【摘要】液化天然氣架空管道的設計工作是液化天然氣供應站總體設計中不可或缺的一個組成部分，而相當一部分城市燃氣行業的設計人員對這種架空低溫介質管道的設計工作比較陌生。在此種管道的設計工作中，管道的受力分析是設計工作能否成功的一個重要因素。文章將結合自身的設計經驗對液化天然氣架空管道的受力機理、分析方法和設計中應注意的問題進行闡述，以期對讀者能有所幫助。
　　【關鍵詞】液化天然氣；架空管道；受力分析；設計方法
　　1．引言
　　對于選擇液化天然氣供氣方案的城市，液化天然氣供應站是城市燃氣管網系統的源頭，地位十分重要液化天然氣供應站的核心組成部分是工藝裝置區在此一區域。經卸車自增壓器輸入儲罐進行儲存的液化天然氣，將通過氣化器、調壓器等裝置氣化、調壓，成為普通的天然氣，輸送給城市地下管網。為方便檢修起見，連接這些裝置的工藝管道一般均為地上低位架空管道由于液化天然氣是—168℃的低溫液體。造成架空管道內的介質溫度與管道安裝溫度存在較大差異，溫度應力對管道的影響十分明顯如果不對這種影響進行合理的解決，有可能造成管道與設備連接處發生泄漏、損壞，或者是設備在推力的作用下產生過量變形，無法正常工作，乃至報廢。
　　除了溫度應力以外，和其它架空管道一樣，由內壓引起的管道環向應力和正應力，由管道自重、介質重等豎向持續荷載造成的彎曲應力，由偶然荷載(如地震區的水平地震作用和沿海地區的臺風)引起的水平方向應力，都對管道有一定的影響，處理不當仍然可能造成災難性后果。筆者將從液化天然氣架空管道一次應力的計算和管道跨距的確定、液化天然氣架空管道的補償措施和溫度應力的計算理論以及液化天然氣架空管道設計方法3個方面對這些問題進行一一闡述。
　　2．液化天然氣架空管道一次應力的計算和管道跨距的確定
　　2．1由內壓引起的管道環向應力和正應力
　　一般設計人員對此部分內容十分熟悉，我們不再贅述只指出．由于泊松效應．環向應力會引起正(軸向)應力，其計算公式為：
　　                                  
　　式中P——管道的設計壓力：D0——管道的外徑；S——管道的壁厚
　　2．2豎向持續荷載造成的彎曲應力及管道跨距的確定
　　所謂架空管道，顧名思義，即隔一定距離就需要用支架將管道支撐起來。在不考慮水平和溫度受力的情況下，支架只需提供豎向支撐．我們稱只提供豎向支撐的支架為活動支架。在強度計算時一般可簡化為三跨連續梁模型，則最大彎矩(發生在支座處)方程為：
　　（單位：N•m）
　　式中q一管道單位長度荷載設計值=1．2(管道單位長度自重+管道單位長度保溫重)+管道單位長度滿水重，灰、雪荷載忽略未計，N／m
　　L——跨距(活動支架間的距離)，m
　　相應的最大彎曲應力為：
　　(單位：N／m2)
　　式中管道的截面系數，cm3當然，實際工程中的管道，拐彎很多，還要計及軸向彎曲應力的組合影響，情況較上式復雜。此外，架空管道的跨中撓度還不允許超過一定的限值，否則會對管道的正常運行造成不利影響。連續鋪設的無坡度管道，撓度方程為：
　　(單位：m)
　　式中q廣管道單位長度荷載標準值=管道單位長度自重+管道單位長度保溫重+管道單位長度滿水重,N／m：EI-管材一168~C時的彈性模量2．08xl05N／mmz；J一截面慣性矩．cm4；x一支座至計算截面的長度，m
　　以上也就是確定管道跨距時需要滿足的兩個必備條件，即強度條件(彎曲應力不超限)和剛度條件。
　　目前各種計算手冊中所列的跨距表都不太適用于液化天然氣架空管道。這主要是因為：①已有跨距表保溫重量考慮過大，至少是150kg／m，。而液化天然氣架空管道的保溫層材料一般是架橋發泡聚乙烯，表觀密度僅26kg／m3，兩者相差過大。②已有跨距表進行剛度條件計算時，都考慮管道是有坡度的。而實際上，液化天然氣架空管道都不需要設置坡度，這也會造成一定誤差。我們針對液化天然氣架空管道的自身情況，計算了一套專門適用于它的跨距表。
　　強度條件計算時，我們的原則是：①荷載采用設計值：②由豎向持續荷載在管壁中引起的一次應力不應大于許用應力的1／2，即引人一個0．5的系數。于是．強度條件下的允許最大跨距計算公式為：
　　(單位：m)
　　式中一焊縫系數，按手工電弧焊，取0．7；管材在工作溫度下的許用應力；按考慮奧氏體不銹鋼≤20cI=時的管材許用應力，取137N／mm2剛度條件計算時，我們的原則是：①荷載采用標準值；②當一個中間支架失效時，管道最大撓度不應大于0．005。于是，剛度條件下的允許最大跨距計算公式為：
　　(單位：m)
　　2．3由偶然荷載引起的水平方向應力架空管道
　　以上談的是豎向支撐問題，為了避免管道側向失穩，還需要隔一定距離設置側向支點(此處的支架稱導向支架)。當管道上存在風荷載或地震等橫向作用時。側向支點就更加重要。風荷載標準值的計算公式如下：
　　                            
　　式中——該工程地的基本風壓；一風壓高度系數；一當多管共架時，要考慮各管的互相影響，乘此體形系數，水平地震作用標準值計算公式如下：
　　                       
　　式中僅一相應于管道基本自振周期的地震影響系數：Gl踟一管道的總重力荷載代表值。
　　3．液化天然氣架空管道的補償措施和溫度應力的計算理論
　　3．1液化天然氣架空管道的補償措施
　　管道的溫度應力來源是管材的熱脹冷縮。由于管道總是有約束的連接裝置，管道的熱脹冷縮總是受到限制，于是管道上就產生了溫度應力。進一步的管道對約束它的物體還要施以推(拉)力，且此種作用力的方向隨溫度變化而循環往復。我們可以做一個實驗，假設有一條直管段連接儲罐和氣化器，不做任何溫度補償措施。在只考慮溫度應力的情況下，管道對兩端裝置的推(拉)力。
　　推(拉)力的量值確實是不容忽視的，當管徑為200mm，推(拉)力竟達2339400N，什么設備經受得了如此大的作用力呢？所以，在液化天然氣架空管道上必須采取溫度補償措施。
　　在《城鎮燃氣設計規范》中指出，管道應盡量采用自然補償的方式，即利用管道自身彎曲段的柔性吸收溫度應力。實際工程中，經常使用的是L形自然補償器。Z形自然補償器(如圖2b)和矩形自然補償器。另外，為減輕應力集中、減小補償器尺寸和保證管道側向穩定性，我們還經常把一條管道人為的分成若干段，在分段點上把管道與支座焊死(此處的支架稱固定支架)，使管道在此處不能產生位移和轉角。每段中部設置一個補償器，使每段管的溫度應力由每段管的補償器吸收，固定點的不平衡推力由固定支架承擔。
　　3．2溫度應力的計算理論
　　當管道成為帶拐點的平面管系后，計算將趨于復雜我們以一個采用L形補償的管段為例加以介紹。目的是使讀者初步了解溫度應力計算的基本理論。兩端固定點或是固定支架分段點，或是裝置連接點，其它受力和穩定問題暫不考慮。如果我們將一端的約束去掉，代以等效力和力矩。在這些力和力矩的作用下，此端變形量仍應為零。于是有以下的變形協調方程組：
　　                                
　　根據此關系利用力法或位移法．就可求得彈性推(拉)力，再根據求得的推(拉)力和彎矩圖，可進一步求得各點應力。這就是計算溫度應力的基本方法。但是，實際工程中的管道路由情況千變萬化，溫度應力計算是十分復雜煩瑣的。為了簡化計算，前人創造了許多簡化計算圖表，供大家使用。近年來，計算機的應用日益普及，溫度應力計算也早以進入程序計算時代了。
　　4．液化天然氣架空管道設計方法
　　通過以上的論述，大家肯定已經對液化天然氣架空管道的受力情況有了梗概性的了解，下面我們總結一下液化天然氣架空管道的設計步驟和方法。
　　4．1第一步：確定管徑、壁厚及平面布置。
　　本部分內容與地下或常溫管道沒有本質性的區別。
　　4．2第二步：根據現場情況，參考跨距表，初步確定支架位置。
　　實際工程中，管道繁多、布置復雜，往往是多管共架．確定支架位置時要注意滿足最細管的要求。如確有必要拉開跨距，可與結構專業設計人員協商，采用縱梁式支架。此時，不必考慮管徑，統一取一個跨距數值即可(一般為9m)。另外，跨距表中的跨距推薦值適用于直管中跨。對彎管跨，要乘以折減系數0．6—0．7：對盡端跨(與裝置連接處也應認為是盡端跨)，要乘以折減系數0．8。
　　4．3第三步：初步確定管道的固定支架間距及每段的補償方案
　　確定固定支架間距時主要是以直管段(指不含補償器)不產生縱向彎曲為原則。這是因為，與其它長細桿類似．直管段在溫度作用力下，如果除軸向伸縮變形還存在縱向(平面外)彎曲的話，管段有失穩的危險固定支架間距確定。短邊最小距離是以滿足補償量為原則確定的在設置固定支架的同時，還應特別注意在合適位置設置導向支架。除滿足間距要求外，在補償器管端以外40管徑的位置也一定要設置導向支架。
　　4．4第四步：帶入計算機程序，進行計算分析
　　帶入計算機程序時，應是每個補償段分別帶人。當本管段上有支管時，應帶支管一起計算，否則要把支管對母管的力和位移影響人工填人程序。此外，要特別提醒結構專業設計人對儲罐基礎進行沉降控制，應要求其提供基礎最終沉降量，作為附加位移作用在管道與儲罐相連的節點上。管段的一次應力要滿足下式：
　　
　　此外，對裝置的推力應不大于裝置的承受能力，應向廠家落實。
　　5．結語
　　架空管道受力分析是一個非常復雜的課題，很多工程設計人員窮其畢生精力從事這方面的研究和設計工作。與化工、熱力和電力等行業相比，城市燃氣行業涉及這個問題比較晚，經驗嚴重不足。我們必須奮起直追，多學習，多實踐。不但要吸取兄弟行業的寶貴經驗，而且應該摸索出一套適用于我們自己的行業經驗。我們只是在這方面做了一些初步的探索，還很膚淺，希望能拋磚引玉，引后者高論。
　　
　　參考文獻
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