2008-3-28
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提要：液化天然氣架空管道的設計工作是液化天然氣**站總體設計中不可或缺的乙個組成部分，而相當一部分城市燃氣行業的設計人員對這種架空低溫介質管道的設計工作比較陌生。在此種管道的設計工作中，管道的受力分析(特別是溫度應力分析)是設計工作能否成功的乙個重要因素。
本文將結合自身的設計經驗對液化天然氣架空管道的受力機理、分析方法和設計中應注意的問題進行闡述，以期對讀者能有所幫助。
關鍵詞：液化天然氣架空管道；受力分析；設計方法
1 引言
對於選擇液化天然氣供氣方案的城市，液化天然氣**站是城市燃氣管網系統的源頭，地位十分重要。液化天然氣**站的核心組成部分是工藝裝置區。在此一區域，經卸車自增壓器輸入儲罐進行儲存的液化天然氣，將通過氣化器、調壓器等裝置氣化、調壓。
成為普通的天然氣，輸送給城市地下管網。為方便檢修起見，連線這些裝置的工藝管道一般均為地上低位架空管道。由於液化天然氣是-168℃的低溫液體，造成架空管道內的介質溫度與管道安裝溫度存在較大差異，溫度應力對管道的影響十分明顯。
如果不對這種影響進行合理的解決，有可能造成管道與裝置連線處發生洩漏、損壞。或者是裝置在推力的作用下產生過量變形，無法正常工作，乃至報廢。
除了溫度應力以外，和其它架空管道一樣，由內壓引起的管道環向應力和正應力。由管道自重、介質重等豎向持續荷載造成的彎曲應力，由偶然荷載(如**區的水平**作用和沿海地區的颱風)引起的水平方向應力，都對管道有一定的影響，處理不當仍然可能造成災難性後果。下面，作者將從液化天然氣架空管道一次應力(即內壓、持續荷載及偶然荷載)的計算和管道跨距的確定、。
2 液化天然氣架空管道一次應力的計算和管道跨距的確定
2.1 由內壓引起的管道環向應力和正應力
一般，設計人員對此部分內容十分熟悉，我們不再贅述。只指出，由於泊松效應，環向應力會引起正(軸向)應力，其計算公式為：
式中p——管道的設計壓力：
d0——管道的外徑；
δ——管道的壁厚。
2.2 由管道自重、介質重等豎向持續荷載造成的彎曲應力及管道跨距的確定
所謂架空管道，顧名思義，即隔一定距離就需要用支架將管道支撐起來(如圖la)。在不考慮水平和溫度受力的情況下，支架只需提供豎向支撐，我們稱只提供豎向支撐的支架為活動支架。圖1a中的多跨管道，在強度計算時一般可簡化為三跨連續梁模型(如圖1b)，則最大彎矩(發生在支座處)方程為：
式中q——管道單位長度荷載設計值=1.2(管道單位長度自重+管道單位長度保溫重)+管道單位長度滿水重，灰、雪荷載忽略未計.n/m
i——跨距(活動支架間的距離)，m
相應的最大彎曲應力為：
式中w——管道的截面係數,cm3
當然，實際工程中的管道，拐彎很多，還要計及軸向彎曲應力的組合影響，情況較上式複雜。
此外，架空管道的跨中撓度還不允許超過一定的限值，否則會對管道的正常執行造成不利影響。連續鋪設的無坡度管道，撓度方程為：
式中qk——管道單位長度荷載標準值=管道單位長度自重+管道單位長度保溫重+管道單位長度滿水重，n/m；
et——管材-168℃時的彈性模量2.08×105 n/mm2；
i——截面慣性矩，cm4；
x——支座至計算截面的長度,m。
以上也就是確定管道跨距時需要滿足的兩個必備條件，即強度條件(彎曲應力不超限)和剛度條件(撓度不超限)。
目前各種計算手冊中所列的跨距表都不太適用於液化天然氣架空管道。這主要是因為：①已有跨距表保溫重量考慮過大，至少是150kg/m3。
而液化天然氣架空管道的保溫層材料一般是架橋發泡聚乙烯，表觀密度僅26kg/m3，兩者相差過大。②已有跨距表進行剛度條件計算時，都考慮管道是有坡度的。而實際上，液化天然氣架空管道都不需要設定坡度.
這也會造成一定誤差。我們針對液化天然氣架空管道的自身情況，計算了一套專門適用於它的跨距表(如表1)，供大家參考使用。
強度條件計算時，我們的原則是：①荷載採用設計值；②由豎向持續荷載在管壁中引起的一次應力不應大於許用應力的1/2，即引入乙個0.5的係數。
於是，強度條件下的允許最大跨距計算公式為：
式中φ——焊縫係數，按手工電弧焊，取0.7；
[σ]2——管材在工作溫度下的許用應力：按考慮奧氏體不鏽鋼≤20℃時的管材許用應力，取137n/mm2
剛度條件計算時，我們的原則是：①荷載採用標準值；②當乙個中間支架失效時，管道最大撓度不應大於0.005。於是，剛度條件下的允許最大跨距計算公式為：
當工程中確實能保證支架不失效時，表1中的允許最大跨距推薦值可以乘1-1.4的擴大係數。
2.3 由偶然荷載引起的水平方向應力
表1 液化天然氣架空管道允許跨距表
注：l、管道保溫按loom厚架橋發泡聚乙烯計算：
2、表中管徑(除*號欄)均出自《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》中gb/t17395-1998中的標準化系列。
以上談的是豎向支撐問題，為了避免管道側向失穩，還需要隔一定距離設定側向支點(此處的支架稱導向支架)。當管道上存在風荷載或**等橫向作用時，側向支點就更加重要。
風荷載標準值的計算公式如下：
μz——風壓高度係數；
μsi——當多管共架時，要考慮各管的互相影響，乘此體形係數。
水平**作用標準值計算公式如下：
式中α1——相應於管道基本自振週期的**影響係數：
geq——管道的總重力荷載代表值。
表2 導向支架最大間距
有了以上的荷載標準值，就可以按照與豎向力相同的方法計算管道應力值，我們記作。但要指出，風荷載和**橫向作用不需要同時考慮，只取大者。另外，對**設防烈度在9度以上的高烈度區.
還要考慮豎向**作用。導向支架的最大間距可按表2採用。
3 液化天然氣架空管道的補償措施和溫度應力的計算理論
3.1 液化天然氣架空管道的補償措施
管道的溫度應力**是管材的熱脹冷縮。由於管道總是有約束的(連線於裝置)，管道的熱脹冷縮總是受到限制，於是管道上就產生了溫度應力。進一步的，管道對約束它的物體還要施以推(拉)力，且此種作用力的方向隨溫度變化而迴圈往復。
我們可以做乙個實驗，假設有一條直管段連線儲罐和氣化器，不做任何溫度補償措施，在只考慮溫度應力的情況下，管道對兩端裝置的推(拉)力如表3。此時管道的溫度應力如下式：
σe=αet△t (單位：n/mm2)
式中α——管道的線形膨脹係數
△t——管道安裝溫度與工作溫度之差，℃
於是，管道對裝置的推(拉)力為：
p=aσe (單位：n)
式中a——管壁截面積，mm2。
從表3中可以看出，這種推(拉)力的量值確實是不容忽視的，當管徑為200mm，推(拉)力競達2339400n，什麼裝置經受得了如此大的作用力呢?所以，在液化天然氣架空管道上必須採取溫度補償措施。
在《城鎮燃氣設計規範》中指出，管道應盡量採用自然補償的方式，即利用管道自身彎曲段的柔性吸收溫度應力。實際工程中，經常使用的是l形自然補償器(如圖2a)、z形自然補償器(如圖2b)和矩形自然補償器(如圖2c)。另外，為減輕應力集中、減小補償器尺寸和保證管道側向穩定性，我們還經常把一條管道人為的分成若干段，在分段點上把管道與支座焊死(此處的支架稱固定支架)，使管道在此處不能產生位移和轉角。
每段中部設定乙個補償器，使每段管的溫度應力由每段管的補償器吸收(如圖3)，固定點的不平衡推(拉)力由固定支架承擔。
表3 管道對兩端裝置的推(拉)力
3.2 溫度應力的計算理論
當管道成為帶拐點的平面管系後.計算將趨於複雜。我們以乙個採用l形補償的管段為例加以介紹，目的是使讀者初步了解溫度應力計算的基本理論。
管段如圖4a，兩端固定點或是固定支架分段點，或是裝置連線點，其它受力和穩定問題暫不考慮。如果我們將一端的約束去掉，代以等效力和力矩(如圖4b)。在這些力和力矩的作用下，此端變形量仍應為零。
於是有以下的變形協調方程組：
根據此關係利用力法或位移法，就可求得彈性推(拉)力，再根據求得的推(拉)力和彎矩圖，可進一步求得各點應力。這就是計算溫度應力的基本方法。
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