武汉市燃气热力规划设计院有限公司湖北省430019
摘要：管道是流体介质输送的载体，在钢铁厂内，管道与各种设备相衔接，为设备输送能源和动力。如果把钢铁企业比作一个生物体，那么各种设备是钢铁企业的器官，基础和厂房等结构设施则构成这个生物体的骨架，而各种动力管线则是钢铁企业的血管。管道由于传输介质的状态变化会引起自身应力及对设备的推力改变，如果设计不妥当，会导致管道振动、撕裂甚至造成连接设备损坏，给国民经济、生产及人身安全带来重大的损失。因此如何将管网管道设计得既安全又合理已成为管网应力分析计算的重要问题。
关键词：民用建筑；燃气管道；应力；分析
1概述
住宅是城市化、工业现代化的产物，据统计，北京新增住宅面积中有70%以上是住宅。住宅建筑由于其结构复杂，人员活动频繁，因此在建筑结构设计、消防安全设计等方面都有更为严格的要求。燃气供气设计既是住宅建筑设计的重要组成部分，更是关乎用户安全的重要因素，因此对于建筑燃气设计中的燃气附加压力、建筑沉降、管道自重以及温度变化所引起的管道变形等问题都需要引起设计人员的高度重视。目前对于住宅建筑燃气管道的设计和受力分析，多建立在经验或手算的基础上，而住宅燃气管道本身却具有立管长、支管多、同时受建筑沉降、温度变化等多方面影响，有其自身的复杂性。为更为准确地分析燃气管道的受力情况，笔者应用AUTOPIPE应力分析软件分析计算了16层、26层、36层住宅燃气管道，比较了不同高度燃气管道在沉降、自重、温度变化影响下的变形、受力和应力情况，一则对于目前常规的设计进行验证，二则为优化管道设计提供依据，使住宅燃气管道设计更加安全合理。
2AUTOPIPE应力分析软件介绍
AutoPIPE是美国Bentley公司旗下的专业管道应力分析软件。它被广泛的应用于石油、石化、化工等行业。AutoPIPE是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，可以用于分析计算当一管道系统受到静态及动态荷载时，系统所承受的应力、荷载力及变形量，并根据ASMEB31系列以及其他国际标准进行应力校核。本文在计算中采用ASMEB31.8输气和配气管道系统规范并对管道应力进行校核。
3计算基础条件
北京市住宅燃气管道设计主要采用设置区域中低压调压箱，低压进户，下环上行的供气模式。燃气管道引入方式为室外地上引入，引入口设混凝土保护台和阀门箱。管道材料在引入口穿墙处采用无缝钢管焊接连接，室内管道采用镀锌钢管丝扣连接，每两层设1个活接头，每6层设1个分段阀门。本文在计算中考虑单厅引入供气，每户设一台双眼灶、一台热水器，经水力计算，对于16层管系，1、2层立管管径采用DN50，3～11层立管管径采用DN40，，12～16层立管管径采用DN25；对于26层管系，1～3层立管管径采用DN50，4～18层立管管径采用DN40，，19～26层立管管径采用DN25；对于36层管系，1～5层立管管径采用DN50，6～22层立管管径采用DN40，23～36层立管管径采用DN25。每层层高为2.8米，户内支管管径为DN15。为便于计算，假定：1.忽略各层套管对管道的约束。2.管系中所有支架、管卡均为刚性支架。
4引入管穿墙前设置
金属柔性管或波纹补偿器其中第2条由于受楼前空间限制通常较难实现，而第1条则必须要保证，因为计算中发现，如果引入口穿墙套管尺寸过小，限制管道沉降，管道将无法承受建筑物通过套管施加的作用力，极易引起管道破坏。由于波纹补偿器补偿能力有限、安装要求高，价格也高，因此多采用在引入口穿墙前的水平管段加金属软管的防沉降措施。
5管道自重影响
建筑因立管较长，立管的自重和温度变化引起的热胀冷缩也比多层建筑大很多，设计中应在燃气立管的底部设置有效的承重支撑，每层设置1处管卡，限制立管道水平位移。以此为条件，本文应用AUTOPIPE应力分析软件计算了16层、26层和36层燃气管道在重力作用下的变形和应力情况，详见表1.
根据上表的计算结果，当建筑高度达到36层，虽然燃气管道的最大应力并不是很大，但底部支架需要承受的重力已将近0.5t，一般建筑设计中首层地面的荷载为0.5t，二层及以上楼层地面荷载为0.2t，可见如果燃气管道继续加高，将超过地面的允许荷载，必须分段支撑，并且为满足管道柔性，两固定支架中间需采取补偿措施。
6管道应力计算遵循的标准和规范
在压力管道设计方面，美国的ASMEB31标准系是比较完善的，该标准体系由8部单独出版的压力管道美国国家标准组成，包括：B31.1动力管道，B31.2燃料气管道，B31.3工艺管道，B31.4液态烃和其它液体管道输送系统，B31.5致冷管道，B31.8输气和配气管道系统，B31.9建筑管道，B31.11浆液管道输送系统。每部标准均包括设计、材料、管道组件限制、制作、装配、安装、检查、检验和试验等内容，是一部完整的综合性标准。我国于2000年发布了GB50316-2000《工业金属管道设计规范》，该规范于2001年1月1日起实施，属于强制性的国家规范。2006年，我国又公布了GB/T20801《压力管道规范－工业管道》，分为总则、材料、设计和计算、制作与安装、检验与试验、安全防护6个部分。不管是GB50316标准还是GB/T20801标准，其有关应力计算分析的理论和方法都与ASMEB31.1和B31.3是一致的。总的来说，管道强度破坏主要是由一次应力引起的断裂破坏和由二次应力引起的疲劳断裂破坏。一次应力是由机械外载荷引起的正应力和剪切应力，它必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则。一次应力是非自限性的，它始终随所加载荷的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形。管道内二次应力通常是由位移载荷引起的（如热膨胀、附加位移，安装误差，振动载荷）；二次应力是自限性的，当局部屈服和产生少量塑性变形时，通过变形协调就能使应力降低；二次应力的许用极限是基于周期性和疲劳断裂模式，不取决于一个时期的应力水平，而是取决于交变的应力范围和交变的循环次数。在GB50316中，二次应力的评定标准为σE≤[σ]A，其中σE＝iM'E/W或σE＝iM'E/WB（以平面内、外弯曲采用相同的应力增大系数为例），GB/T20801对于管道的二次应力的评定标准也是类似的。其中值得注意的是应力增大系数i，应力增大系数是在疲劳破坏循环次数相同的情况下，作用于直管的弯曲应力与作用于管件的名义弯曲应力之比，Markl在20世纪50年代作了一系列实验测试出应力增大系数的数值，然后根据实验结果归纳出焊接支管等的应力增大系数值。对于应力增大系数公式的使用范围，在B31.3附录D中明确规定在D/T≤100，即外径与壁厚的比值在100以内是有效的，超出此范围计算出的应力增大系数会有误差，因此，对于一些大煤气管道，其外径与壁厚之比大于100时，采用GB50316或B31.3计算出的二次应力会有一定的偏差。
结束语
综上所述，燃气管道是人们生活的必需设施。在燃气设计中，如果考虑不周或处理不当，就有可能引发管道的损坏，严重的会引起爆炸以及火灾等恶性事故的发生。所以，我们需要认真分析燃气管道在沉降、自重等情况下的影响，做好燃气管道的设计工作，从而为燃气管道的施工带来帮助。
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