁架架式等等。纵梁式式管架架比较较宏伟伟，刚刚度也也大，，一般般用于于多根根小直直径管管道在在一起起平行行敷设设，或或在管管线上上分支支较多多的情情况下下，如如化工工厂、、炼油油厂等等工厂厂内的的室外外管线线。按支架架对管管道的的约束束形式式——固定支支架和和活动动支架架通常每每隔一一定距距离，，就设设置一一个固固定支支架，，在两两个固固定支支架中中间设设置一一个补补偿器器。两个固固定支支架之之间设设活动动支架架，只只作为为管道道支承承，而而不约约束管管道的的热膨膨胀。。按管道道的跨跨越形形式——种类繁繁多梁式管管道跨跨越——以输送送管道道作为为梁的的跨越越“”形刚架架管道道跨越越——以输送送管道道构成成“”形形刚架架适用于于小型型河流流跨越越，且且要求求常年年水位位较浅浅，河河床地地质情情况较较好，，允许许在河河流中中设置置基础础。适用于于小型型河流流跨越越，充充分利利用管管道自自身的的支撑撑能力力，除除使用用两个个45°°弯头外外，其其他直直线管管组装装，结结构简简单，，施工工方便便，造造价低低。桁架式式管道道跨越越——以输送送管道道和其其它构构件组组成桁桁架结结构轻型托托架式式管道道跨越越—以管道道作为为上弦弦杆、、钢索索作为下下弦杆杆组成成托架架结构构结构刚刚度大大，有有良好好的稳稳定性性。单管拱拱跨越越——以单根根输送送管道道作为为拱形形的跨跨越组合管管拱跨跨越－－以输输送管管道及及其他他构件件组成成拱形形的跨越悬缆式式管道道跨越越——输送管管道以以悬垂垂形式式吊挂挂在承承重主主索上上的跨跨越悬垂式式管道道跨越越——输送管管道以以悬垂垂状构构成自自承式的跨跨越我国具具有的的独特特风格格，由由悬索索结构构演变变而来来。悬索式式管道道跨越越——输送管管道以以平直直形状状吊挂挂在承承重主主索上上的跨跨越斜拉索索管道道跨越越—输送管管道用用多根根斜向向张拉拉钢索索连结结于塔塔架和和锚固固墩上上的跨跨越采用多多根密密集的的钢丝丝绳斜斜向张张拉管管道，，两端端用塔塔架作作为其其支座座，使使管道道水平平受拉拉，解解决大大口径径管道道的跨跨越难难题。。结构形形式的的选择择原则则当管径径小于于DN300的大型型跨越越工程程,宜选用用悬链链、悬悬缆结结构。。当管径径大于于DN300的大型型跨越越工程程,宜选用用悬索索、斜斜拉索索或其其组合合结构构。当管径径大于于DN300的中型型跨越越工程程,宜选用用组合合管拱拱、轻轻型托托架、、桁架架结构构。当当河床床稳定定、无无通航航要求求时,亦可选选用连连续梁梁式结结构。。小型跨跨越工工程,宜选梁梁式、、单管管拱、、“π”型刚架架、轻轻型托托架、、桁架架等结结构。。国内管管道跨跨越结结构设设计技技术总总体水水平国国际领领先。。国内居居于领领先水水平的的是四四川石石油设设计院院和长长庆管管道局局设计计院等等。另另外非非石油油行业业的建建设设设计单单位,如华东东和华华南地地区部部分城城市的的市政政设计计院在在长距距离输输水管管道跨跨越上上也建建成了了一批批大跨跨度斜斜拉索索管道道跨越越。斜拉索索管道道跨越越—我国首首先成成功应应用于于大型型管道道跨越越设计计。悬缆式式管道道跨越越—我国具具有的的独特特风格格，由由悬索索结构构演变变而来来。我国发发展情情况2-2架空管管道的的载荷荷计算算除管道道输送送介质质的内内压外外，架架空管管道上上还作作用有有多种种形式式的载载荷。。载荷计计算垂直载载荷水平载载荷轴向载载荷1．垂直载载荷垂直载载荷包包括管管道自自重、、保温温结构构重量量、管管内输输送介介质重重量、、管道道附件件重量量；气体管管道在在某些些情况况下尚尚应考考虑水水压试试验时时的水水重；；必要时时考虑虑弹簧簧支吊吊架产产生的的作用用载荷荷和位位移；；低支架架敷设设时要要考虑虑行人人的重重量；；明设管管道要要考虑虑冰雪雪载荷荷和积积灰载载荷等等。总垂直直载荷荷载荷系系数管道单单位长长度自自重，，N/m管道单单位长长度上上保温温层重重量，，N/m管道单单位长长度内内所输输送的的液重重，按按充满满管道道截面面计算算，N/m管架间间距，，当管管架两两侧的的间距距不等等时，，取其其平均均值,m2．水平平（横横向））载荷荷——风载荷荷载荷系系数风载体体型系系数，，架空空管道道风载载体型型系数数，见见表2-2风压高高度变变化系系数，，见表表11-2基本风风压值值(又称标标准风风压值值)，取决决于管管架所所在地地点，，它是是指空空旷地地区10m高处30年一遇遇的10分钟最最大平平均风风压值值N/m2，见表表11-1对于拐拐弯或或附近近设有有支管管的固固定管管架，，尚有有拐弯弯管或或支管管传来来的侧侧向水水平推推力。。对于拐拐弯或或附近近设有有支管管的活活动管管架，，其管管架顶顶尚有有因管管道横横向位位移引引起的的横向向摩擦擦力。。3．轴向载载荷管道的的轴向向摩擦擦力管道内内压引引起的的不平平衡轴轴向力力补偿器器的反反弹力力为了适适应管管道热热膨胀胀的要要求，，在架架空管管道中中多设设有补补偿器器，一一般设设置在在两个个固定定管架架之间间，当当管道道受热热膨胀胀时，，补偿偿器被被压缩缩变形形，由由于补补偿器器的刚刚度，，将产产生一一个抵抵抗压压缩的的力量量。2-3管道跨跨度计计算地上管管道，，隔—定的距距离就就要用用管架架（管管墩））、吊吊架、、托架架来支支承。。两支承承间的的距离离称为为管道道跨度度。跨度计算是地地上管道设计计中的重要部部分。两种条件：强度刚度一、按强度条条件确定管道道的跨度管道截面上产产生的最大应应力不得超过过管材的许用用应力。连续梁模型最大弯矩和应应力弹性塑性跨度设计公式式跨长许用外载综合合应力均布载荷截面系数焊缝系数焊缝系数焊接情况焊缝系数η手工电弧焊0.70有垫环对焊焊接0.90无垫环对焊焊接0.70手动双面加强焊接0.95自动双面焊接1.00自动单面焊接0.80二、按刚度条条件确定管道道跨度管道在一定的的跨度下总有有一定的挠度度，根据对挠挠度的限制所所确定的管道道允许跨度，，叫做按刚度度条件确定的的管道跨度两种情况不允许反坡允许一定程度度反坡油气管道要求求管道的坡度度和挠度限制制在一定范围围内就可以，，并不限制反反坡。如输送特别粘粘稠介质的管管道或要求介介质在管内能能完全自流放放空的管道，，不允许出现现反坡。允许反坡——限制管道的挠挠度Δmax≤0.1Dg中跨近端直跨不允许反坡对于输油和输输气管道，通通常只需要按按强度条件决决定跨度即可可。对于蒸汽管道道或其它对挠挠度有特殊限限制要求的管管道，应同时时按强度条件件和刚度条件件计算跨度，，最后选用两两者中数值较较小者。2-4管道热应力计计算地面敷设管道道受到来自管管架、连接设设备等的约束束，因此，当当温度变化时时，管道必然然发生变形，，管壁上由此此产生热应力力。例2-1：设油罐进出出油管线为φ159×4.5钢管，管材的的弹性模量为为197.5GPa，热胀系数为为1.22×10-51/℃，操作温度度为100℃，若安装温度度为0℃，当管线在1点处固定时，，求管线的热热应力和对油油罐的推力。。解：管子截面面积为温差：△T=100℃℃-0℃=100℃横截面上的温温度应力：σ=1.22××10-5×197.5×109×100=240.95（MPa）管子对油罐的的推力：P=σA=522.86（KN）A=2.17×10-3m2将进出油管在在罐前的固定定点由1点改至2点角形平面管道道；管系有大的变变形能力；管道的热应力力和对油罐的的推力大为降降低。平面管系热应应力的计算弹性中心法（（力法）——分析法图解法——查设计手册计算程序法计算机程序或或商用有限元元软件简化计算方法法不要求对热应应力的大小作作详细计算，，只要求判断断管道有无足足够的补偿能能力弹性中心法弹性中心法采采用下列几点点假设：固定点是无位位移无转动的的绝对刚性质质点；中间活动支架架的摩擦力在在计算中不予予考虑；管系是按一根根无重量的弹弹性线计算。。计算热应力（（弹性力）的的步骤：根据管系的条条件，确定各各有关数据（（D,t,△T,α,E,I,W）；温度变化引起起的各方向伸伸长量（△△x,△y）；计算管系的线线静矩、线惯惯性矩、线惯惯性积；确定管系的形形心位置；计算x、y方向的反力；；计算各点的弯弯矩，求出管管系最大弯矩矩Mmax；计算最大弯曲曲应力σmax=Mmax/W，并与许用应应力比较。线性矩：线惯性矩：线惯性积：管系形心：x、y方向的反力：管系上任意点点A0（x0,y0）的弯矩：例2-2：设油罐进出出油管线为φ159×4.5钢管，管材的的弹性模量为为197.5GPa，热胀系数为为1.22×10-51/℃，操作温度为为100℃，若安装温度度为0℃，当管线在2点处固定时，，且已知ab管长5m，bc管长10m，求管系的最最大热应力。。例2-3：将前例中的的角形管道在在转角处采用用曲率半径R=3.5D≈0.5m的弯管，其余余条件不变，，求管系的最最大热应力。。2-5管道热应力的的补偿在温度较高的的管道系统中中，一般设置置一些可伸缩缩的装置或弯弯曲的管段，，以增加管道道的弹性，减减小热胀应力力。这种能减小热热应力的装置置称为补偿器器。弯曲管段伸缩器弯曲管段：L形、Z形、Π形和Ω形补偿器Ω形补偿器用于于小口径管道道。Π形补偿器应布布置在补偿段段的中间位置置，以使两臂臂伸缩均衡，，管线不会弯弯曲，充分发发挥补偿器的的补偿能力。。若地形限制制，应在补偿偿器两端对称称布置导向支支座。伸缩装置波纹管式和填填料函式利用金属本身身的弹性伸缩缩来减少管道道的热应力，，每个波纹可可吸收膨胀值值5-15mm。优点：体积小小、结构紧凑凑缺点：易发生生纵向弯曲，，波纹总数一一般不超过6个，补偿能力力有限。优点：体积小小、补偿能力力大缺点：易泄漏漏、易卡只有弯曲管段段不能满足要要求时，才采采用伸缩装置置。补偿器的设计计计算方法弹性中心法（（力法）——分析法（p74-p76）图解法——查设计手册计算程序法计算机程序或或商用有限元元软件简化计算方法法不要求对热应应力的大小作作详细计算，，只要求判断断管道有无足足够的补偿能能力ASMEB31.1判别式管子的公称直直径，m管道在温度变变化时的自由由位移，等于于两个固定支支座间的直线线热伸长量，，mm两个固定支座座间管道的实实际总长度，，m两个固定支座座间的直线长长度，m例2-4：在相距60m的固定支座的的管道中，设设计膨胀弯的的尺寸h。假定直径D=406mm，管道的安装装温度为15℃，而运行温度度为80℃，管道材质的的弹性模量E=210GPa，α=1.12×10-51/℃。解：管道安装装与运行时的的温度变化为为：ΔT=80-15=65℃热伸长长量为为：△=αα·U·ΔΔT=1.12×10-5××60×65=0.04368m=43.68mm设计膨膨胀弯弯后，，应用用简易易校核核公式式，得得：求解：：h=1.46m2-6管道振振动振动是是一种种现象象；结构振振动有有巨大大的危危害性性；振动会会引起起管道道和管管架的的疲劳劳损坏坏、建建筑物物诱发发振动动以及及噪声声等。。管道产产生振振动的的原因因流体（（气体体或液液体））脉动动往复式式机泵泵进出出口；；弯头、、异径径管、、控制制阀、、盲板板等风载共振当激发发频率率与系系统某某阶固固有频频率相相等时时；对管道道组件件，推推荐的的最低低固有有频率率是30Hz；工程上上的共共振区区范围围（0.8~1.2）fn(系统固固有频频率)机泵本本身的的振动动动平衡衡性能能差、、安装装不对对中、、基础础设计计不当当等容许压压力脉脉动值值（API618-3.9.2.7）管道绝绝对压压力平平均值值，kPa振动频频率，，Hz振动控控制指指标容许声声学振振动力力要求的的容器器振动动力，，直到到2000N最大峰峰值振动力力频率率，Hz（如果果小于于30Hz则使