高层建筑室内燃气管道设计的要点

高层建筑室内燃气管道设计的要点随着建筑行业的发展，越来越多的高层建筑拔地而起。高层建筑的定义是，超过一定高度和层数的多层建筑。在美国，24.6m或7层以上视为高层建筑；在日本，31m或8层及以上视为高层建筑；在英国，把等于或大于24.3m得建筑视为高层建筑。中国自2005年起规定超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。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要考虑管材选用、燃气附加压力、高层建筑的沉降、室内立管自重及热伸缩等问题。一、燃气管道管材选用经过对各个地区的燃气公司的调查，高层燃气管材宜采用无缝钢管，连接方式焊接连接。高层建筑非常重视防火，镀锌钢管接性能不佳，螺纹连接易腐蚀，不宜作为高层建筑燃气管道管材。仅当楼层在15层以下时，可考虑用镀锌钢管螺纹连接。根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第10.2.4条，“在屋面上的燃气管道和高层建筑沿外墙架设的燃气管道，在避雷范围以外时，采用焊接钢管或无缝钢管时其管道壁厚均不得小于4mm。”因此在设计人员设计时，首先确认燃气管道是否在避雷范围内。二、燃气附加压力高层建筑高程较高，燃气立管较长，由于城市燃气的密度与空气密度不同，在立管中就会产生较大的附加压力。附加压力过大，会造成某些用户燃具前压力波动增大，超出燃具稳定工作范围，影响用户燃具的正常燃烧，造成燃气不完全燃烧，甚至发生离焰、脱火、回火和熄火等现象，增大供气不安全性。控制和消除附加压力的影响，是保证高层供气系统安全正常运行的重要方面。对于任何复杂的燃气系统的设计，理论计算作为一个步骤都是不可或缺的。在高层建筑燃气室内管系统的设计中，由附加压头引发的矛盾特别突出，因而'高峰计算、低峰校核'更是必要的。所谓'高峰计算、低峰校核\是指通过计算(主要是管径的选择)使得在用气高峰时配气系统中最低压力用气点的压力高于燃气用具额定压力范围的下限、在用气低峰时系统中最高压力用气点的压力低于燃气用具额定压力范围的上限。简言之，就是在正常的用气工况下，要使每一用户燃气用具的使用压力均在其正常的额定压力范围内。下面给出附加压头的计算公式：△P=h(pa-pg)g=5.32h式中：AP表示附加压头(Pa)；Pa表示空气密度(二1.293Kg/m3)；Pg表示天然气密度(Kg/m3)，一般取0.75Kg/m3；h表示最高与最低用气点位置的高差(m)；g表示重力加速度(=9.80m/2)。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。由于天然气燃具的额定压力Pn=2000Pa，根据燃气设计手册，灶前压力允许波动范围△P=0.75〜1.5Pn。随着楼层升高，由于附加压力的作用，很有可能导致燃器具前压力超过3000Pa。由于目前大部分地区多数都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+AH-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，更接近灶具的额定压力，有必要采取措施，减小附加压力的影响。天然气系统随着楼层升高，附加压力逐渐增大，相当于降低了管道阻力。对由下而上的燃气供应方式，要消除附加压力的影响，须增加管道阻力。具体措施有：每隔一定层数设一节流阀，这种方法简便、经济、易操作。但是，当只有顶层极少数用户用气时，附加压力减少不明显；管内流量随用户数的多少而变化，流量的变化致使立管的阻力也随之变化，造成用户燃具前压力波动。在立管上设置低-低压调压器。通常将调压器装设在附加压力超过200Pa的楼层。2通过调压器调压，稳定燃具前压力，消除附加压头影响。每户装设阀门，根据各楼层不同的燃气压力，分别调整阀门的开度，节流调压，克服附加压力的影响，从而满足每户燃具所需正常工作压力。但由于阀门开度不好控制，故这种做法很少采用。在用户表前设置用户低-低压调压器，使燃具前压力稳定在额定工作压力范围采用中压管道直接进入建筑物，在户内燃气表前加中-低压调压器，这样用户之间的影响较小，用气高峰时压力波动也不明显，而且调压器后的低压管段较短，燃具基本上是处在额定压力下工作，运行工况较佳，比较好地消除附加压力的影响。但是户内有一部分中压管道，安全性比低压管道有所降低，并且工程造价也较高，所以一般不主张采用。在实际应用中，楼层不超过20层时，一般采用在立管上加节流阀的方法；楼层超过20层时，一般采用在用户表前设置用户低-低压调压器的方法。这样，既有效地消除了附加压力，保证了燃具前压力的稳定性，同时在一定程度上也降低了工程造价。三、高层建筑的沉降对管道的影响建筑物建成后都会产生大小不同的沉降，建筑物的沉降对燃气引入管的影响非常严重。我们安装燃气管道时应尽量在建筑沉降一段时间后敷设引入管，可在管道穿墙处设置钢套管或预留竖槽，并保证管道上部间隙不小于建筑物最大设计允许沉降量的1.2倍，下剖间隙不小于5mm。由于建筑物沉降时，燃气引入管是相对静止的，因此燃气引入管要承受建筑物作用产生的切应力，当切应力超过极限时，管道就会断裂，造成燃气泄漏。因此，在燃气设计中要采取一定的措施保护引入管。在立管（或穿墙管）前的水平管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来减小引入管的切应力。在立管（或穿墙管）前的水平管上加设几个弯头（最好用煨弯），相当于加设一个方型补偿器，用弯头的自然补偿来减少引入管的受力。此种方法简单易行，但是受位置的限制。在引入管穿越墙体时加设钢套管，钢套管保证燃气管道的上部与钢套管的间隙大于建筑物的最大沉降量，下部也应留有一定的间隙。四、室内立管自重3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。随着建筑物层数的增加，燃气立管的长度也变长，管道的自重变大，所以应设置管道的固定支架，使固定支架与建筑物成为一体，防止因管道下沉而引起引入管受力折断或变形引起倒坡，采用这种分层支撑的方法将管道重量预以均摊。一般固定管道的做法有：对于室内立管，在每隔7〜10层的穿楼板处加设固定支撑，使燃气管道、套管以及建筑物成为一体。对于室外立管，在每隔7〜10层的高度处加设固定支撑，或加一段水平管段，在水平管段上加支架。另外高层建筑燃气立管较长，管道自身重量在立管底部产生的压缩应力较大。应在立管底部设固定支座以承受立管自重，并在每层设管夹限定立管。高度超过100m时，可在50m处转换立管位置形成“与”字形，两段立管间用金属波纹管连接，立管底部分别设固定支座承重。五、燃气立管自重与热伸缩的影响立管因环境温度变化热胀冷缩，所以应以立管底部为固定端，顶端为自由端，使之有自由伸缩的余地。也可在立管适当位置方形或波纹管补偿器。立管穿楼板、楼梯平台、墙壁时应设置预埋套管，套管与管道之间用填料填实，这时套管部分相当于滑动支架，有利于轴向移动。1、管道因温差产生的伸缩量计算：管道两端不固定时伸缩量的计算公式为：AL=103某al某L某At式中：AL——管道的伸缩量，mm；al——管材的线膨胀系数，K-1，对普通钢管在20°C时，取1.1某10-5K-1；L——管道长度，m；4At——设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，C。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：ot=E某a某At式中：ot热应力，MPa；At——设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，°C；E——管材的弹性模量，MPa,普通钢在20C时取1.92某105MPa°a——管材的线性膨胀系数，碳钢a=1.2某10-5m/C.m。一般计算温差：室外取70C，室内无空气调节取40C，室内有空气调节取20C。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，不同管长时的热膨胀量计算结果见下表：伸缩量（mm）温差（C）10203060m6.613.219.8120m13.226.439.6150m16.53349.5热应力（MPa）21.1242.2463.36可见，立管的伸缩量和热应力是不可忽视的，应采取有效的支撑和热补偿措施。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法进行补偿。1）在立管上采用多个弯头组合进行补偿；52）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。六、其他安全措施由于高层建筑高度高，层数多，人员密集，一旦发生火灾，人员疏散困难，因此应合理配置先进设备，采取安全措施。具体措施有：在引入管处设置快速切断阀，每隔6〜7层加一个分段阀门。各用户设置燃气报警装置、自动切断装置、送排风系统等。燃气报警装置和自动切断装置、送排风系统应连动。高层建筑的燃气管道、燃气设备应定期