高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的探討及應(yīng)用

上海金山天然氣有限公司 孔令云

隨著城市規(guī)劃和建設(shè)的發(fā)展，為緩解現(xiàn)代人的居住環(huán)境，高層民用住宅也越來(lái)越多。如何安全可靠地為高層住宅供氣，已成為我們面臨的重任之一。鑒于高層建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高及管道燃?xì)獾墓?yīng)特點(diǎn)，燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)需要綜合考慮燃?xì)夤に嚒⒂脷獍踩?、氣源特性、建筑結(jié)構(gòu)等諸多因素。本文對(duì)高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中涉及的幾個(gè)問(wèn)題，結(jié)合金山石化城區(qū)高層建筑及地質(zhì)環(huán)境等特點(diǎn)進(jìn)行如下分析及探討。

1 高層建筑燃?xì)夤艿赖墓に囋O(shè)計(jì)

1.1 高層建筑沉降的影響及其補(bǔ)償措施

高層建筑因自重會(huì)產(chǎn)生一定量的沉降量，建筑的沉降對(duì)燃?xì)庖牍艿挠绊懛浅Ｖ匾８邔咏ㄖ細(xì)夤艿拦獾姆绞街饕袃煞N：

一種是中壓進(jìn)戶，入戶后再分別調(diào)壓，見(jiàn)圖1。

圖1 高層建筑上環(huán)下行分戶調(diào)壓

另一種是樓棟集中調(diào)壓，再低壓進(jìn)戶；這種方式又可分為地面調(diào)壓和樓頂調(diào)壓，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 高層建筑上環(huán)下行地面調(diào)壓

圖3 高層建筑上行下環(huán)樓頂調(diào)壓

兩種方式均采取上行下給的供氣方式，即燃?xì)庾陨仙苤翗琼敵森h(huán)狀或支狀，再通過(guò)各下降立管至燃器具。結(jié)合金山石化城區(qū)25 層高層住宅臨潮、臨波大樓的液化氣管道改造經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)考慮以下措施：

在上升管與庭院管連接處，燃?xì)怃摴鼙M可能采取煨彎減少焊縫。庭院管與上升管的連接口應(yīng)在高層建筑建成沉降一段時(shí)間后，并在室內(nèi)管全部竣工后施工安裝，以減少沉降對(duì)接口處的應(yīng)力作用。鑒于高層住宅臨波大樓是對(duì)原有液化氣供氣管道的改造，故在設(shè)計(jì)施工時(shí)只考慮了在上升管出庭院地面0.3～0.5 m 處設(shè)置了波紋管補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償高層建筑及庭院管的沉降減小引入管的切應(yīng)力。

1.2 燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算及其補(bǔ)償措施

高層建筑因立管較長(zhǎng)，管道自重大，管道上會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。因受環(huán)境溫度變化的影響，立管會(huì)產(chǎn)生變形和熱應(yīng)力。金山石化城區(qū)地處沿海，加之多采用室外敷設(shè)的形式，在對(duì)高層建筑燃?xì)庠O(shè)計(jì)時(shí)這些應(yīng)力均是不可忽視的，設(shè)計(jì)不當(dāng)就有可能使管道自身和支架達(dá)到破壞程度，造成管彎曲、斷裂等引起的燃?xì)馐鹿省?/p>

1.2.1 壓縮應(yīng)力及補(bǔ)償措施

臨潮、臨波大樓改造后燃?xì)獾墓?yīng)采用將調(diào)壓器安裝在樓頂(室外)，中壓立管上升至樓頂，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后再上環(huán)下行低壓進(jìn)戶的方式。中壓立管和低壓立管分別采用管徑D60×3.5 和D48×3.0 不銹鋼管，其材質(zhì)為304(0Cr18Ni9)。

管道自重產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力：

式中：σ—壓縮應(yīng)力，MPa；

G—燃?xì)夤艿雷灾?，N；

S—立管截面積，mm2。

304(0Cr18Ni9)不銹鋼在≤100℃時(shí)的許用應(yīng)力為137 MPa(執(zhí)行《鋼制壓力容器》(GB 150—1998))。對(duì)不同管徑的鋼管(按不銹鋼管)進(jìn)行允許管長(zhǎng)的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不銹鋼管允許的管長(zhǎng)

計(jì)算結(jié)果表明：在無(wú)承重支撐時(shí)，立管底部的壓縮應(yīng)力要達(dá)到允許應(yīng)力，管長(zhǎng)超過(guò)1 765 m，而如此高的立管長(zhǎng)度對(duì)于一般高層建筑是不可能的。為此，只要解決立管自重產(chǎn)生的應(yīng)力，采取補(bǔ)償措施。

補(bǔ)償措施：在臨潮、臨波大樓燃?xì)夤艿栏脑熘袨槭沽⒐茏灾氐玫骄鶆蚍謹(jǐn)?，在?shí)際施工中每一層(按標(biāo)準(zhǔn)層層高)設(shè)置1 支架，以承受立管的自重，同時(shí)避免立管底部的壓縮應(yīng)力過(guò)大。

1.2.2 伸縮量與熱應(yīng)力及補(bǔ)償措施

以臨潮、臨波大樓液化氣管道改造立管為例，對(duì)伸縮量及熱應(yīng)力進(jìn)行分析。管道自由膨脹時(shí)，伸縮量按下式計(jì)算：

式中：ΔL—管道伸縮量，m；

α—管材膨脹系數(shù)(304 不銹鋼管管壁在≤100℃時(shí)為10.3×10-6m/ m℃)；

t1—管道安裝溫度，℃；

t2—燃?xì)鉁囟?，℃?/p>

L—管長(zhǎng)度，m。

如果將管道兩端固定，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力為：

式中：σt—熱應(yīng)力，MPa；

E—彈性模數(shù)(304 不銹鋼管取1.98×105 MPa)。

熱應(yīng)力只與管道材質(zhì)和溫度變化有關(guān)，與管長(zhǎng)、管徑無(wú)關(guān)。不銹鋼管在不同溫差下的伸縮量及熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不銹鋼管的伸縮量及熱應(yīng)力

高層建筑燃?xì)夤艿来嬖谝欢ǖ纳炜s量及熱應(yīng)力，在設(shè)計(jì)中是不容忽視的問(wèn)題。因此必須對(duì)此采取有效的補(bǔ)償措施，在臨潮、臨波大樓液化氣改造工程中，已結(jié)合管道在不同溫差下的伸縮量及熱應(yīng)力，每隔3～6 層設(shè)置1 固定支架，并在上升中壓立管采用安裝了1 個(gè)波紋管補(bǔ)償器和1 個(gè)分段閥門(mén)，既克服管道因溫差而引起的應(yīng)力和變形，又便于維修。

1.3 燃?xì)夤艿乐Ъ艿脑O(shè)計(jì)

臨潮、臨波大樓及燃?xì)夤艿朗茄亟ㄖ鈮Ψ笤O(shè)的，在實(shí)際施工中采用每隔一層層高(2.8～3.0 m)設(shè)置1 個(gè)支架。除在設(shè)計(jì)位置安裝固定支架外，其余均采用管卡式活動(dòng)支架。通過(guò)研究驗(yàn)證，此方式適合金山石化城區(qū)高層建筑燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)要求。

1.4 附加壓力的影響及供氣方式的選擇

1.4.1 附加壓力的影響

高層建筑高程較高，燃?xì)饬⒐茌^長(zhǎng)，由于燃?xì)饷芏扰c空氣不同，在立管中就會(huì)產(chǎn)生較大的附加壓力。如果采取區(qū)域調(diào)壓，低壓進(jìn)戶形式，必須考慮附加壓力。附加壓力按下式計(jì)算：

式中：Δp—附加壓力，Pa；

ρa(bǔ)—空氣密度(取1.293 kg/m3)；

ρb—燃?xì)饷芏?，kg/m3；

H—燃?xì)夤艿澜K、起點(diǎn)的高程差，m；

g—重力加速度。

金山石化城區(qū)現(xiàn)在氣源為液化石油氣，遠(yuǎn)期氣源為天然氣。以臨波大樓下降立管為例，氣源為液化石油氣時(shí)，產(chǎn)生的附加壓力Δp值為正；氣源為天然氣時(shí)，產(chǎn)生的附加壓力Δp 為負(fù)。

假設(shè)天然氣的密度約為0.74 kg/m3，液化石油氣的密度約為2.351 kg/m3。那么高程每升高1 m，產(chǎn)生的附加壓力為：天然氣為5.42 Pa，液化石油氣為-10.37 Pa.

以上升立管為例，對(duì)石化高層建筑供應(yīng)液化石油氣、天然氣所產(chǎn)生的附加壓力進(jìn)行分析如下表：

表3 高層建筑供應(yīng)液化石油氣、天然氣所產(chǎn)生的附加壓力

以上分析表明：如果采用地面區(qū)域調(diào)壓，低壓進(jìn)戶方式，氣源為液化石油氣時(shí)，隨樓層增高，附加壓力減小，達(dá)到一定高度時(shí)，會(huì)使室內(nèi)低壓燃?xì)夤艿雷枇p失超過(guò)允許值，顯然這種供氣方式建筑物層高不應(yīng)超過(guò)6～9 層。通過(guò)分析，高層建筑燃?xì)夤艿拦獾姆绞街饕? 種：一種是中壓進(jìn)戶，入戶后再分別調(diào)壓；另一種是樓棟集中調(diào)壓，再低壓進(jìn)戶。鑒于臨潮、臨波這兩幢金山石化城區(qū)最早采用地面調(diào)壓中壓進(jìn)戶供氣方式的25 層高層住宅，供氣模式經(jīng)十年左右的實(shí)際運(yùn)行，已暴露出幾點(diǎn)問(wèn)題：

(1)缺少檢修平臺(tái)，立管檢修無(wú)法進(jìn)行；

(2)室內(nèi)用戶調(diào)壓器的故障率比較高，且是采用中壓進(jìn)戶，一旦泄漏其危害性較低壓進(jìn)戶大；

(3)調(diào)壓器安裝在室內(nèi)，不利于運(yùn)行維護(hù)，一旦發(fā)生調(diào)壓器失靈，存在較大的危險(xiǎn)性。因此，根據(jù)臨潮、臨波大樓建筑特點(diǎn)和居住戶數(shù)，最后采取將調(diào)壓器安裝在室外頂層，中壓立管上升到屋頂，通過(guò)樓頂調(diào)壓器調(diào)壓后，再經(jīng)上環(huán)下行向用戶供氣的方式是合理的。

1.4.2 選用合適管徑消除附加壓力的影響

以臨波大樓為例，1～25 層每層層高3 m，每層用戶8 戶，將調(diào)壓器安裝在頂層，以1 根管徑為D60×3.5 的中壓立管上升到屋頂，通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓后，再上環(huán)下行經(jīng)管徑為D48×3.0 的8 根低壓立管分別向用戶供氣，入戶管管徑D22×2.5。

供氣方式如圖4 所示：

圖4 臨波大樓液化氣管網(wǎng)改造后供氣方式

以1 根低壓供氣立管為例，1～25 層，用戶25戶。

選用不銹鋼管管徑D48×3.0 時(shí)：

由高差產(chǎn)生的附加壓力：

為保證安全平穩(wěn)供氣需選擇合適管徑，消除附加壓力的影響。

用同時(shí)工作系數(shù)法計(jì)算管道流量：

式中：Kn—相同燃具或相同組合燃具同時(shí)工作系數(shù)，取0.43；

Qn—燃?xì)饩哳~定流量，取1.65 m3/h·戶；

N—相同燃具或相同組合燃具數(shù)，取25 戶。

根據(jù)低壓液化氣管道供氣特點(diǎn)，利用公式法計(jì)算。設(shè)定流動(dòng)狀態(tài)為層流：

式中：Δp—燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失，Pa；

Q—燃?xì)夤艿赖挠?jì)算流量，m3/h；

d—管道內(nèi)徑，mm；

ρ0—燃?xì)饷芏?取2.26 kg/m3)；

ν—運(yùn)動(dòng)粘度(取3.287×10-6m2/s)；

T—實(shí)際燃?xì)鉁囟?，K；

T0—273 K。

取液化石油氣溫度為10℃，將給定數(shù)值代入(5)式得：管道內(nèi)徑d=40.07 mm，選擇管徑D48×3.0。

管道單位長(zhǎng)度壓力降：

已知Q=17.7 m3/h，查《燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊(cè)》高中低壓鋼管水力計(jì)算圖表得可以選擇D48×3.0。

結(jié)合臨潮、臨波大樓液化氣管道改造后測(cè)得的低壓管實(shí)際運(yùn)行壓力，根據(jù)液化氣氣源特性，經(jīng)分析選擇1 樓和25 樓為最佳測(cè)壓方案，依據(jù)全年平均溫度變化選擇1～7月為最佳測(cè)壓日期。測(cè)得壓力如下表：

表4 臨潮大樓液化氣供氣管道壓力監(jiān)控記錄

表5 臨波大樓液化氣供氣管道壓力監(jiān)控記錄

結(jié)論：選用管徑D48×3.0的不銹鋼鋼管是可行的。

2 高層建筑燃?xì)夤艿赖陌踩胧?/h2>

由于高層建筑的特殊性，根據(jù)氣源特性在設(shè)計(jì)施工中需采取相應(yīng)的安全措施。

2.1 閥門(mén)系統(tǒng)

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)要求及氣源特性，高層建筑管道設(shè)計(jì)需要在上升總管設(shè)緊急切斷閥。當(dāng)燃?xì)庑孤┗虬l(fā)生事故時(shí)?？闪⒓搓P(guān)閉緊急切斷閥，以確保安全。在臨潮、臨波大樓改造中根據(jù)液化氣氣源特性，在上升總管設(shè)置了球閥，一旦出現(xiàn)液化氣泄漏等安全事故，能更有效的便于搶修維護(hù)。又結(jié)合液化氣在冬天容易產(chǎn)生積液現(xiàn)象，為保障安全供氣，在每根立管底部采用設(shè)置球閥方式，便于及時(shí)排除積液對(duì)安全供氣造成的不利影響。

2.2 防雷、防靜電

高層建筑燃?xì)夤艿婪览自O(shè)計(jì)必須針對(duì)直接雷擊、雷電波侵入采取防護(hù)措施。設(shè)計(jì)中一般要求樓頂燃?xì)夤艿兰伴y門(mén)箱應(yīng)與樓頂女兒墻避雷帶連接，其中樓頂管道與避雷帶連接不得小于2 處。結(jié)合燃?xì)夤艿婪览捉拥匮b置的沖擊接地電阻應(yīng)小于10 ?、靜電接地電阻應(yīng)小于100 ?，在臨潮、臨波大樓改造中對(duì)每根供氣立管都采取了防靜電接地保護(hù)措施。以防止雷靜電對(duì)燃?xì)夤艿赖臎_擊，引發(fā)事故。

3 結(jié)論

(1)高層建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧庠矗C合考慮燃?xì)夤に?、用氣安全、氣源特性、建筑結(jié)構(gòu)及遠(yuǎn)期發(fā)展等諸多因素，確定切實(shí)可行的供氣方案。在設(shè)計(jì)時(shí)還要充分考慮閥門(mén)系統(tǒng)、燃?xì)鈭?bào)警裝置、防雷、防靜電等安全措施，實(shí)踐證明是合理的。

(2)高層建筑立管由于自重較大，會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，受環(huán)境溫度變化影響，立管還會(huì)產(chǎn)生伸縮變形和熱應(yīng)力。為此在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用每層設(shè)支架來(lái)分?jǐn)偣艿赖淖灾?，并且?yīng)設(shè)計(jì)合適的補(bǔ)償器來(lái)消除熱應(yīng)力的影響，確保供氣安全。

(3)臨潮、臨波2 棟25 層高層住宅的用戶使用改造后的液化氣后，灶具壓力穩(wěn)定，特別是改造后戶內(nèi)不再設(shè)置中壓管道，在安全上有了更大的保障。經(jīng)分析論證采用頂層調(diào)壓、低壓進(jìn)戶的供氣方式在技術(shù)上是可行的，運(yùn)行上是安全的、經(jīng)濟(jì)上是合理的，若考慮到遠(yuǎn)期轉(zhuǎn)換天然氣，根據(jù)天然氣密度小于空氣密度的特性還需做進(jìn)一步的研究分析，如通過(guò)采用低低壓燃?xì)庹{(diào)壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。