本問選自核心級期刊《油氣田地面工程》 。《油氣田地面工程》創刊于1978年，國際、國內連續出版物號分別為ISSN 1006-6896、CN 23-1395/TE。《油氣田地面工程》由中國石油天然氣集團公司主管，大慶油田有限責任公司主辦，大慶油田工程有限公司(大慶油田設計院)承辦，是經國家科學技術部和國家新聞出版總署批準出版的國內外公開發行的技術類石油科技期刊。　　

　　摘要：針對目前天然氣應用的普及，管道穿越江、河工程也相應增多。穿越江河等水域的方式也有多種。但是，在有已建成橋梁的地區，條件允許的情況下管道隨橋敷設相對于其它穿越方式，有施工難度與費用低等優點。

　　關鍵詞：天然氣架空管道,自然補償

　　1、工程概況

　　隨著天然氣的日益普及，各城市天然氣管道穿越河流已成為較為常見。其中燃氣管道隨橋敷設已成為常態。我院在南方某地天然氣項目中，其中就運用到燃氣管道隨橋敷設技術。

　　該橋總長276.38m，管道直徑為DN300。橋梁兩端的管道基本對稱布置，因此，可以不設固定支架，管道會對兩端進行對稱變形。

　　管道布置詳見圖1。

　　主要尺寸：AB=3660mm；

　　BC=15000mm；

　　CD=1500mm；

　　DE=22000mm；

　　EF=1000mm；

　　AO=2763800/2=1381900mm；

　　2、設計條件及支架形式

　　2.1設計參數

　　天然氣重度：082kg/m3；

　　設計壓力：0.4MPa；

　　最低計算溫度：7°C；

　　最高計算溫度：考慮到太陽輻射，取60°C；

　　2.2支架形式

　　N1、N2為滾動支架；

　　G1為固定支架；

　　橋上中點O為虛擬固定（計算所需），全部為軸向滑動支架。

　　3、管材選擇

　　根據《城鎮燃氣設計規范》（GB50028-2006）6.3.10第3條第一款規定以及考慮安全，管材選用D325x8的無縫鋼管，材質為20#鋼。

　　4、荷載

　　管道金屬重62.54kg/m，考慮超載系數1.2，計算為荷載73.6kg/m=0.722N/mm

　　5、管道幾何特性

　　管道外徑：D=325mm；管道內徑：d=309mm；

　　管道負偏差：C1=1.2mm；管道腐蝕裕量C2=1mm；

　　管道計算厚度：δj=δn－（C1+C2）=8－（1.2+1）=5.8mm；

　　R=162.5mm；

　　考慮腐蝕裕量與負偏差后的管道內徑：d’=313.4mm；

　　慣性矩IX=π×（D4－d4）/64=3.14×（3254－3094）/64=1000.88×105mm4；

　　考慮腐蝕后的慣性矩IX’=π×（D4－d’4）/64=3.14×（3254－313.44）/64

　　=740.6×105mm4；

　　管道的截面系數Z=Ix/R=1000.88×105/162.5=615926mm3；

　　腐蝕后的截面系數Z’=740.6×105/162.5=455754mm3；

　　6、應力計算

　　20#鋼管的許用應力〔σ〕=137MPa；

　　20#鋼管的許用彎曲應力〔σω〕=171MPa。考慮到焊縫系數0.9后應為：

　　〔σω〕=171×0.9=153.9MPa。

　　6.1環向應力σ1=PD/4/δj/0.8=0.4×309/4/5.8/0.8=6.7MPa

　　6.2軸向應力σ’=PD/4/δj=0.4×309/4/5.8=5.33MPa

　　考慮內壓軸向應力后許用彎曲應力〔σω〕=1.25×（137－5.33）×0.9=148.1MPa

　　6.3跨距產生的應力

　　以G1—N1段最大，即N1—D—E最大跨距L=22750mm(EF段可視為一個支柱)，平面轉彎跨k=6.5。

　　σ2=ql2/k/Z’/φ=0.722×227502/6.5/455754/0.9=140.2MPa＜148.1MPa。

　　6.4橋上管道的軸向應力

　　（1）橋上全部管道采用滑動支架，詳見圖2（c）。管道上焊有一塊鋼襯托板，鞍形托座上襯有一塊聚四氟乙烯襯托板，鋼板與聚四氟乙烯保持滑動，摩擦系數為0.1，全部摩擦力Pm=1387.5×62.54×0.1=8677.4kg。

　　（2）橋上DN300管道產生的摩擦應力

　　σα=Pm×R×9.81/Z’=8677.4×162.5×9.81/455754=30.4MPa

　　未考慮中間可以抵消，即摩擦力對管道產生的軸向應力較小。

　　（3）跨距產生的應力

　　橋上管道跨距為使橋梁受力均勻，按每10米布置一個支點。

　　σα=ql2/12Z’=0.722×100002/12/455754=13.2MPa

　　合應力σΣ=30.4+13.2=43.6MPa＜〔σ〕=137×1.25=171MPa。

　　7、管道補償計算

　　橋上管道全長2763.8m，補償量Δl=2763800×(60－7)×1.2×10-5=1757.8mm。

　　考慮冷緊，冷緊系數0.63，Δl=1757.8×0.63=1107.4mm。

　　將總補償量分為橋兩端各自分擔一半，即Δl=553.7=554mm。

　　7.1推力計算

　　解決X方向的變形由下列幾種變形所決定：

　　由力PX產生的BC段的彎曲變形Δ1（AB段為3660mm，很短，彎曲變形可以忽略不計）。

　　PX=3EIXΔ1/（LBC）3==3EIXΔ1/110003=EIXΔ1/44367×107（1）

　　同時，對管道DE段也產生彎曲變形Δ2（CD段中反力PX與AO段的PX相等），PX=3EIXΔ2/（LDE）3=3EIXΔ1/220003=EIXΔ1/354930×107（2）

　　除了彎曲變形外，PX對BC段產生扭轉變形，扭矩分別為PXLBC、PXLDE，其轉角φE與φF（φ為弧度），變形Δ=φL（此處L為轉軸的長度）。

　　對OABC段，MP=PXAB，BC段扭轉變位（X方向）為（同時剪切模量G=0.81E，Jρ=2IX）：

　　Δ3=φB×BC=PXAB/G/Jρ=PX×3660×110002/0.381E/2IX

　　PX=0.762EIXΔ3/44286×107=EIXΔ3/58118×107（3）

　　對DEF段，DE為力臂，EF段扭轉

　　Δ4=φF×EF=MFEF/GJρ=PX×22000×10002/0.381E/2IX

　　PX=0.762EIXΔ4/22×109=EIXΔ4/2887×107（4）

　　同時，Δ1+Δ2+Δ3+Δ4=ΔlX=1758.8/2=879.4mm(未考慮冷緊系數)（5）

　　解以上（1）~（5）方程得：

　　Δ1=84.8mm；Δ2=677.4mm；Δ3=111.1mm；Δ4=5.5mm；

　　從（4）式

　　PX=EIXΔ4/2887×107=2.06×105×1001.39×105×5.5/2887/107=3961N

　　即此力作用于固定支架G1處。

　　7.2應力計算

　　從前述變形計算看，最大補償量在DEF，F作為固定點，最大彎矩在EF段。同時在EF段受扭轉。固定支架G1既受彎矩也受扭矩的剪切應力。

　　7.21彎曲應力

　　在EF段

　　σω=1.5EDΔ2/（LDE）2=1.5×2.06×105×325×702.72/220002=145.8MPa

　　考慮冷緊，實際σω=1458.×0.63=91.86MPa＜〔σ〕=148.3MPa，通過。

　　7.2.2扭矩產生的剪切應力

　　τ在F點

　　τ=MF/Zρ=PXDE×162.5/2IX=3961×22000×162.5/2/7651.33×104=92.54MPa。

　　采用冷緊后τ=92.54×0.63=58.3MPa，通過。

　　8、管道的冷緊

　　設計在橋上A、B、C三處同時進行冷緊，冷緊值詳見表—1。

　　冷緊數值表表—1

　　施工時管道外壁溫度

　　（°C）7101520253033.5

　　A冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60

　　B冷緊值（mm）-220.6-195.6-154.0-112.4-70.8-29.10

　　C冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60

　　施工時管道外壁溫度

　　（°C）354045505560

　　A冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3

　　B冷緊值（mm）12.554.195.7137.4179.0220.6

　　C冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3

　　注：“—”表示拉緊，“+”表示推離。A、B、C三點位置見圖3。

　　結語

　　隨橋敷設燃氣管道比起管道單獨穿越河流，投資節省、施工周期短且管道維護方便等優點。經過幾年的運行來看，隨橋敷設燃氣管道是比較切實可行的。