超高層建筑空調水管承壓設計

左　濤，　沃立成，　萬嘉鳳，　馬偉駿

（上海超高層建筑設計工程技術研究中心，華東建筑設計研究總院，上海200001）

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超高層建筑空調水管承壓設計

左濤，沃立成，萬嘉鳳，馬偉駿

（上海超高層建筑設計工程技術研究中心，華東建筑設計研究總院，上海200001）

摘要：為適應超高層建筑的高度不斷攀升的趨勢，空調冷水管道的承壓提高到3.0MPa。本文介紹對工作壓力3.0MPa冷水管進行的強度計算、自然補償的校核和固定支架的受力驗算等。

關鍵詞：冷水管工作壓力； 管道強度； 自然補償； 固定支架

0　引言

隨著技術進步和經濟發展，超高層建筑不斷涌現，作為現代城市中的地標，超高層建筑正不斷地改變著城市的經濟結構與景觀。在滿足建筑使用功能要求的前提下，建筑師越來越重視超高層建筑個性化的體現，對暖通空調設計師提出了新的挑戰。為提升冷水機組的能效和減小空調水系統的輸送能耗，對高度600m的超高層建筑，空調冷水系統宜設計兩次斷壓換熱，突破冷凍水壓力的既有限制成為當務之急。

傳統上空調冷水最高設計工作壓力限制在2.5MPa以下，對高度約600m的超高層建筑，為減少斷壓換熱在確保系統安全的前提下可提高至3.0MPa（空調末端仍應采取合理的技術措施將其工作壓力控制在不超過1.6MPa），如天津117項目，其中區冷水管水壓即超過2.5MPa，如圖1所示。

空調冷水管壓力提高到3.0MPa后，在設計上必須采取必要的技術措施，應關注1）管道內壓提高后，直管、彎管、三通等管道零件和部件的強度計算；2）管道在受到提高的內壓和持續外載產生的應力的校核計算，間接確定管道支架的間距；3）因超高層項目的體量加大，往塔樓的冷凍水干管管徑往往達到800mm及以上的直徑，干管直徑加大后，管道柔性下降，必須找到合適的計算公式以進行自然補償校核；4）塔樓的冷凍水立管因大直徑、承壓高的特性，在采用自然補償后，其最下面的固定支架受到的推力遠大于常規，必須進行固定支架的受力驗算。

本文主要討論空調水系統工作壓力3.0MPa的冷水管的相關技術細節。因工作壓力3.0MPa的冷水管的各項驗算突破既有暖通空調規范的使用范圍，必須考慮采用其它行業的相關規范來作為指導，通過搜集資料和比較，最后決定主要參考以下標準規范：《火力發電廠汽水管道設計技術規定》（DL/T 5054-1996）、美國國家標準壓力管道規范（ASMEB31.1《動力管道》、ASME B31.3《工藝管道》）、《工業金屬管道設計規范》（GB 50316-2000），并參考相關設計書籍和設計手冊：《壓力管道技術》（岳進才編著）[1]、《動力管道手冊》[2]以及其它石油化工、火力發電行業的相關內部規范和技術資料等。

本文探討的工作壓力3.0MPa冷水管均以采用無縫鋼管，鋼管材料為20號低碳鋼，鋼材在20℃時的許用壓力為131MPa作為計算和討論的前置條件，適用鋼管標準號為《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T 8163-2008）及《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T 17395-2008）。直徑超過600mm的大直徑管道要求采用熱擴無縫鋼管。

1　管道零件和部件的強度計算

1.1直管壁厚計算

按直管外徑確定時：

式中 sm—直管的最小壁厚，mm；Do—管子外徑，取用公稱

外徑，mm；

Y—溫度對計算管子壁厚

公式的修正系數；

η—許用應力的修正系數，

對于無縫鋼管η=1.0；

α—考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，mm；

p—設計壓力，MPa；

[σ]t—鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa。直管的計算壁厚按下式計算：

式中 sc—直管的計算壁厚，mm；

c—直管壁厚負偏差的附加值，mm。

直管壁厚負偏差的附加值按下式計算：

式中A按下表1選取：

表1　直管壁厚負偏差系數

按（式1）、（式2）、（式3）可得下表2。

表2　直管計算壁厚

另按《工業金屬管道設計規范》附錄D鋼管及鋼制管件厚度的規定中表D.0.2外螺紋的鋼管及鋼管件的最小厚度，見表3。

表3　外螺紋的鋼管及鋼管件（碳鋼）的最小厚度

綜合表2、表3，工作壓力3.0MPa冷水管的取用壁厚按下表4。

1.2彎管（彎頭）壁厚計算

彎管彎頭在流體作用下，產生的環向應力沿彎管截面分布很不均勻。實踐證明，產生的最大環向應力在彎頭的內凹點，這個應力比直管產生的環向應力大。如果未經校核計算，盲目采用壁厚與直管壁厚相同的彎管，會給管道系統帶來潛在風險。

按《火力發電廠汽水管道設計技術規定》的規定，“彎管（成品）任何一點的實測最小壁厚，不得小于彎管相應點的計算壁厚，且外側壁厚不得小于相連直管允許的最小壁厚sm”。工作壓力3.0MPa冷水管建議采用無縫熱壓彎頭。

彎管（彎頭）外弧最小壁厚som按下式計算：

彎管（彎頭）內弧最小壁厚sim按下式計算：

式中 R—彎管（彎頭）彎曲半徑，mm。

按式（4）和式（5），分別對彎曲半徑是外徑1.5倍和4倍的彎管（彎頭）進行計算，得出內外弧最小壁厚sm，見表5和表6。

1.3三通壁厚計算

鋼管三通可采用焊接三通，也可采用成品三通，如擠壓三通（高壓流體擠壓管坯產生塑性變形所得）、鍛制三通（鍛制坯件切削所得）等，焊接三通用得雖多，但由于高應力區正處于焊縫位置上，為滿足強度要求，需用大量焊條堆積起足夠的承載面積，對焊縫難以實施有效的無損探傷，容易留下事故隱患。鍛制三通加工余量大、成本高。擠壓三通由于主支管交接處不存在焊縫，便于進行無損探傷，保證其可靠性大大優于其它種類的三通，并且工藝可靠性好，成本低。為控制工作壓力3.0MPa的冷水管的施工質量，建議采用成品的擠壓三通，擠壓三通的強度驗算可采用壓力面積法。

表4　工作壓力3.0MPa冷水管的取用壁厚

表5　彎曲半徑是外徑1.5倍的彎管（彎頭）外弧最小壁厚som和內弧最小壁厚sim

表6　彎曲半徑是外徑4倍的彎管（彎頭）外弧最小壁厚som和內弧最小壁厚sim

圖2為圓弧過渡結構的三通縱斷面圖，圖3為直角結構的三通縱斷面圖。

按《火力發電廠汽水管道設計技術規定》有以下公式。

對三通主管

對三通支管：

式中 se—主管有效壁厚，se=s-c；

se1—支管有效壁厚，se1=s1-c。

計算時應先按三通尺寸畫出如圖2或圖3的三通縱斷面圖，然后求出承載面積Aσ和受壓面積Ap，并按下式驗算三通強度：

式中 Ap—在通過主、支管中心線的縱斷面上最大承載長度范圍內的承壓面積，mm2；

Aσ—在通過主、支管中心線的縱斷面上最大承載長度范圍內鋼材的承載面積，mm2。

在設計和施工中，可要求鋼管管件供應商提供熱壓三通的縱斷面參數，根據（式8）進行驗算。

擠壓三通主管最小壁厚計算也可參《火力發電廠汽水管道設計技術規定》的相應計算公式。擠壓三通主、支管的取用壁厚均不應小于主、支管連接管道的取用壁厚。

2　內壓外載作用下的管道支架間距的確定

室內水平管道外載只有管道自身重量、水重和保溫材料重量，對于水平管道而言，內壓外載的一次應力驗算確定了管道支架的間距。《通風與空調工程施工質量驗收規范》（GB50243-2002）中規定的管道支架間距是按工作壓力不大于2.0MPa確定的，因此對于工作壓力3.0MPa冷水管，應重新驗算調整管道支架間距。

按《動力管道手冊》，管道在工作狀態下，由內壓和持續外載產生的應力，不得大于鋼管在設計溫度下的許用應力，即按下式驗算：

式中 σzhw—持續外載軸向應力，MPa；

σw—持續外載當量應力，MPa；

δn—管道名義壁厚，mm；

Dw—管道外徑，mm。

按以上公式，計算得工作壓力3.0MPa冷水管（保溫）的支架間距，見表7。

表7　工作壓力3.0MPa冷水管（保溫）的水平管道支架間距

3　大直徑管道的自然補償驗算

對大直徑管道，直觀來看，因管道直徑的增加，自然補償相對較困難，相對于小管徑管道的自然補償可采用經驗判斷，大直徑管道的自然補償應進行驗算。

ASME B31.3給出快速確定管系熱膨脹補償的簡單判定方法，它不計算管系的應力，只做簡單判斷，它的判斷結果是粗略的，也是比較保守的。該式如下：

式中 Do—管道外徑，mm；

Y—管段總位移，mm，

U—管段兩固定點間的直線距離，m，

L—管段在兩固定點間的展開長度，m；

x，y，z—為管段在x、y、z軸方向的坐標值，mm；

Δx，Δy，Δz—為管段在x、y、z軸方向的位移值，mm。

應用式（10）的簡單判斷式時，管系必須滿足下列條件：1）管系兩端為固定點；2）管系內各管道元件的管徑、壁厚、材質應均勻一致；3）管系中無分支，且無支吊架；4）管系在使用壽命內的冷熱循環次數不超過7000次。

以上第3）點管系中除管系兩端的固定點外無支吊架在實踐中是不可能的，查ASME31.1和GB/T 20801.3-2006《壓力管道規范工業管道》，均說明為“固定支座數不大于兩個，無中間約束”，這個條件是可以滿足的。

式（10）不適用于下列管道：1）在劇烈循環條件下運行，有疲勞危險的管道；2）大直徑薄壁管道（管件應力增強系數i≥5）；3）端點附加位移量占總位移量大部分的管道；4）L/U>2.5的不等腿U形彎管管道，或近似直線的鋸齒狀管道。

在大型項目中冷水干管恰好是大直徑薄壁管，因此需對其管件的應力增強系數進行驗算。按《工業金屬管道設計規范》彎管（彎頭）的應力增大系數按下式計算：

式中 i—應力增大系數；

h—尺寸系數。

尺寸系數按下式計算：

式中 h—尺寸系數；

tFn—管件名義厚度；

R—圓弧彎管的彎曲半徑；

ro—管子的平均半徑。

對于D813×20的轉彎半徑分別為4倍管外徑和1.5倍管外徑的彎頭，其應力增大系數i分別為1.6和3.1，均小于5.0。對于大直徑薄壁彎管（彎頭），內壓會對應力增大系數由顯著影響，應將應力增大系數i除以下式：

式中 P—設計壓力；

E20—在安裝溫度下管材的彈性模量；

tsn—直管名義厚度。

對于D813×20的轉彎半徑分別為4倍管外徑和1.5倍管外徑的彎頭，根據式（13）修正后的應力增大系數i分別為1.2和2.6，均小于5.0。因此，對于D813×20的管系，其彎頭轉彎半徑采用4倍管外徑或1.5倍管外徑時，均能使用式（10）做自然補償的快速驗算，一般情況下管系宜采用轉彎半徑為4倍管外徑的彎頭，當安裝空間受限時，也可采用轉彎半徑為1.5倍管外徑的彎頭。

4　大直徑冷水管的立管固定支架的受力計算

對于如圖4的立管，其立管最下面的固定支架受到最大的向下推力，最下端固定支架的受力=鋼立管底部內壓推力+波紋膨脹節的波壁內壓推力+波紋膨脹節的彈性推力+鋼管重量（含保溫材料）。其中計算鋼立管底部內壓推力和波紋膨脹節的波壁內壓推力時，不僅應考慮管道的工作壓力，還應考慮管道試壓時增加的壓力。這些受力中以鋼立管底部內壓推力為最大，因此對于高承壓管道，因為顯著提高了管道的工作壓力，所以應高度重視大直徑立管的固定支架的推力。對于水平管，建議盡量采用自然補償，若采用波紋膨脹節補償，水平管的固定支架同樣應考慮管道和波壁的內壓推力。

以圖5所示作為計算實例，冷水管的管徑為711mm，立管底部工作壓力為2.5MPa，試壓時壓力為3.0MPa，管道溫升為從5℃到35℃，波紋膨脹節剛度為3250N/mm，經過計算立管最下部固定支架受到的推力為156t，其中鋼立管底部內壓推力為119t，遠大于常規工作壓力的立管固定支架的所受推力。

固定支架做法如圖6所示，在常規的需要對肋板的厚度和高度進行驗算外，因為大直徑高承壓冷水管道的固定支架的大推力，尚需對焊接肋板處的管身強度進行驗算，若鋼管壁厚不足，尚需焊接加強弧板對管道進行加強，加強弧板的厚度、弧長和高度均需請結構專業進行驗算，除此以外，因為固定支架的強大推力，尚需在項目設計階段即請結構專業對固定支架及其生根部位進行設計計算。

5　其它須注意問題

（1）對于工作壓力3.0MPa的冷水管道，在機房內總是存在一些小直徑的支管，如壓力表、溫度計、放氣閥的安裝、泄水管、補水管等等，不可能要求所有的三通均采用成品三通，按《火力發電廠汽水管道設計技術規定》的相關公式及圖表進行計算，工作壓力3.0MPa的冷水管主管上未加強開孔最大允許直徑如見表8。

（2）為確保安全性，要求在機房外的工作壓力3.0MPa冷水管道只存在直管和彎頭兩類主要管件。

（3）建議工作壓力3.0MPa的冷水管的立管上波紋膨脹節靠近下部固定支架安裝，以提高立管受到擾動時的穩定性。

（4）工作壓力3.0MPa冷水管僅用于系統干管，接空調末端的空調冷水管仍應采取合理的技術措施將其工作壓力控制在不超過1.6MPa。

（5）按國標，公稱壓力4.0MPa級別的鋼制管法蘭只適用于D600及以下管徑的鋼管，故對于工作壓力超過2.5MPa且直徑大于D600的冷水管，其與閥門、波紋膨脹節的連接應采用對焊連接。

（6）為減小力矩，方便開啟，公稱直徑不小于D500的工作壓力超過1.6MPa冷水管上安裝閘閥時應安裝旁通閥，旁通閥的規格按管道直徑的十分之一選用。

6　結語

本文對工作壓力3.0MPa的冷水管的管道壁厚、支架間距做了必要的計算，并引用簡單判斷式對管道的自然補償做快速判斷，以及設波紋膨脹節的立管的固定支架受力做了一定的介紹，希望能對超高層建筑的空調設計能做一些有益的探索和研究。

表8　工作壓力3.0MPa冷水管主管上未加強開孔最大允許直徑

參考文獻：

[1]岳進才.壓力管道技術 [M].2版.北京：中國石化出版社，2006.

[2]施振球，趙廷元，黃先揚，等.動力管道手冊[M].1版.北京：機械工業出版社，1994.

修回日期：2016-03-30

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.011

中圖分類號：TU83

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0044-07

作者簡介：左濤（1973-），男，湖北人，碩士，高級工程師，主要從事暖通空調設計和研究工作。

收稿日期：2016-03-14

Pressure Design of Chilled Water Pipe in Super High-rise Building

ZUO Tao， WO Li-cheng， WAN Jia-feng， MA Wei-jun

（Shanghai Engineering Research Center of Super High-rise Building Design，East China Architectural Design&Research General Institute，Shanghai 200001，China）

Abstract：Working pressure of chilled water pipe up to 3.0MPa is necessary because the height of super high-rise buildings is growing continually.It introduces pressure design of piping components，flexibility analysis and forces on anchors for the chilled water pipe in this article.

Key words：working pressure of chilled water pipe； pressure design； flexibility analysis； forces on anchors