臺風地區架空煤氣管道設計要點

鐘麗娜

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201999）

前言

鋼廠的副產煤氣是伴隨著煉鐵、煉焦以及煉鋼的生產過程而產生的，是鋼鐵企業各單元生產的主要燃料來源。煤氣管道多采用架空布置，對建于臺風地區的鋼廠而言，抗風設計尤為重要。

1 管道斷面布置

鋼廠煤氣主干管網通常沿道路邊架空敷設，同一路段經常有多根煤氣管道共架敷設。以某臺風地區鋼廠燃氣管網工程為例，某路段有如下煤氣管道：DN3200高爐煤氣，DN2200轉爐煤氣，DN1600焦爐煤氣，DN1400 焦爐煤氣及DN1100 加壓焦爐煤氣各1 根。管道斷面布置中，將管徑較小的煤氣管道架設在大煤氣管道上是冶金企業管道敷設的常用做法，這樣能取得更大的跨距，節約支架工程量。本路段煤氣管道眾多，考慮總圖限值，管道分兩層布置，下層3 根較大管徑煤氣管道，上層2 根較小煤氣管道架設在下層中間大煤氣管道上，還有一些氧、氮、氬、蒸汽等小管道分別架設在下層兩邊的煤氣管道上。管道斷面布置見圖1。

2 支架跨距計算

煤氣管道的跨距應按強度與剛度條件分別計算［1］。強度條件是控制管道自重彎曲應力不超過管材的許用外載彎曲應力值，根據這個條件計算的管道跨距，稱為按強度條件計算的跨距。剛度條件是限制管道自重產生的彎曲撓度，根據對撓度的限制所確定的管道跨距稱為按剛度條件計算的跨距［2］。

2.1 強度條件跨距計算

分別按照《鋼鐵企業燃氣設計參考資料》（煤氣部分）中（以下簡稱“參考資料”）強度跨距計算公式

以及《鋼鐵企業煤氣儲存和輸配系統設計規范》GB51128-2015中強度跨距計算公式

計算各煤氣管道跨距，煤氣管道的事故荷載按積水高度500 mm計算，預留荷載按基本計算荷載的30%計算，公式（1）焊縫系數取0.95，管道材質為Q235B，介質溫度為常溫，材料許用應力為113 MPa，管道壁厚、荷載及跨距計算結果見表1。

表1 煤氣管道強度跨距計算

規范GB51128 中強度跨距計算公式是依據支架間距的“強度條件是控制管道自重彎曲應力不應超過設計溫度下材料許用應力的一半”來推算的，因此計算所得的跨距比依據“參考資料”公式計算結果偏小。項目煤氣管道工作壓力均低于20 kPa，對于低壓煤氣管道，內壓引起的縱向應力很小，即使沒有考慮焊縫系數，按照規范GB 51128計算得到的強度跨距比按照“參考資料”計算得到的跨距偏小且有很大安全空間。

2.2 剛度條件跨距計算

煤氣管道全部采用無坡敷設，剛度跨距按GB51128-2015 公式L2=0.048，煤氣管道的事故荷載按積水高度500 mm計算，預留荷載按基本計算荷載的30%計算，管道計算壁厚、荷載及跨距計算結果見表2。

表2 煤氣管道剛度跨距計算

剛度跨距計算公式是按三跨連續承受均布荷載計算的。對架設在煤氣管道上的其他管道，一般按均布載荷考慮是偏于安全的［3］。

根據強度條件和剛度條件跨距計算結果，選取本路段煤氣管道跨距為20 m。

3 局部應力驗算

由于項目處于臺風地區，考慮臺風對管道應力的影響，因此嘗試分別通過應力計算公式和有限元模型來分析管道局部應力。

3.1 按照“參考手冊”的應力驗算

跨距計算公式僅考慮了管道的軸向應力，管道在管托處尚有切應力、局部周向彎曲應力及局部壓應力［4］。

3.1.1 管托處切應力計算

切應力主要由管托反力及外加荷載的扭矩所產生。通過公式

及公式

分別計算每根管道的管托反力及扭矩產生的切應力，

式中：Q——管托計算反力，kg；

Rp——管道平均半徑，cm；

δj——管道計算壁厚，cm；

Mp——外加管道產生的扭矩，kg·cm；

Z——管道的斷面系數，cm3。

外加荷載考慮了小管道荷載和風荷載，管道荷載按照兩個工況考慮，第一個工況為大管道金屬重+大管道事故水重+小管道荷載+預留荷載，第二個工況為大管道金屬重+大管道操作荷載+小管道荷載+預留荷載+垂直風荷載，兩者取較大值計算管托處的切應力。

項目所處臺風地區的基本風壓取0.86 kN/m2，5根煤氣管道的荷載、管托反力、扭矩產生的切應力及合成切應力計算結果見表3。

表3 煤氣管道切應力計算

如表結果顯示：管托處的切應力均在材料的許用應力范圍之內。

3.1.2 管托處管壁壓應力計算

管托的反力指向管心，在管托所接觸的范圍內，管壁受到局部壓應力，最大壓應力在管道最低處，局部壓應力按公式（5）計算。

式中：ky——壓應力系數，當2θ=120°，ky=0.76；

δj2——管道計算壁厚和襯托板壁厚之和，cm；

δj1——管道計算壁厚，cm；

b——管托寬帶，cm。

項目中所選用托座角度為120°；對于δj2的取值，托座的襯托板伸出管托兩側60 mm，均＜時，δj2取δj1，5 根煤氣管道局部壓應力計算結果見表4。

表4 煤氣管道局部壓應力計算

管道局部許用應力=1.35［σ］=1.35×1 130=1 526 kg/cm2，如表結果所示煤氣管道的局部壓應力均小于局部許用應力。

3.1.3 管托處管壁的周向彎曲應力計算

管托的反力對管壁產生周向彎矩，在管托邊角處為最大，周向彎曲應力按公式計算。

式中：kzw——軸向彎矩系數，當2θ=120°，kzw=0.053。

DN1400 及以上煤氣管道在每個托座的兩側設置了加固圈，DN3200 管道還在每個管托中心增設了加固圈，加固圈形式及參數見圖2及表5所列。

圖2 煤氣管道加固圈示意圖

表5 煤氣管道加固圈參數

通過公式（6）計算沒設置加固圈的DN1100 管道的周向彎曲應力，彎矩系數取0.053，由于襯托板的包角比管托的包角每側大6°，δj2取10 mm，計算得σrw=933.7 kg/cm2，小于局部許用應力。本項目中DN1400、DN1600及DN2200管道在管托兩側設置了型鋼加固圈，DN3200 管道在管托兩側及中心均設置了型鋼加固圈，“參考資料”中的加固圈僅設置在管托中心，由于設置的加固圈形式不同于“參考資料”，無法按照“參考資料”中的公式計算周向彎曲應力，在下一章節中將采用有限元模型對管道局部應力進行了分析。

3.2 有限元模型分析

利用Ansys 軟件建模對臺風工況下DN3200、DN2200 及DN1600 管徑的三根煤氣管道的應力情況進行分析。分析工況考慮了大管道及小管道的荷載及操作水重、大管承受的水平風載荷（風振系數取2.0），大管上托座安裝小管所承受的風載荷及產生的相應力矩等。模型的輸入參數如下表6。

表6 有限元模型分析輸入參數

模型分析所得三根管道的最大局部應力見圖3～5。

圖3 DN3200管道最大局部應力云圖（單位：MPa）

在臺風+操作水載荷工況作用下，DN3200、DN2200 及DN1600 管道的最大局部應力及材料許用應力分別見表7。

圖4 DN2200管道最大局部應力云圖（單位：MPa）

從圖3～圖5 可以發現，煤氣管道最大局部應力主要分布煤氣管道管托的翼板邊緣以及煤氣管道與加固圈的交接處。從表7數據可見，管道、管托以及加固圈的最大局部應力均小于材料的許用應力。

圖5 DN1600管道最大局部應力云圖（單位：MPa）

表7 管道局部最大應力及材料許用應力

4 臺風地區管道加固方式應用

工程設計中，對于臺風地區，考慮到風荷載對管道應力的影響，為降低管托處的局部應力，管托主要采用底部兩側為直角的鞍形托座。煤氣管道的管托以及加固圈處局部應力更大，可以采用許用應力更大的材質，比如Q345B，而管道本身可選用許用應力略小的材質如Q235B。對于管徑大且附加荷載較大的管道，管托中心處可設置型鋼加固圈降低管托處局部應力。同時對于非鉸接的煤氣管道，在非固定點的地方增加包帶可防止臺風下煤氣管道傾覆。

5 結語

以臺風地區某路段的架空煤氣管道的設計為例，計算和分析了臺風工況下煤氣管道的局部應力。臺風地區的煤氣管道設計中應視管道荷載、跨距等情況對管托處進行加固，同時托座及加固圈選用比煤氣管道許用應力更大的材質，確保臺風來臨時煤氣管道的穩固與安全。