拱形天然氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

張純靜

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶400016）

1 拱形天然氣管道概述

1.1 簡述

在管道建設(shè)中常常遇到河流、湖泊、構(gòu)建筑物及其它障礙物，管道建設(shè)不得不采用穿越或者架空跨越的方式，在河床穩(wěn)定性差邊坡沖刷嚴(yán)重的地方開挖管溝困難，架空跨越往往比較經(jīng)濟(jì)合理。拱形天然氣管道是利用鋼管自身的剛度，煨成一個(gè)圓弧形無鉸拱的大跨度結(jié)構(gòu)。拱形天然氣管道除運(yùn)輸作用外，還可兼作支撐結(jié)構(gòu)。一般跨越鐵路、公路、河流和山谷時(shí)，采用拱管結(jié)構(gòu)。拱形管道示意圖見圖1。

圖1 拱形天然氣管道示意圖

1.2 矢跨比確定

拱形管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定管道的合理的矢跨比，即管拱的矢高與跨距之比[1]（f/L），矢跨比的大小，主要和管道自重、風(fēng)荷載和溫度有關(guān)，一般為1/12～1/4。

2 拱形天然氣管道的設(shè)計(jì)

2.1 拱管的幾何尺寸

2.1.1 圓弧半徑

由勾股定理計(jì)算，化簡后得

式中：f/L- 矢跨比；f- 矢高；L - 跨距。

2.1.2 半圓心角

2.1.3 弧長

2.2 拱管的受力分析

2.2.1 管道自重

式中：qp- 拱管單位長度管道重量，N/m；D- 跨越管道外徑，m；δ - 跨越管道壁厚，m；ρs- 鋼材的密度，kg/m3。

2.2.2 輸送介質(zhì)的重量

式中：qg- 拱管單位長度管道介質(zhì)重量，N/m；T0，T- 標(biāo)況下和輸送天然氣的熱力學(xué)溫度，K；Pa- 輸送天然氣平均壓力，MPa；ρg- 天然氣的密度，kg/m3。d- 跨越管道內(nèi)徑，m，Z- 輸送天然氣壓縮系數(shù)；

也可按如下公式計(jì)算管道重量。

式中：q- 拱管單位長度的管道重量（包括管材、保溫重、介質(zhì)重等），kg/m。

2.2.3 拱管由垂直荷載作用在拱腳處產(chǎn)生的力

a.水平推力

b.軸向力

c.切力

d.彎矩

式中：Hg- 水平推力，N；Ng- 軸向力，N；Qg- 切力，N；Mg- 彎矩，N·m。

2.2.4 拱管由溫度變化在拱腳處產(chǎn)生的力

a.水平推力

b.軸向力

c.切力

d.彎矩

式中：Ht- 水平推力，N；Nt- 軸向力，N；Qt- 切力，N；Mt- 彎矩，N·m。

2.2.5 拱管由風(fēng)荷載作用在拱腳處產(chǎn)生的力

a.切力

b.彎矩

c.扭矩

式中：Qp- 切力，N；Mp- 彎矩，N·m；Mk- 扭矩，N·m。

2.2.6 輸送介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的力

2.3 拱管強(qiáng)度核算

2.3.1 拱管壓應(yīng)力

2.3.2 拱管切應(yīng)力

2.3.3 拱管主應(yīng)力

2.4 拱管穩(wěn)定性核算

2.4.1 當(dāng)量計(jì)算長度

2.4.2 長細(xì)比

式中：i- 管道截面的回轉(zhuǎn)半徑，m。

2.4.3 相對(duì)偏心距

2.4.5 穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力

圖1

圖2

6 結(jié)論

6.1 通過應(yīng)力的比較，校核選用的矢跨比的是否滿足要求。若拱形管子滿足強(qiáng)度要求，可進(jìn)行拱形管道剛性支架的設(shè)計(jì)；若拱形管道不滿足強(qiáng)度或穩(wěn)定性要求，則參考計(jì)算數(shù)據(jù)采取相關(guān)措施后進(jìn)行調(diào)整。

6.2 通過VB 軟件設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)用程序，優(yōu)化了計(jì)算方法，提高計(jì)算速度。

6.3 通過對(duì)拱形管道設(shè)計(jì)和施工的介紹，為設(shè)計(jì)人員和施工人員選擇合理的程序提供參考。