城市高层建筑天然气管道设计相关问题研究.pdf

石 油化 工安全环保技术 P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N M E N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 0年 第 2 6卷 第 5期 事 故 分 析 与 预 防 城市高层建筑天然气管道设计相关问题研究 术 袁 英 ，高强生 ，魏纳 1 ．中油南充燃气有限责任公司，四川 南充6 3 7 0 0 0 ； 2 ．西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室，四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 针对高层建筑燃气管道设计 中涉及的一 些实际问题 ，结合城 市高层建筑天然气 管道的供 气特点及设计考虑 因素 ，进行分析并提 出定性或定量的改进措施 ，如 高层建筑燃气 管道的建筑沉降、附加压头、立管应力补偿、抗震等问题。对 高层建筑燃 气管道设计的理论 和 实践有着积极的指导意义。 关键词 高层建筑 ；沉降；附加压力；应力补偿 ；抗震 伴随经济的快速发展 ，发展高层建筑已成为 现代城市建设的必然趋势。高层建筑的建设越来 越多 ，其天然气管道设计难度越来越大，高层建 筑天然气管道设计需要考 虑的因素也 逐步增多。 因此，有必要结合城市高层建筑天然气管道的供 气特点 、设计考虑 因素进行分析 ，并提出定性或 定量的改进措施 ，如 高层建筑燃气管道的建筑 沉降、附加压头、立管应力补偿、抗震等问题。 1 高层建筑沉降的影响 1 ． 1 高层建筑沉降的危害 一 般来讲 ，高层建筑在竣工后的5年内沉降速 度最大 ，以后沉降速度逐渐 降低 1 。燃气管道在 建筑完工初期就进行安装 ，后期高层建筑沉降 ，由 于高层建筑 自重大，在引入管穿墙处产生很大的切 向应力。另外 ，建筑基础处回填土的沉降也会导致 引入管局部悬空 ，管道一旦变形过大便会漏气。因 此，应采用一定手段达到补偿沉降的目的。 1 ． 2 沉降补偿的方法 城规 1 0 ． 2 ． 1 7规定 “ 建筑物设计沉降量大于 5 0 m m时 ，可对燃气引入管采取如下补偿措施 1 加大引入管穿墙处的预留洞尺寸 ； 2 引入管穿墙前水平或垂直弯曲 2 次以上； 3 引入管穿墙前设置金属柔性管或波纹补 偿器。 城规建议 1 与 2 有损 建筑外 立面效 果 。因此 ，目前高层设计多采用在立管穿墙前 的 水平管段加金属柔性软管的防沉降措施 。在安装 金属柔性软管时应注意 软管前出地燃气管道不 得进行固定 ；软管必须水平安装 ，不得有扭 曲和 弯曲现象 ，并使其处于 自然伸展状态。 2附 加压头 高层建筑高程较高，燃气立管较长 ，加上天 然气与空气密度不同，在立管 中就会产生较大 的 附加压头。附加压头会造成某些用户燃烧器前压 力波动增大 ，超出燃具的稳定工作范围 ，影响用 户燃烧器具的正常燃烧 ，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 。所 以 控制和消除附加压头的影响 ，是高层建筑燃气设 计 的重要考虑因素。 附加压头 可按下式计算 △ p △ p 。一P g 1 式中△ p附加压耗 ，P a ； a h管 道 设 计 标 高 与 引 人 口标 高 差 值 ，m； p 。 、 P 空气、天然气密度 ，k g ／ m 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 4一l 9 。 作者简介袁英，女，1 9 9 5年毕业于西南石油大学 油气储运专业，现从事天然气管道设计工作，工程 师。Em a i l w e i n a 8 0 8 1 1 6 3 ． c o n 资金项 目 本 文受 四川省科技攻 关计 划 中俄合作 项 目 0 5 G G 0 2 1 0 2 1 资助 2 0 1 0年第2 6恭第5 英等 ．城市高层建筑天然气管道设计相关问题研究 对于不 同层 高 天然 气 管道 附加 压 头 如表 1 所 示 。 表 1 不同层高天然气管道附加压头 家用燃具额定 室内管道允许 附加压头 压力／ P a 压力降／ P a 2 6 4 5 6 5 8 5 2 0 0 0 3 5 0 l 31 21 5 3 2 6 4 3 0 从上表的分析可 以看出，燃气立管 高程差为 3 0 m时 ，天然气的附加压头都在室内管允许压降 含表压降的 5 0％ 以上。随着楼层升 高，附 加压头增大迅速 。 2 ． 1 附加压头的影响 任何燃具在一定压力 范围内变化时才能稳定 工作。对一般燃具 的工作压力 ，只允许在额定压 力的 5 0％范围内波动 ，即 P 1 ． 5 p 2 P i 0 ． 5 p 3 式中P 燃具最大使用压力 ，P a ； P i 燃具最小使用压力 ，P a ； P 燃具额定压力，P a 。 对于天然气，采用 由下 向上的供气方式 ，其 附加压头为正值 ，说 明管道 中产生上 浮力 ，造成 燃具前压力升高 ，供气系统主要应防止超负荷工 作。一般 民用燃具允许 的超负荷压力 为 1 ． 5 P 。 取高层建筑燃气 系统 的最不利运 行工况 ，此 时 ， 用户燃具前压力按下式计算 P 2P la p 1一A p 2一A p 4 式中P 用户灶前压力 ，P a ； P 调压站出口压力 ，P a ； a p 干线及引入管压降 ，P a ； z a p 室 内立管至灶前压降 ，P a ； △ ．p附加压头 ，P a 。 最不利工况下 ， 卸 可忽略不计 ，燃具前压力 达到额定压力的 1 ． 5倍时 ，上式可写成 1 ． 5 p P 1 一a p 2一A p 5 设天然气 P 为 2 0 0 0 P a ， P 1 为 3 0 0 0 P a ， a p ， 为 3 0 0 P a ，那么附加压头 △ P大于 3 0 0 P a时 ，燃 具压力会超过最高允压力，因此天然气附加压头 的允许极限以 3 0 0 P a 为宜。 当天然气附加压头 A P大于 3 0 0 P a时 ，燃具 工作压力就会超过最 高允许压力 P 引起燃具 超负荷工作 ，导致燃具 的热效率降低 ，产生不完 全燃烧 ，出现过 多的一氧化碳等有 害气体。附加 压头过大还会出现离焰、脱火 、熄火等现象 ，增 加不安全因素。 2 ． 2 附加压头的消除 按式 5 计算 ，天然气 的附加压 头应控制 在 3 0 0～ 4 0 0 P a以内才能保证用户燃具 的正常工 作要求 。因此 ，在燃气设计时 ，应考虑消除附加 压头对供气系统 的影响 ，其措施有 1 减 小高层 立管 管径 ，增大管 道阻力 损 失 对 2 0层左右的高层建筑 ，可采取 6～8层变 一 次径 ，并在立管上分段设置调节用 阀门，增大 立管的沿程损失和局部阻力 。 2 设置低 一低压调压器 对 3 0层 以上 的 高层建筑 ，可以考虑在立管适 当位置或在高层用 户表前设置低 一低压调压器 ，使燃具前压力接近 2 0 0 0 P a。 3 在附加压 头超过 2 0 0 P a或 3 0 0 P a的楼 层每户装设 截流 阀，根 据各 楼层 不 同的燃气 压 力 ，分别调整流阀的开启度 ，产生调压作用。 4 采用中压管道直接进人建筑物，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 ，所 以燃具基本上 是处在额定压力下工作。 3 燃气立管的应力计算与热补偿 高层建筑 因立管 上升管 、下 降管较 长， 管道 自重大 ，管道上会产生压缩应力。因受环境 温度 变 化 影 响 ，立 管 会 产 生 胀 缩 变 形 和热 应 力 。因此 ，应力 在 高层建 筑设 计时 均不 可 忽 视 ，设计不当有可能使管道 自身和支架达到破坏 的程度 ，而 造成 管 道 弯 曲、断裂 ，致 使燃 气 泄 漏 ，引发事故。 3 ． 1 立管应力 压缩应力 、热应力计算 压缩应力 高层建筑燃气供应一般采用 中压 进户方式 ，中压立管均为 1 0号或 2 O号无缝钢管。 管道 自重产生的压缩应力 G 式 中 压缩应力 ，MP a ； G立管 自重 ，N； G立管截面积 ，mm 。 1 0号无缝钢管允许 应力分别为 1 1 2 MP a ，对 石 油 化 工 安 全环 保 技 术 不同管径的无缝钢管进行允许管长的计算 ，结果 如表 2所示 表 2 ～ ＼ 击 1 0 8 6 8 9 5 击 5 7 4 6 4 8 3 ．5 立管截面积 ，mm 1 9 2 2 1 3 1 9 6 6 6 4 8 9 单位管长 自重／ k g m 1 4 ． 3 1 1 ． 2 5 ． 6 1 4 ． 0 1 允许立管长度，m 1 4 5 6 1 4 5 5 1 4 5 5 1 4 5 6 热应力计算 Eo at 式 中E管材弹性模量 ，M P a ； 热应力 ，M P a ； 立管热膨胀系数 ，m ／ m C； △ ￡ 管道安装温度与管流温度差值 ， c c。 热应力只与管道材质和温度变化有关 ，与管 长 、管径无关。无缝钢管在不同温差下的伸缩量 及热应力计算结果如表 3 表 3 不同温差下无缝钢管的伸缩量及热应力计算 不 同管长变形量大／ 、 ．m m 温差值 ， ℃ 热应力 ，MP a 4 5 9 0 l 3 5 1 0 5 ． 6 l 2 ． 1 l 8 ．1 2 5 ． 3 1 5 1 3 ． 8 2 4． 5 3 8 ．1 4 7． 1 3 0 l 8 ． 2 3 6 ． 7 5 2 ．1 7 5． 7 4 5 2 6 ． 1 4 9． 8 7 5 ． 6 1 1 0． 1 3 ． 2 应力补偿措施 对于压缩应力而言 ，为使立管 自重得到均匀 分摊 ，可 以在设计 中要求每一层设一支架 ，以免 立管底部压缩应力过于集 中。此外 ，在立管底部 设置稳定 的固定支架 ，以进一步承受立管 自重 。 对于热应力来讲 ，设计 中可采用安装 z型补 偿器 、n型 Q补偿器等。Z形补偿器补偿量不 大 ，在实际设计中通常在上升管紧急切断阀后采用 多个弯头弯曲上升。兀 型补偿器须用优质无缝钢 管 ，整根补偿器尺寸较小可用一根管子弯制而成。 4 抗震 高层建筑燃气 管道在地震 时，如管道破损会 导致燃气泄漏 ，引发大面积火灾 。因此，在设 计时要充分考虑燃气管道抗震这一重要因素。 针对在地震作用下 ，高层建筑中燃气管道的 地震响应特点，提 出几点有关 目前高层建筑 中燃 气管道的抗震构造措施 2 0 1 0年第 2 6卷第 5期 1 在燃气立管与楼层连接处采用一定 的隔 震减震装置，能大大提高建筑内立管的抗震性能； 2 在地震作用下 ，高层建筑 中燃气立管弯 曲应力与支承点 的距离是相关 的，当设置间距较 小的支承点时可能会超过容许应力 ，因此在高层 建筑 中燃气立管可每隔几层设置支承点； 3 针对室 内横向管道还可 以设置一定 的控 制阻尼器等相关的减震装置 4 室 内横向燃气管道如需安装阀门，并采 用架空敷设时，阀门处 于集 中荷载，在受 到地震 作用时最容易受到损坏 ，因此可按图 1的方式进 行 悬 吊 。 管卡 图 1 室 内天然气 管道集中载荷的悬 吊支撑 5结语 载 承 1 高层建筑物天然气管道设计涉及诸多因 素，在设计时要综合考虑 ； 2 针对高层建筑燃气管道设计 中涉及的一 些实际问题 ，结合城市高层建筑天然气管道的供 气特点 、对 建筑 沉 降、附 加压 头、立 管应 力补 偿 、抗震等进行分析研究 ； 3 通过对建筑沉 降、附加压头、立管应力 补偿 、抗震的研究 ，得出在高层建筑燃气管道设 计 中应考虑和避免的措施。 参考文献 [ 1 ] 董 丽 ．高层建筑室 内燃 气管道设计的探 讨 [ J ]．河南科技 ，2 0 0 7 1 2 9～ 3 O ． 『 2 ] 罗义英 ，尚 毅 ．高层建筑燃气供应 系统 中附加压 头的影响 [ J ]．河 南城建 高等 专科学校 学报 ，2 0 0 0 3 3 6～ 3 7 ． [ 3 ] 杨光 ，尹衍光 ，谢翔 ，等 ．高层建筑燃 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