摘要：對(duì)某蒸汽管道跨河工程的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了篩選，選定自然補(bǔ)償架空敷設(shè)方案。對(duì)自然補(bǔ)償量進(jìn)行了應(yīng)力驗(yàn)算，可滿足設(shè)計(jì)要求。采用加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)肋板，解決了架空管道跨距大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)跨度滿足理論計(jì)算結(jié)果。
關(guān)鍵詞：自然補(bǔ)償；蒸汽管道；架空敷設(shè)；補(bǔ)強(qiáng)
Scheme Comparison and Optimization Design for Overhead Installation of Steam Pipeline across River
CUI Yue，GENG Fang，GAO Ran
Abstract：The design schemes of a project of steam pipeline across river are screened，and the overhead installation scheme with self-compensation is selected. The stress calculation of the self-compensation is carried out，and it can meet the design requirement. The problem of large span of overhead pipeline is solved by adding reinforced plates，and the design span meets the theoretical calculation result.
Key words：self-compensation；steam pipeline；overhead installation；reinforcement
1 工程概況
隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，架空敷設(shè)供熱管道逐漸被直埋或管溝敷設(shè)方式所取代，但是在許多特殊場(chǎng)所(如跨越河道等)，架空敷設(shè)仍然具有技術(shù)成熟、施工便捷的優(yōu)勢(shì)。在濟(jì)南市小清河濱河南路供熱管道跨全福河施工過(guò)程中，就遇到了蒸汽供熱管道跨河的情況。該工程位于濟(jì)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Ø78×9，輸送介質(zhì)為蒸汽，設(shè)計(jì)溫度為300℃，設(shè)計(jì)壓力為1.3MPa。
2 設(shè)計(jì)方案的比較
2.1 設(shè)計(jì)方案
① 方案1
方案1為灌注樁基礎(chǔ)架空跨越設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)平面圖見(jiàn)圖1。在河道內(nèi)設(shè)計(jì)了3根灌注樁，作為滑動(dòng)支架的支撐，灌注樁直徑為1m，深度至河底標(biāo)高以下12m，間距為16m，采取有補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方式，河道內(nèi)為鋼管現(xiàn)場(chǎng)保溫架空敷設(shè)，河道兩側(cè)為鋼套鋼直埋敷設(shè)。
②方案2
方案2為擴(kuò)挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱架空跨越設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)平面圖見(jiàn)圖2。利用老河道的河墻作為兩處滑動(dòng)支架的支撐，在河道內(nèi)新增4個(gè)擴(kuò)挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱滑動(dòng)支架，跨河管道采用自然補(bǔ)償方式。
③ 方案3
方案3為河底穿越設(shè)計(jì)方案。該方案是按建設(shè)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(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)太大，設(shè)計(jì)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(shù)經(jīng)濟(jì)性比較
① 技術(shù)比較
方案1采用了波紋管補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高、設(shè)計(jì)校核簡(jiǎn)單，技術(shù)上可行。方案2采用了自然補(bǔ)償方式，理論上可行，但需進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)滑動(dòng)支架間的大跨度(26m)安裝有一定難度。
② 經(jīng)濟(jì)性比較
方案1的設(shè)計(jì)除正常管材外，比方案2增設(shè)鋼套鋼固定支座，且灌注樁的造價(jià)較高，施工也有一定難度。方案2由于省去了補(bǔ)償器，且為擴(kuò)挖基礎(chǔ)，因此造價(jià)較低。兩種方案的工程造價(jià)比較見(jiàn)表1。
表1 兩種方案的工程造價(jià)比較
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方案
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方案1
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內(nèi)容
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造價(jià)/元
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管子、
附件及安裝
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鋼管長(zhǎng)64m，鋼套鋼直埋保溫管長(zhǎng)26m，波紋管補(bǔ)償器1件，鋼套鋼固定支座6件，彎頭4個(gè)
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24×104
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土建施工
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灌注樁基礎(chǔ)滑動(dòng)支架3個(gè)
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18×104
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絕熱層
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巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護(hù)層
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3×104
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方案
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方案2
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內(nèi)容
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造價(jià)/元
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管子、附件及安裝
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鋼管長(zhǎng)90m，鋼套鋼固定支座2件，彎頭4個(gè)
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15×104
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土建施工
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擴(kuò)挖混凝土基礎(chǔ)鋼立柱滑動(dòng)支架4個(gè)
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8×104
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絕熱層
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巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護(hù)層
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5×104
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③ 綜合評(píng)價(jià)
通過(guò)比較，方案1的技術(shù)安全易保證，缺點(diǎn)是造價(jià)高。方案2的造價(jià)較低，但必須進(jìn)行兩個(gè)方面的工作：一是進(jìn)一步的應(yīng)力驗(yàn)算，二是對(duì)跨度過(guò)大的滑動(dòng)支架應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。
3 方案2的優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過(guò)方案比較，設(shè)計(jì)單位更傾向采用經(jīng)濟(jì)性較好的方案2，但是必須確保自然補(bǔ)償能力和大跨距滑動(dòng)支架的安全性。
3.1 自然補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力驗(yàn)算
① 鋼管膨脹量的計(jì)算[1]
受熱后鋼管膨脹量△L的計(jì)算式為：
△L=αl△tL (1)
式中△L——鋼管膨脹量，m
αl——鋼材的線脹系數(shù)，K-1，為1.26×10-5K-1
△t一一管道設(shè)計(jì)溫度與安裝溫度之差，℃，設(shè)計(jì)溫度為300℃，安裝溫度為20℃
L——管道長(zhǎng)度，m
由式(1)計(jì)算，對(duì)于圖2中管道長(zhǎng)臂L1，△L1=215mm；對(duì)于圖2中管道短臂L2，△L2=43.7mm。
管道空間伸長(zhǎng)量△LS的計(jì)算式為：
式中△LS——管道空間伸長(zhǎng)量，m
由式(2)計(jì)算得，△LS=219.4mm
② 自然補(bǔ)償能力的驗(yàn)算
對(duì)于自然補(bǔ)償能力的驗(yàn)算，可采用計(jì)算軟件、驗(yàn)算式兩種方法。首先，通過(guò)補(bǔ)償應(yīng)力計(jì)算軟件對(duì)方案2的自然補(bǔ)償設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。輸入計(jì)算條件為：各管段的長(zhǎng)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?？绾佣螒?yīng)力驗(yàn)算結(jié)果符合安全要求。
其次，采用驗(yàn)算式進(jìn)行驗(yàn)算[2]：
式中Dn——管道公稱直徑，mm
La——管道展開(kāi)總長(zhǎng)度，m
將已知參數(shù)代入式(3)，驗(yàn)算結(jié)果滿足式(3)。
上述兩種驗(yàn)算方法結(jié)論相同，證明管道布置安全。為了提高安全性，設(shè)計(jì)單位參考了方形補(bǔ)償器的安裝工藝[3]，在施工時(shí)對(duì)河道兩側(cè)的短臂進(jìn)行了與熱膨脹反向的冷拉，冷拉長(zhǎng)度為空間伸長(zhǎng)量的20%～30%，約60mm，使自然補(bǔ)償?shù)陌踩缘玫搅诉M(jìn)一步保證。
3.2 架空管道跨距過(guò)大問(wèn)題的解決
DN 450mm架空蒸汽管道最大允許跨距推薦值為18m。對(duì)于26m的大跨距，設(shè)計(jì)單位提出4種解決方法：進(jìn)行管道補(bǔ)強(qiáng)處理(加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)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(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)施工工期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、造價(jià)高的缺點(diǎn)。因此，這里主要探討第1種方法的可行性。
① 補(bǔ)強(qiáng)肋板布置及相關(guān)計(jì)算參數(shù)
該方法通過(guò)增大管道截面系數(shù)，使滑動(dòng)支架跨距增加30%～60%[4]，而多消耗的金屬不會(huì)超過(guò)管子重量的10%。當(dāng)滑動(dòng)支架間距較長(zhǎng)時(shí)，可以在滑動(dòng)支架處管道上方加焊肋板，肋板可用扁鋼或鋼板制成，補(bǔ)強(qiáng)肋板的布置見(jiàn)圖3。圖中，Ls為兩個(gè)滑動(dòng)支架之間的距離，單位為m；Lr為滑動(dòng)支架支點(diǎn)距肋板最遠(yuǎn)端的距離，單位為m，取Lr=0.1Ls。上肋板剖面圖見(jiàn)圖4，圖中，φ為肋板與管子截面中心垂直線的夾角，單位為(°)；δ為肋板厚度，單位為m；h為肋板高度，單位為m；點(diǎn)S為管道補(bǔ)強(qiáng)后的重心，點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)；L3為點(diǎn)S、O間距離，單位為m；L4為點(diǎn)S距肋板上端的垂直距離，單位為m；Lsum為L(zhǎng)3、L4之和，單位為m。圖4中兩側(cè)肋板軸線交于點(diǎn)S。
② 最大跨距的理論計(jì)算
未補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面慣性矩，的計(jì)算式為：
式中I——未補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面慣性矩，m4
Do——管子外徑，m
Di——管子內(nèi)徑，m
未補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面系數(shù)形的計(jì)算式為：
式中W——未補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面系數(shù)，m3
已知參數(shù)為：Do=478mm，Di=460mm，δ=18mm，h=250mm，φ=16°。將已知參數(shù)代入，由式(4)、(5)計(jì)算得，I=36474cm4，W=1586cm3。
點(diǎn)S、O間距離L3的計(jì)算式為：
式中A——管壁截面積，m2
補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面慣性矩Ic的計(jì)算式為：
式中Ic——補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面慣性矩，m4
補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面系數(shù)Wc的計(jì)算式為：
式中Wc——補(bǔ)強(qiáng)跨越管道截面系數(shù)，m3
將已知參數(shù)代入，由式(6)、(7)計(jì)算得，L3=354mm，Ic=80967cm4。根據(jù)圖4，利用相似三角形原理計(jì)算得出Lsum=576mm，從而得到L4=222mm。由式(8)計(jì)算得到，取=3647cm3。
補(bǔ)強(qiáng)后滑動(dòng)支架跨距L′c，的計(jì)算式為：
式中L′c——補(bǔ)強(qiáng)后滑動(dòng)支架跨距，m
Lc——未補(bǔ)強(qiáng)滑動(dòng)支架允許跨距，m，取18 m
將已知參數(shù)代入式(9)，計(jì)算得到L′c=27.3m。通過(guò)計(jì)算可知，滑動(dòng)支架設(shè)計(jì)跨距26m小于最大允許跨距27.3m，可以滿足要求。設(shè)計(jì)單位考慮到實(shí)際中可能遇到的不可預(yù)見(jiàn)因素，在跨距中部的管道下方增加復(fù)合肋板(見(jiàn)圖5)，以增加管道的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語(yǔ)
該工程自2008年11月投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)連續(xù)運(yùn)行的檢驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)良好。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用現(xiàn)場(chǎng)有利條件選擇最佳設(shè)計(jì)方案，自然補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性較好。架空敷設(shè)蒸汽管道設(shè)計(jì)中，可以考慮自然補(bǔ)償與補(bǔ)強(qiáng)管道增大跨距方法的結(jié)合。
參考文獻(xiàn)：
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[4] 施振球.動(dòng)力管道手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994
(本文作者：崔明 耿房 高冉 濟(jì)南熱力有限公司 山東濟(jì)南 250011)
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