蒸汽管道跨河架空敷設方案比較和優(yōu)化設計

1、蒸汽管道跨河架空敷設方案比較和優(yōu)化設計2010-7-26 崔明 耿房 高冉摘要： 對某蒸汽管道跨河工程的設計方案進行了篩選，選定自然補償架空敷設方 案。對自然補償量進行了應力驗算，可滿足設計要求。采用加設補強肋板，解決 了架空管道跨距大的問題，設計跨度滿足理論計算結果。關鍵詞： 自然補償；蒸汽管道；架空敷設；補強Scheme Comparison and Optimization Design for Overhead Installation ofSteam Pipeline across RiverCUI Yue ，GENG Fang， GAO RanAbstract ： The desi

2、gn schemes of a project of steam pipeline across rive r are screened ， and the overhead installation scheme with self-compensa tion is selected. The stress calculation of the self-compensation is c arried out ， and it can meet the design requirement. The problem of larg e span of overhead pipeline i

3、s solved by adding reinforced plates， andthe design span meets the theoretical calculation result.Key words ： self-compensation ； steam pipeline ； overhead installation； reinforcement1 工程概況 隨著城市建設的快速發(fā)展，架空敷設供熱管道逐漸被直埋或管溝敷設方式所 取代，但是在許多特殊場所 （如跨越河道等 ） ，架空敷設仍然具有技術成熟、施工 便捷的優(yōu)勢。在濟南市小清河濱河南路供熱管道跨全福河施工過程中，就遇到了

4、蒸汽供熱管道跨河的情況。該工程位于濟南市北部地區(qū)全福河與小清河交口處， 河道由8m拓寬至64m,原有供熱管道需改建。改建后的供熱管道規(guī)格為？78X 9,輸送介質(zhì)為蒸汽，設計溫度為300C，設計壓力為1.3MPa。2 設計方案的比較2.1 設計方案 方案 1方案 1 為灌注樁基礎架空跨越設計方案, 設計平面圖見圖 1 。在河道內(nèi)設計了3根灌注樁，作為滑動支架的支撐，灌注樁直徑為1m,深度至河底標高以下 12m,間距為16m采取有補償器的設計方式，河道內(nèi)為鋼管現(xiàn)場保溫架空敷設，河道兩側為鋼套鋼直埋敷設。鋼t榊bM W呻6去* j£i 方案2方案2為擴挖混凝土基礎鋼立柱架空跨越設計方案，設

5、計平面圖見圖2。利用老河道的河墻作為兩處滑動支架的支撐，在河道內(nèi)新增4個擴挖混凝土基礎鋼立柱滑動支架，跨河管道采用自然補償方式。1'岡忖陽I 1.1心衛(wèi)胸、切-廿卜一m豐5-護-那B2方案2的設計平面團 方案3方案3為河底穿越設計方案。該方案是按建設指揮部的要求提出的，是為了滿 足河道的景觀要求。蒸汽管道不同于其他市政管道，采用河底穿越技術安全風險 太大，設計單位與指揮部多次溝通后，指揮部放棄了該方案。2.2方案1、2的技術經(jīng)濟性比較 技術比較方案1采用了波紋管補償器進行補償，優(yōu)點是可靠性較高、設計校核簡單，技 術上可行。方案2采用了自然補償方式，理論上可行，但需進行應力驗算，要實 現(xiàn)

6、兩個滑動支架間的大跨度 （26m）安裝有一定難度。 經(jīng)濟性比較方案1的設計除正常管材外，比方案 2增設鋼套鋼固定支座，且灌注樁的造價 較高，施工也有一定難度。方案2由于省去了補償器，且為擴挖基礎，因此造價較低。兩種方案的工程造價比較見表1。表1兩種方案的工程造價比較方案方案1內(nèi)容造價/元管子、附件及安裝鋼管長64m,鋼套鋼直埋保溫管長 26m, 波紋管補償器1件，鋼套鋼固定支座 6 件，彎頭4個24X10"土建施工灌注樁基礎滑動支架 3個18X104絕熱層巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層3X104方案方案2內(nèi)容造價/元管子、附件及安裝鋼管長90m鋼套鋼固定支座 2件，彎頭4個15X104土

7、建施工擴挖混凝土基礎鋼立柱滑動支架4個8X104絕熱層巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層5X104 綜合評價通過比較，方案1的技術安全易保證，缺點是造價高。方案2的造價較低，但必須進行兩個方面的工作：一是進一步的應力驗算，二是對跨度過大的滑動支架 應采取補強措施。3方案2的優(yōu)化設計通過方案比較，設計單位更傾向采用經(jīng)濟性較好的方案2，但是必須確保自然補償能力和大跨距滑動支架的安全性。3.1自然補償?shù)膽︱炈沅摴芘蛎浟康挠嬎?受熱后鋼管膨脹量AL 的計算式為： L= a i tL 式中 L 鋼管膨脹量，ma i 鋼材的線脹系數(shù)，K1，為1.26X 10-5 K-1 t 一一管道設計溫度與安裝溫度之差，C,

8、設計溫度為300 C，安裝溫度為20 CL管道長度，m由式(1)計算，對于圖2中管道長臂L1, L1=215mm對于圖2中管道短臂L2, L 2=43.7mm。管道空間伸長量AL s的計算式為:M = /AL? + AZ-2式中AL s管道空間伸長量，m由式 計算得，AL s=219.4mm自然補償能力的驗算對于自然補償能力的驗算，可采用計算軟件、驗算式兩種方法。首先，通過 補償應力計算軟件對方案 2的自然補償設計進行應力驗算。輸入計算條件為：各 管段的長度、管道公稱直徑、管道壁厚、彎頭彎曲半徑、安裝溫度、供熱介質(zhì)溫 度等。跨河段應力驗算結果符合安全要求。其次，采用驗算式進行驗算2:久也W20

9、”(3)式中Dn管道公稱直徑，mmL a 管道展開總長度，m將已知參數(shù)代入式（3），驗算結果滿足式（3）。上述兩種驗算方法結論相同，證明管道布置安全。為了提高安全性，設計單 位參考了方形補償器的安裝工藝3，在施工時對河道兩側的短臂進行了與熱膨脹反向的冷拉，冷拉長度為空間伸長量的20%- 30%約60mm使自然補償?shù)陌踩缘玫搅诉M一步保證。3.2架空管道跨距過大問題的解決DN 450mm 架空蒸汽管道最大允許跨距推薦值為18m。對于26m的大跨距，設計單位提出4種解決方法：進行管道補強處理（加設補強肋板）、采用拱形管道、采用懸索管架、大管背小管。后3種方法不同程度存在材料加工復雜、現(xiàn)場施工1種方

10、法的可行性。30%- 60%4，而多消耗可以在滑動支架處管道3。圖中，Ls為兩工期長、工藝復雜、造價高的缺點。因此，這里主要探討第補強肋板布置及相關計算參數(shù)該方法通過增大管道截面系數(shù)，使滑動支架跨距增加的金屬不會超過管子重量的10%當滑動支架間距較長時, 上方加焊肋板，肋板可用扁鋼或鋼板制成，補強肋板的布置見圖個滑動支架之間的距離，單位為m； Lr為滑動支架支點距肋板最遠端的距離，單位為m取Lt=o.1Ls。上肋板剖面圖見圖 4，圖中，$為肋板與管子截面中心垂直線 的夾角，單位為（° ） ； s為肋板厚度，單位為 m h為肋板高度，單位為 m點S 為管道補強后的重心，點 0為坐標原點

11、；L3為點S、0間距離，單位為 m； L4為點S距肋板上端的垂直距離，單位為m； Lsum為L3、L4之和，單位為m。圖4中兩側肋板軸線交于點S。最大跨距的理論計算未補強跨越管道截面慣性矩，的計算式為:式中I 未補強跨越管道截面慣性矩，D o 管子外徑，mD i 管子內(nèi)徑，m未補強跨越管道截面系數(shù)形的計算式為:2/0.5如+2閥久+孫皿IF 二式中W未補強跨越管道截面系數(shù),已知參數(shù)為：Do=478mm D=460mm 5 =18mm h=250mm 0 =16°。將已知參 數(shù)代入，由式(4)、(5)計算得，l=36474cm4，W=1586crri點S、0間距離1_3的計算式為：A

12、+2h6式中A管壁截面積， m補強跨越管道截面慣性矩 I c的計算式為:/r = / + 4 (厶(1.5"“)* + 2hS(+ hcos 手-L,式中ic補強跨越管道截面慣性矩，m補強跨越管道截面系數(shù) W的計算式為：出=£(8)式中w補強跨越管道截面系數(shù)，m將已知參數(shù)代入，由式(6)、(7)計算得，L3=354mm I c=80967cm4。根據(jù)圖4，利用相似三角形原理計算得出Lsum=576mm從而得到L4=222mm由式(8)計算得到，3取=3647cm。補強后滑動支架跨距 L' c,的計算式為：厶 e _ j W(9)式中L' c補強后滑動支架跨距，m未補強滑動支架允許跨距，Lm,取 18 m將已知參數(shù)代入式(9)，計算得到L' c=27.3m。通過計算可知，滑動支架設計跨 距26m小于最大允許跨距 27.3m，可以滿足要求。設計單位考慮到實際中可能遇到 的不可預見因素，在跨距中部的管道下方增加復合肋板(見圖5)，以增加管道的穩(wěn)定性。團5復合肋板的結構4結語該工程自2008年11月投入運行，經(jīng)過連續(xù)運行的檢驗，運行狀態(tài)良好。設 計時應充分利用現(xiàn)場有利條件選擇最佳設計方案，自然補償方式的經(jīng)濟性較好。