建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算與熱補(bǔ)償

王維婷

摘 要： 建筑燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，燃?xì)庠趲Ыo居民便利的同時(shí)，也產(chǎn)生一定的安全隱患。由于各類環(huán)境因素的變化，導(dǎo)致燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力發(fā)生變化，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致閥門破壞、調(diào)壓器及管道設(shè)備損壞。通過計(jì)算燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力，采取補(bǔ)償措施，消除管道的應(yīng)力，確保燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全。本文簡(jiǎn)單探討建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算和熱補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庠O(shè)計(jì)；建筑燃?xì)?；?yīng)力計(jì)算；熱補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TU996文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一．引言

燃?xì)鈺r(shí)可以提供給人們使用的各類氣體燃料的總稱，最早被發(fā)現(xiàn)的氣體燃料是天然氣，我國(guó)是世界上最早使用天然氣的國(guó)家。隨著資源的開發(fā)利用，燃?xì)庾鳛楸Ｕ先藗兩畹臍怏w燃料，無論是品種還是數(shù)量上，都在不斷增長(zhǎng)和擴(kuò)大。可燃?xì)怏w和空氣混合到一定的濃度時(shí)，遇到明火極其容易引發(fā)爆炸。由于燃?xì)獾囊妆?，因此安全成為燃?xì)夤艿拦芾淼闹匾?xiàng)目。在燃?xì)夤艿婪笤O(shè)后，由于環(huán)境的變化，導(dǎo)致管道各項(xiàng)指標(biāo)和設(shè)計(jì)數(shù)值存在偏差，致使管道應(yīng)力發(fā)生變化，最終產(chǎn)生惡劣事故?？紤]到種種因素的影響，必須要及時(shí)采用適當(dāng)措施，減少燃?xì)夤艿赖膽?yīng)力，確保管網(wǎng)的安全。

二.建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算

1.燃?xì)饬⒐艿膲嚎s應(yīng)力。

建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算一般采用應(yīng)力分類法，即對(duì)于管道由內(nèi)壓和持續(xù)外載所引起的一次應(yīng)力，驗(yàn)算采用彈性分析和極限分析；對(duì)于管道由于熱脹冷縮和其他位移受到約束所產(chǎn)生的二次應(yīng)力及管件上的峰值應(yīng)力，采用滿足必要疲勞次數(shù)的許可應(yīng)力范圍來進(jìn)行驗(yàn)算。

建筑燃?xì)饬⒐芤话闱闆r下并不負(fù)重，立管的一次應(yīng)力主要來自于管道本體自重及內(nèi)壓?？梢愿鶕?jù)輸氣壓力來計(jì)算選擇管材的合理壁厚來解決由于內(nèi)壓所帶來的一次應(yīng)力。城市建筑燃?xì)夤艿垒斔兔浇橹饕捎弥械蛪簹怏w，通過選用水平敷設(shè)，燃?xì)夤艿赖囊淮螒?yīng)力主要依靠支架來解決?？梢愿鶕?jù)強(qiáng)度條件和剛度條件，來計(jì)算不同燃?xì)饬⒐芄軓叫枰闹Ъ荛g距。在垂直情況下，燃?xì)饬⒐鼙倔w自重所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力計(jì)算公式為：

σ=W／A，式中：σ——壓縮應(yīng)力，MPa；

W——燃?xì)夤艿雷灾?，N；

A——立管截面積，m㎡。

在一定高度或長(zhǎng)度的情況下，建筑燃?xì)夤艿辣倔w自重W和燃?xì)饬⒐芙孛娣eA成正比例關(guān)系，可與判定密度相同的燃?xì)夤懿模鋲嚎s應(yīng)力和管徑關(guān)系不大。例如，建筑樓層高度為100米，燃?xì)饬⒐懿捎忙?7×3．5的無縫鋼管時(shí)，立管的截面積A為588.3mm2,單位長(zhǎng)度內(nèi)燃?xì)饬⒐艿墓苤貫?5．32N／m。計(jì)算得出壓縮應(yīng)力為7.70MPa，由于一般無縫鋼管能夠承受的應(yīng)力為127MPa，因此對(duì)于100米的燃?xì)饬⒐?，其自重所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力相對(duì)較小，不至于發(fā)生較大破壞作用。

2.溫度變化對(duì)燃?xì)饬⒐艿挠绊憽?/p>

建筑燃?xì)饬⒐茉诎惭b固定后，由于立管的長(zhǎng)度會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，立管變形量大小主要取決于環(huán)境溫度，對(duì)于管段的計(jì)算長(zhǎng)度和管材的線脹系數(shù)可以根據(jù)以下公式來進(jìn)行計(jì)算：

ΔL=α.Δt.L

公式中：ΔL----變形量；

α----線脹系數(shù)；

Δt----環(huán)境溫度差；

L----管段長(zhǎng)度。

將計(jì)算燃?xì)饬⒐芄芏蔚膬啥斯潭ǎ蜁?huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可以利用以下公式計(jì)算：

σt=EαΔt

公式中：σt----熱應(yīng)力；

E----彈性模數(shù)；（10號(hào)鋼E=2.1×105 MPa）

Δt----環(huán)境溫度差。

通過以上公式的計(jì)算，可以看出：熱應(yīng)力和環(huán)境溫度變化量、燃?xì)饬⒐芄艿啦馁|(zhì)有關(guān)，和管道長(zhǎng)度及管徑無關(guān)。不同長(zhǎng)度材質(zhì)為無縫鋼管的燃?xì)饬⒐?，在不同的環(huán)境溫度下，其伸縮量和熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下表所示：

通過以上的計(jì)算，可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度差達(dá)到40℃時(shí)，無縫鋼管的熱應(yīng)力為99.1MPa，基本上已經(jīng)接近管道的許用應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的每百米的伸縮量為47.2mm,此時(shí)必須要采取有效補(bǔ)償措施。

3.熱脹冷縮和其他位移約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力。

在城市建筑燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中，熱脹冷縮和其他位移約束所產(chǎn)生的二次應(yīng)力也是設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)心的重點(diǎn)問題。燃?xì)饬⒐芄艿烙捎跍囟炔町愃a(chǎn)生的伸縮量可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

；

式中：——管道的伸縮量，mm；

——管材的線膨脹系數(shù)，鋼管在20℃時(shí)，取℃；

——管道長(zhǎng)度，m；

——管道在計(jì)算狀態(tài)下的溫度，℃；

——管道安裝時(shí)溫度，℃。

當(dāng)燃?xì)饬⒐芄艿郎炜s完全受到約束時(shí)，管道的熱應(yīng)力計(jì)算為：

；

式中：——熱應(yīng)力，MPa；

——設(shè)計(jì)溫差，即管道在計(jì)算狀態(tài)下的溫度與安裝溫度的差，℃；

——管材的彈性模量，MPa，（普通鋼在20℃時(shí)取MPa。）

從公式中可以看出，隨著環(huán)境溫度差的逐步升高，伸縮量逐步提高的同時(shí)，燃?xì)饬⒐艿臒釕?yīng)力也同時(shí)提高；立管管道長(zhǎng)度增加，伸縮量也同時(shí)提高。以100米管道在不同環(huán)境溫度差情況下，伸縮量和完全受約束時(shí)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以明顯看出其變化規(guī)律。（計(jì)算結(jié)果如下表：）

通過計(jì)算可以得知，由環(huán)境溫度差所造成的管道熱應(yīng)力是不可忽視的，為了避免燃?xì)饬⒐茉馐芷茐?，必須要采取有效的補(bǔ)償措施，讓管材通過自身的伸縮來釋放應(yīng)力，達(dá)到提高管道安全的目的。

三.建筑燃?xì)饬⒐艿臒嵫a(bǔ)償

建筑燃?xì)饬⒐艿臒嵫a(bǔ)償主要是利用燃?xì)夤艿缽澢芏蔚膹椥宰冃巍⒒蛘呤窃谌細(xì)夤艿郎显O(shè)置補(bǔ)償器，來達(dá)到調(diào)節(jié)管道伸縮，減少管道應(yīng)力的目的。在室內(nèi)環(huán)境溫差變化較小、管段較短時(shí)，可以利用燃?xì)夤艿赖腖行、∏形和Z形的彎曲管道的彈性變形來補(bǔ)償燃?xì)夤艿赖臒嵘扉L(zhǎng)，即利用燃?xì)饬⒐艿淖匀谎a(bǔ)償；當(dāng)室外具有較長(zhǎng)管道或重要管道穿越燃?xì)夤艿罆r(shí)，則必須要通過計(jì)算來選擇合適的補(bǔ)償器來進(jìn)行熱補(bǔ)償。

1.方形補(bǔ)償器。

方形補(bǔ)償器是由鋼管彎制或由彎頭組焊而成。該種補(bǔ)償器制造安裝簡(jiǎn)便，不需特別維護(hù)；作用在固定支架上彈性力較小；補(bǔ)償能力較大。但其外形尺寸較大；對(duì)安裝環(huán)境要求較高；且影響管路整體美觀。以DN50管道為例：補(bǔ)償能力ΔL=50 mm時(shí)，其外伸長(zhǎng)臂量H=970 mm。

選用方形補(bǔ)償器時(shí)，需要通過下列公式來進(jìn)行計(jì)算：

；

；

式中：Ls——補(bǔ)償器伸出長(zhǎng)度，mm；

ΔL——補(bǔ)償能力(取值與伸縮量相同，根據(jù)表1中Δt=20℃時(shí)，ΔL=24mm)，mm；

D——管道外徑，mm；

σbw——管道許用彎曲應(yīng)力，MPa，鋼管取75MPa；

K——比值，按經(jīng)驗(yàn)取1；

L1——補(bǔ)償器開口長(zhǎng)度，mm。

在工程空間能夠滿足計(jì)算要求的條件時(shí)，或在露天架空管道時(shí)，可以選擇采用方形補(bǔ)償器，采用鋼管管材直接焊接制作而成，明顯的特點(diǎn)為制造方便、運(yùn)行安全可靠、不需要經(jīng)常維修。

2. 波形補(bǔ)償器波形補(bǔ)償器是靠波形管壁的彈性變形吸收管道的伸縮。該種補(bǔ)償器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小；但其補(bǔ)償能力小，只能補(bǔ)償軸向變形；維護(hù)保養(yǎng)也較困難。因此不推薦在埋地煤氣管道上使用波形補(bǔ)償器。波紋管補(bǔ)償是利用波紋管橫向位移對(duì)管道進(jìn)行補(bǔ)償。該種補(bǔ)償方式結(jié)構(gòu)緊湊，補(bǔ)償能力大，管道耐壓性能好；不需特別維護(hù)；有法蘭、螺紋等多種連接方式。采用不同安裝方式可對(duì)管道軸向及徑向變形進(jìn)行補(bǔ)償,其補(bǔ)償原理見下圖。

波紋管補(bǔ)償器的計(jì)算公式

n=ΔL／Lcom

式中：n——波節(jié)數(shù)；

Lcom——一個(gè)波節(jié)的補(bǔ)償能力，mm，一般取20mm

波紋管補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般補(bǔ)償能力較小，成對(duì)配置時(shí)可補(bǔ)償彎曲管段的熱伸長(zhǎng)。為了使補(bǔ)償器能夠正常發(fā)揮作用，在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度計(jì)算對(duì)所使用的補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)拉伸或壓縮。

3.其他應(yīng)力情況補(bǔ)償。

除了需要考慮管材的自身應(yīng)力情況和環(huán)境溫度差情況外，同時(shí)要考慮到其他不可避免因素所造成的管道應(yīng)力情況，例如外來物體的撞擊、建筑物的沉降和地震等自然災(zāi)害，在管道設(shè)計(jì)時(shí)要采用保護(hù)欄、軟管和增設(shè)緊急切斷閥門等措施，確保建筑燃?xì)廨斔桶踩?/p>

四.結(jié)束語

建筑燃?xì)饬⒐艿膽?yīng)力計(jì)算是保障燃?xì)獍踩斔偷闹匾Ｕ?，在管道設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各方面因素，切實(shí)提高燃?xì)獍踩?，為人們生活提供便利?/p>

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