鄭彥淵

(浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州 310002)

摘要：在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常遇到管道跨距無(wú)法滿足跨度要求，需要通過(guò)管道自身的加強(qiáng)來(lái)增加管道跨距的情況。文中根據(jù)決定管道跨度的強(qiáng)度條件和剛度條件計(jì)算公式，簡(jiǎn)要分析了影響管道跨度的因素。在此基礎(chǔ)上，對(duì)工程中常用的3種增大管道跨度的方法(加大管徑、壁厚，加強(qiáng)板，拱形管)做了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了比較。最后，通過(guò)工程實(shí)例的計(jì)算分析，驗(yàn)證了整個(gè)選擇過(guò)程，為解決工程實(shí)際問(wèn)題提供了思路。

關(guān)鍵詞：管道跨距；加強(qiáng)板；拱形管道

0 引言

在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，在一些特殊的環(huán)境下，如跨越河流、道路、排洪溝，因受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，或是出于節(jié)約投資的考慮，無(wú)法通過(guò)管架布置來(lái)滿足管道跨度要求，這時(shí)就必須加大管道的跨距，以滿足跨越時(shí)的要求。

1 管道支吊架允許跨距的確定

對(duì)于連續(xù)敷設(shè)、均布荷載的水平直管，確定水平直管的允許跨距時(shí)，所考慮的荷載主要為：重力荷載(包括管道、介質(zhì)和保溫層所受重力)以及內(nèi)壓力[1]。為保證安全，支吊架最大允許的跨距應(yīng)同時(shí)滿足管道強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件。強(qiáng)度條件是控制管道自重彎曲應(yīng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)溫度條件下材料許用應(yīng)力的一半。剛度條件是限制管道自重產(chǎn)生的彎曲[2]。管道最大跨距計(jì)算公式見(jiàn)式(1)、式(2)。

按強(qiáng)度條件:

Lmax=0.071

(1)

按剛度條件(裝置外):

Lmax=0.048×

(2)

式中:Lmax為管道最大允許跨距，m;W為管道截面系數(shù)，mm3；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下管材許用應(yīng)力，MPa；q為管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷，N/m；Et為設(shè)計(jì)溫度下管材的彈性模量，MPa；I為管道截面二次矩，mm4。

從式(1)、式(2)可以看出：管道最大跨距與管材的許用應(yīng)力、彈性模量、管道的截面系數(shù)、截面二次矩成正比，與管道單位長(zhǎng)度計(jì)算荷載成反比。而對(duì)某一確定的管道而言，受其輸送介質(zhì)的限制，管材的物性參數(shù)(彈性模量、許用應(yīng)力)是確定的，故要增大管道的跨度就只能通過(guò)增大管道的截面系數(shù)、截面二次矩或減小管道單位長(zhǎng)度計(jì)算荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 增大管道跨距的常用方法

2.1 加大管徑、壁厚

對(duì)于圓形薄壁管道，按照薄壁理論，截面系數(shù)W、截面二次距I計(jì)算公式見(jiàn)式(3)、式(4):

W=D2S

(3)

I=D3S

(4)

式中：D為管道平均直徑,mm;S為管道壁厚,mm。

從式(3)、式(4)可以看出，增大管道的管徑、壁厚可以有效增大W、I的值，從而增大管道的跨距。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單易行。首先確定所需的管道跨距，然后反算確定管道規(guī)格。需要注意的是：該方法管徑增大的同時(shí)，管道荷載也同時(shí)增大，故所能增加的跨距有限，而且需要另采購(gòu)另一種型號(hào)的管材，鋼材的消耗量較大。

2.2 增加加強(qiáng)板

在重力荷載作用下，管道最大撓度位于兩支架的中點(diǎn)處，最大彎曲力矩位于支架處，離開(kāi)中點(diǎn)向兩側(cè)，撓度和彎曲應(yīng)力迅速減小[3]。因此，若在管道中部及管道支架處焊加強(qiáng)肋板增加管道的剛度，就能起到增加管道跨距的目的。用加強(qiáng)板加強(qiáng)的管道示意圖如圖1所示。

圖1 用加強(qiáng)板加強(qiáng)管道

上加強(qiáng)板加強(qiáng)后的組合斷面對(duì)軸Xs的截面二次距Is和斷面系數(shù)Ws按式(5)確定：

Ws=Is/e

(5)

式中：Dw為管道外徑，cm；I為無(wú)加強(qiáng)板的管子二次截面距，cm4；A為管壁斷面積，cm2；a為加強(qiáng)板高度，cm；α為加強(qiáng)板對(duì)管道斷面中心垂直線的傾角，rad；δ為加強(qiáng)板厚度，cm；Ys為組合斷面的重心位置，cm；e為通過(guò)重心S的軸Xs與焊有加強(qiáng)板的組合斷面最遠(yuǎn)邊線之間的距離，cm。

加強(qiáng)后管道的跨距：

Ls=L

式中L為未加強(qiáng)之前的管道跨距。

下加強(qiáng)板管道上加強(qiáng)跨距的計(jì)算原理與上加強(qiáng)板類(lèi)似。

從式(5)可以看出：加強(qiáng)板法實(shí)質(zhì)上仍是通過(guò)增大管道的截面系數(shù)、截面二次矩來(lái)增大管道跨矩的。工程中，加強(qiáng)肋板一般采用用扁鋼或鋼板制成，肋板的長(zhǎng)度一般取跨距的20%，該方法施工簡(jiǎn)便，可增加支吊架跨度的40%～50%，而增加的鋼材不超過(guò)管子質(zhì)量的10%[4]，是一種非常簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的方法，在工程中被大量采用。

2.3 采用拱形管

拱形管道利用管路自身的剛度煨成弧狀，形成一個(gè)無(wú)鉸拱，使管路本身除輸送介質(zhì)外兼作支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)拱形也可考慮作為管路的補(bǔ)償設(shè)施[3]。拱形管道荷載設(shè)計(jì)時(shí)要考慮垂直荷載、水平風(fēng)荷載、溫度荷載等，影響拱形管道設(shè)計(jì)的參數(shù)也很多。在工程設(shè)計(jì)中，一般僅按相關(guān)的規(guī)定對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。具體的計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2 拱管計(jì)算步驟

拱形管路計(jì)算過(guò)程較繁瑣，有關(guān)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算可以參考上?；ぴO(shè)計(jì)院的《拱形管道手冊(cè)》。另外，由于是拱形結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)支架不高的情況下，管底空間高度就能滿足凈空要求，這樣拱支架高度就可以適當(dāng)降低。該方法的主要缺點(diǎn)為計(jì)算繁瑣，而且對(duì)施工制作、安裝要求較高，且僅適用于單跨工程。

3 實(shí)例分析

以衢州某園區(qū)的蒸汽管網(wǎng)輸送項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力1.3 MPa,設(shè)計(jì)溫度315 ℃，管徑Φ720 mm×11 mm，有一處需要跨越27 m寬的道路，不能在道路中間綠化帶上設(shè)管架。若采用桁架敷設(shè)，因馬路兩側(cè)皆有高壓線，空間有限，而且造價(jià)較高，故項(xiàng)目組初定用增大管道跨距的方法來(lái)滿足該跨度要求。

首先，根據(jù)剛度、強(qiáng)度條件計(jì)算了DN700及以上管徑的管道基本跨距，如表1所示。

表1 不同管徑的管道最大跨距

規(guī)格管子荷載/(kN·m-1)截面系數(shù)/106mm3截面二次距/109mm4最大跨距(取小值)/m剛度條件強(qiáng)度條件DN7006.34.271.5422.118.6DN8007.95.582.2923.019.0DN9009.87.663.5324.320.0

從表1可以看出：隨著管徑從DN700增大到DN900，管道截面系數(shù)、截面二次距分別增大了約79%及129%，管子計(jì)算荷載也相應(yīng)增大了約56%，故而按剛度條件和強(qiáng)度條件確定的最大跨距增加值并不明顯(按強(qiáng)度條件計(jì)算DN900僅比DN700跨度增加7.5%)，再往上加大管徑仍無(wú)法達(dá)到使用要求。

接著，考慮采用焊接加強(qiáng)肋板的方法，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 上加強(qiáng)板加強(qiáng)管道的最大跨距

規(guī)格加強(qiáng)板尺寸/cm加強(qiáng)管斷面高度厚度長(zhǎng)度截面系數(shù)/103cm3截面二次距/105cm4加強(qiáng)管道跨距/mDN7002026757.152.5524.0

通過(guò)表2與表1的對(duì)比可以看出：用上加強(qiáng)板加強(qiáng)后的管道的截面系數(shù)及截面二次距值較未加強(qiáng)時(shí)(DN700) 分別增大了約67%及65%。管道跨度也相應(yīng)從18.6 m增加至24.0 m，增加了約29%?？梢钥闯觯弘m然加強(qiáng)板法增加的截面系數(shù)及截面二次距值不如管徑改為DN900增加的大，但因加強(qiáng)板法增加的管道計(jì)算荷載很小，綜合后管道跨距的增加值反而更大。

下加強(qiáng)板的計(jì)算與上加強(qiáng)板類(lèi)似，通過(guò)計(jì)算約可增加跨距值35%，因此上下同時(shí)加強(qiáng)可增加跨距至Ls= 18.6×1.29×1.35=32.4 m，可以滿足使用要求。

最后，也試算了拱管的方案，在矢跨比采用1∶8的計(jì)算條件下，在30 m跨度下，也能通過(guò)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算?？紤]到拱管對(duì)施工制作、安裝要求較高，成本較加強(qiáng)板高，最后決定采用加強(qiáng)板的方法。管道建成通汽后，經(jīng)過(guò)運(yùn)行檢驗(yàn)，該方法能夠滿足使用要求。

4 結(jié)論

以上3種方法是工程中常用的增大管道支架跨距的方法，3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的方法。

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[4] 李?lèi)?ài)廷.管道敷設(shè)及增大跨距的措施[J].中氮肥，1999(2):50-51.

Method Research of Increasing Pipe Span

ZHENG Yan-yuan

(Zhejiang Engineering Design Co.,Ltd.,Hangzhou 310002，China)

Abstract： Pipe span can not meet the requirements of the span in the course of pipe engineering design which need to strengthen the pipe to increase itself. The article analyzed the various factors that affect the pipe span based on the formula of strength condition and stiffness condition. And also analyzed three methods commonly used in engineering to increase pipe span (including increasing diameter, wall thickness, reinforcing plate, vaulted pipe), and compared the advantages and shortcomings with various methods. Finally, through the analysis of engineering example, the entire options selection process was proved, providing a reference for solving engineering problems.

Key words： pipe span；reinforcing plate；vaulted pipe

收稿日期：2015-07-31

中圖分類(lèi)號(hào)：TU996

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9614(2016)02-0008-03

作者簡(jiǎn)介：鄭彥淵(1983—)，工程師，主要從事工藝管道外管設(shè)計(jì)工作。E-mail:yanyuan681@163.com