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【论文精选】综合管廊天然气管道设计

时间：2022-03-07 来源：浏览：

【论文精选】综合管廊天然气管道设计

原创左川，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：左川，李澜

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司第四设计研究院

摘自《煤气与热力》2021年2月刊

参考文献示例

左川，李澜 . 综合管廊天然气管道设计［J］. 煤气与热力， 2021，41（2）：A38- A41 .

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燃气管道

1 问题的提出

南京市江北新区沿江片区、三桥片区北侧为老城区，地下管线错综复杂，给城市的发展带来了诸多问题。为此，南京市江北新区公共工程建设中心拟建综合管廊约 53.41 km ，将所有地下管线全部纳入其中。其中，浦滨路综合管廊长约 8 km ，起自绿水湾路，终于万寿路，须将此路上的现状次高压及中压天然气管道一并迁移纳入综合管廊燃气舱中。现状次高压 A 管道设计压力为 1.6 MPa ，运行压力为 1.4 MPa ，管道规格为 D610 × 12.5 ，管材为 L290M 直缝双面埋弧焊接钢管。现状中压 A 管道设计压力为 0.4 MPa ，运行压力为 0.35 MPa ，管道规格为 DN 300 mm ，管材为 PE 管。综合管廊本体单独委托设计建设，截至 2020 年初，浦滨路综合管廊本体已经建设完成，此后才开始入廊管道的设计。已经建成的浦滨路综合管廊燃气舱内壁高和宽分别是 3.35 m 和 2.10 m 。

2 天然气管道入廊敷设设计

2.1 管材

根据 GB 50838 — 2015 第 6.4.2 条的要求，综合管廊内敷设的 燃气管道 应使用无缝钢管。次高压 A 管道的材质、规格均与综合管廊外衔接管道一致，为 L290M 、 D610 × 12.5 。中压 A 管道采用无缝钢管，材质为 L245M ，规格为 D323.9 × 8.0 。无缝钢管的等级执行 GB/T 9711 — 2017 《石油天然气工业管线输送系统用钢管》第 6.1.2 条的要求。

2.2 方形补偿器尺寸设计

既有综合管廊内部空间十分有限，方形补偿器的安装受到限制。方形补偿器由 4 个 90 °弯头组成，且弯头一般为长半径。在本工程中，长半径的弯头组成的方形补偿器在综合管廊内无法容纳，因此，不得不尝试采用短半径 90 °弯头（弯头曲率半径为管道外直径的 1.0 倍）。 DN 600 mm 方形补偿器竖直安装，尺寸见图 1 ， DN 300 mm 方形补偿器水平安装，尺寸见图 2 ，图 1 、 2 中的尺寸单位为 mm 。方形补偿器均由 4 个短半径 90 °弯头及直管段连接而成，且弯头之间的直管段长度大于管道外直径。在综合管廊内安装时，方形补偿器两端通过导向支座支撑。为保证方形补偿器的安装操作空间，管道外壁与综合管廊内表面的距离不小于 400 mm 。

图 1 DN 600 mm 方形补偿器尺寸

图 2 DN 300 mm 方形补偿器尺寸

2.3 管道应力分析

在方形补偿器尺寸确定后，用美国 Bentley 公司开发的 AUTOPIPE V8i 软件对管道在不同补偿区间的应力情况进行模拟。

2.3.1 DN 300 mm 天然气管道应力分析

①物理模型

对 DN 300 mm 天然气管道 在不同补偿区间内建立物理模型进行应力分析，见图 3 。由于方形补偿器水平布置，管道受力不在一个平面内，需要建立三维物理模型进行应力分析。将管道中心线所在平面定义为 xOy 平面，定义 z 轴垂直于 xOy 平面，且遵循右手螺旋法则。 A00 和 A09 为固定支座， A01 和 A08 为滑动支座， A02 和 A07 为导向支座， A03~06 为短半径 90 °弯头。方形补偿器两端导向支座间距 b 为 4.0 m ，当补偿区间分别为 40 、 50 、 60 m 时，支座间距 a 分别为 9.0 、 11.5 、 14.0 m 。

图 3 管道物理模型

②边界条件

a. 固定支座处，即 A00 和 A09 处，管道在 x 、 y 、 z 方向上的位移均为 0 。

b. 滑动支座处，即 A01 和 A08 处，管道只在 x 、 y 两个方向发生位移。

c. 导向支座处，即 A02 和 A07 处，管道只在 x 方向发生位移。

③其他条件

a. 根据南京市历年气温数据，安装温度按 -10 ℃考虑，运行温度按照 40 ℃考虑。

b. 管材材质为 L245M 。

c. 管道规格为 D323 . 9 × 8 . 0 。

d. 根据 ASME B31.3-2012 《工艺管道》（以下简称 ASME B31.3-2012 ）第 302.3.5 条规定的计算公式对管道应力进行校核。

e. DN 300 mm 天然气管道分 3 个补偿区间： 40 、 50 、 60 m 。

f. 按最不利工况，管道介质以压力试验时的介质考虑，即管道介质为水。

④结果分析

管道受到内压产生环向应力，受到重量等持续载荷产生纵向应力，受到周期性的热胀冷缩作用而产生位移应力。软件分别计算各种应力，然后计算任意 2 种或 3 种应力的组合应力，最后选择输出这些应力或组合应力的最大值分布。通过计算管道应力和支座受力，确定最佳的补偿区间长度和支座的设置间距，为支座的选取提供依据。

a. 管道应力

从安全性来说，需要管道每一处的应力都小于许用应力，这就要求管道最大应力点处的应力与许用应力的比值小于 1 。从计算结果得知，对于 40 、 50 、 60 m 的补偿区间， DN 300 mm 的管道最大应力点处的应力与许用应力的比值分别是 0.89 、 0.90 、 1.05 。当补偿区间为 60 m 时，管道最大应力点处的应力已经超过管道许用应力，这显然是不允许的。而当补偿区间为 40 m 时，虽然安全性会提高，但会造成方形补偿器的数量过多，投资增大。因此，从安全性和经济性考虑，选择 50 m 的补偿区间长度。

当补偿区间长度为 50 m 时， DN 300 mm 管道应力分布见图 4 ，图 4 中，节点 A00~A09 对应图 3 中的节点，色标右边的标值表示管道应力与许用应力的比值。可以看出，管道应力对称分布。从软件输出的结果报告得知，最大应力出现在 A04 点弯头外侧，最大应力与许用应力比值为 0.90 。

图 4 DN 300 mm 管道应力分布

b. 支座受力

选择某单一作用或组合作用的最大值作为支座设计的依据。支座设计受力见表 1 。

表 1 各支座设计受力

2.3.2 DN 600 mm 天然气管道应力分析

对于 DN 600 mm 的天然气管道，由于方形补偿器竖直放置，因此，管道所有受力均在一个平面内，在管道应力分析时可以简化为二维模型。计算得知，对于 40 、 50 、 60 m 这 3 个补偿区间， DN 600 mm 的天然气管道最大应力点处应力与许用应力的比值分别是 0.63 、 0.78 、 0.92 。考虑安装方便和空间布置，综合管廊内两条天然气管道选取相同的补偿区间长度。显然，选取 50 m 的补偿区间，对于 DN 600 mm 的天然气管道也是合理的。此时，最大应力与许用应力比值为 0.78 ，管道支座间距为 10.5 m ，方形补偿器两端两个导向支座之间的间距为 8.0 m 。支座设计受力见表 1 。

2.4 廊内管道的固定

管廊内管道的固定至关重要，不仅关系到管道的正常运行，而且直接影响方形补偿器的效用。通过前面计算得知，补偿区间为 50 m ，因此，管道需要每 50 m 设置 1 个固定支座。从表 1 得知， DN 600 mm 的天然气管道固定支座所受轴向（ x 方向）推力为 124.48 kN ，采用双面挡板固定支座，其适用于轴向推力不大于 196 kN 的管道固定； DN 300 mm 的天然气管道固定支座所受轴向（ x 方向）推力为 68.40 kN ，采用单面挡板式固定支座，其适用于轴向推力不大于 98 kN 的管道固定 ^［ ¹ ^］。

2.5 廊内管道空间布置

由于空间限制，廊内管道单侧上下布置和双侧布置均无法安装。因此，采用双侧对角布置的设计，见图 5 ，图 5 中的尺寸单位为 mm 。 DN 600 mm 的管道在综合管廊燃气舱右下侧安装，管道置于高度为 400 mm 的混凝土支墩之上，管道与廊壁、廊顶分别留有 500 mm 的间距，以便管道的焊接和安装。 DN 300 mm 的管道则在综合管廊燃气舱左上侧安装，管道置于钢支架之上，管道与廊壁、廊顶分别留有 400 mm 的间距，以便管道的焊接和安装。在综合管廊燃气舱内采用这种管道空间布局，不仅实现了两条管道的顺利安装，而且在舱室左侧空出了高度为 2 400 mm 、宽度为 990 mm 的人员检修通道。