管道第二章之地上管道總結(jié)（61頁）

1、第2章 地上管道管道跨越山谷、河流，通過沼澤、沙漠及永久凍土帶等地區(qū)時(shí)采用地面架設(shè)；油庫和煉油廠中的輸油管道，常設(shè)置在地面管架（管墩）上或地下管溝中；優(yōu)點(diǎn)：不影響土壤環(huán)境，且不受地下水位的影響，檢修方便，發(fā)現(xiàn)和清除事故容易。缺點(diǎn)：管道直接設(shè)置在空氣中，對(duì)于非常溫管增加了熱冷能量的損失，限制了通道的高度，不美觀。2-1 地上敷設(shè)管道的支承形式地上敷設(shè)的管道是由支架或管架支承按支架高低按管架的結(jié)構(gòu)形式按支架對(duì)管道的約束形式按管道的跨越形式支承形式按支架高低分：低支架敷設(shè)中支架和高支架敷設(shè)沿墻敷設(shè)低支架敷設(shè)示例低支架敷設(shè) 為了防止地面水的侵襲和節(jié)約材料，這種敷設(shè)方式的管子距地面的凈空一般為0.5米左

2、右。由于管道敷設(shè)高度較低，便于施工、維護(hù)和檢修，因而有利于節(jié)約材料。缺點(diǎn)是線路規(guī)劃不當(dāng)，將嚴(yán)重影響交通。 中支架和高支架敷設(shè) 在人行交通頻繁的地方，應(yīng)該采用中支架，支架凈空高度約為2.53.0米。在跨越鐵路或公路的地方應(yīng)該采用高支架，高支架凈空高度約為4.56.5米，甚至更高。中高支架和低支架敷設(shè)比較，需要的投資大，耗材多，維修也比低支架困難。 沿墻敷設(shè)在工廠內(nèi)部，當(dāng)管徑不大，管數(shù)不多時(shí)可以采用懸臂托架，將管道敷設(shè)在建筑物的墻上。不需另設(shè)支柱。應(yīng)校核墻體的穩(wěn)定性，并應(yīng)注意不要影響廠房的采光和窗扇的開啟。 按管架的結(jié)構(gòu)形式分類 獨(dú)立式管架：管架與管架之間沒有任何聯(lián)系結(jié)構(gòu)，每個(gè)管架獨(dú)立地支承著管道

3、；T形和形，它們又可做成單層和雙層，要根據(jù)安裝管道的多少來選用，從結(jié)構(gòu)上可分為單片平面管架、空間剛架和塔架等。組合式管架 把各自獨(dú)立的管架聯(lián)接起來，形成管架系統(tǒng)。常見的組合式管架有縱梁式、桁架式等?？v梁式管架比較宏偉，剛度也大，一般用于多根小直徑管道在一起平行敷設(shè)，或在管線上分支較多的情況下，如化工廠、煉油廠等工廠內(nèi)的室外管線。按支架對(duì)管道的約束形式 固定支架和活動(dòng)支架 通常每隔一定距離，就設(shè)置一個(gè)固定支架，在兩個(gè)固定支架中間設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償器。 兩個(gè)固定支架之間設(shè)活動(dòng)支架，只作為管道支承，而不約束管道的熱膨脹。按管道的跨越形式種類繁多 梁式管道跨越以輸送管道作為梁的跨越 “”形剛架管道跨越以輸送

4、管道構(gòu)成“” 形剛架適用于小型河流跨越，且要求常年水位較淺，河床地質(zhì)情況較好，允許在河流中設(shè)置基礎(chǔ)。適用于小型河流跨越，充分利用管道自身的支撐能力，除使用兩個(gè)45彎頭外，其他直線管組裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，造價(jià)低。桁架式管道跨越以輸送管道和其它構(gòu)件組成桁架結(jié)構(gòu)輕型托架式管道跨越以管道作為上弦桿、鋼索作為下弦桿組成托架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度大，有良好的穩(wěn)定性。單管拱跨越以單根輸送管道作為拱形的跨越 組合管拱跨越以輸送管道及其他構(gòu)件組成拱形的跨越懸纜式管道跨越輸送管道以懸垂形式吊掛在承重主索上的跨越 懸垂式管道跨越輸送管道以懸垂?fàn)顦?gòu)成自承式的跨越 我國(guó)具有的獨(dú)特風(fēng)格，由懸索結(jié)構(gòu)演變而來。懸索式管道跨越輸送管

5、道以平直形狀吊掛在承重主索上的跨越 斜拉索管道跨越輸送管道用多根斜向張拉鋼索連結(jié)于塔架和錨固墩上的跨越 采用多根密集的鋼絲繩斜向張拉管道，兩端用塔架作為其支座，使管道水平受拉，解決大口徑管道的跨越難題。結(jié)構(gòu)形式的選擇原則當(dāng)管徑小于DN300的大型跨越工程,宜選用懸鏈、懸纜結(jié)構(gòu)。當(dāng)管徑大于DN300的大型跨越工程,宜選用懸索、斜拉索或其組合結(jié)構(gòu)。當(dāng)管徑大于DN300的中型跨越工程,宜選用組合管拱、輕型托架、桁架結(jié)構(gòu)。當(dāng)河床穩(wěn)定、無通航要求時(shí),亦可選用連續(xù)梁式結(jié)構(gòu)。小型跨越工程,宜選梁式、單管拱、“”型剛架、輕型托架、桁架等結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)管道跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)總體水平國(guó)際領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先水平的是四川石

6、油設(shè)計(jì)院和長(zhǎng)慶管道局設(shè)計(jì)院等。另外非石油行業(yè)的建設(shè)設(shè)計(jì)單位,如華東和華南地區(qū)部分城市的市政設(shè)計(jì)院在長(zhǎng)距離輸水管道跨越上也建成了一批大跨度斜拉索管道跨越。斜拉索管道跨越我國(guó)首先成功應(yīng)用于大型管道跨越設(shè)計(jì)。懸纜式管道跨越我國(guó)具有的獨(dú)特風(fēng)格，由懸索結(jié)構(gòu)演變而來。我國(guó)發(fā)展情況2-2 架空管道的載荷計(jì)算除管道輸送介質(zhì)的內(nèi)壓外，架空管道上還作用有多種形式的載荷。 載荷計(jì)算垂直載荷水平載荷軸向載荷1垂直載荷垂直載荷包括管道自重、保溫結(jié)構(gòu)重量、管內(nèi)輸送介質(zhì)重量、管道附件重量；氣體管道在某些情況下尚應(yīng)考慮水壓試驗(yàn)時(shí)的水重；必要時(shí)考慮彈簧支吊架產(chǎn)生的作用載荷和位移；低支架敷設(shè)時(shí)要考慮行人的重量；明設(shè)管道要考慮冰雪

7、載荷和積灰載荷等?？偞怪陛d荷 載荷系數(shù) 管道單位長(zhǎng)度自重，N/m 管道單位長(zhǎng)度上保溫層重量，N/m 管道單位長(zhǎng)度內(nèi)所輸送的液重，按充滿管道截面計(jì)算，N/m 管架間距，當(dāng)管架兩側(cè)的間距不等時(shí)，取其平均值,m 2水平（橫向）載荷風(fēng)載荷載荷系數(shù) 風(fēng)載體型系數(shù)，架空管道風(fēng)載體型系數(shù)，見表2-2風(fēng)壓高度變化系數(shù)，見表11-2 基本風(fēng)壓值(又稱標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值)，取決于管架所在地點(diǎn)，它是指空曠地區(qū)10m高處30年一遇的10分鐘最大平均風(fēng)壓值N/m2 ，見表11-1對(duì)于拐彎或附近設(shè)有支管的固定管架，尚有拐彎管或支管傳來的側(cè)向水平推力。 對(duì)于拐彎或附近設(shè)有支管的活動(dòng)管架，其管架頂尚有因管道橫向位移引起的橫向摩擦力。

8、3軸向載荷管道的軸向摩擦力管道內(nèi)壓引起的不平衡軸向力補(bǔ)償器的反彈力為了適應(yīng)管道熱膨脹的要求，在架空管道中多設(shè)有補(bǔ)償器，一般設(shè)置在兩個(gè)固定管架之間，當(dāng)管道受熱膨脹時(shí)，補(bǔ)償器被壓縮變形，由于補(bǔ)償器的剛度，將產(chǎn)生一個(gè)抵抗壓縮的力量。 2-3 管道跨度計(jì)算 地上管道，隔定的距離就要用管架（管墩）、吊架、托架來支承。兩支承間的距離稱為管道跨度?？缍扔?jì)算是地上管道設(shè)計(jì)中的重要部分。兩種條件：強(qiáng)度剛度一、按強(qiáng)度條件確定管道的跨度管道截面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力不得超過管材的許用應(yīng)力。連續(xù)梁模型最大彎矩和應(yīng)力彈性塑性跨度設(shè)計(jì)公式跨長(zhǎng)許用外載綜合應(yīng)力均布載荷截面系數(shù) 焊縫系數(shù) 焊縫系數(shù)焊 接 情 況焊縫系數(shù)手工電弧焊0

9、.70有墊環(huán)對(duì)焊焊接0.90無墊環(huán)對(duì)焊焊接0.70手動(dòng)雙面加強(qiáng)焊接0.95自動(dòng)雙面焊接1.00自動(dòng)單面焊接0.80二、按剛度條件確定管道跨度 管道在一定的跨度下總有一定的撓度，根據(jù)對(duì)撓度的限制所確定的管道允許跨度，叫做按剛度條件確定的管道跨度 兩種情況不允許反坡允許一定程度反坡油氣管道要求管道的坡度和撓度限制在一定范圍內(nèi)就可以，并不限制反坡。如輸送特別粘稠介質(zhì)的管道或要求介質(zhì)在管內(nèi)能完全自流放空的管道，不允許出現(xiàn)反坡。 允許反坡限制管道的撓度max0.1Dg中跨 近端直跨不允許反坡對(duì)于輸油和輸氣管道，通常只需要按強(qiáng)度條件決定跨度即可。對(duì)于蒸汽管道或其它對(duì)撓度有特殊限制要求的管道，應(yīng)同時(shí)按強(qiáng)度條

10、件和剛度條件計(jì)算跨度，最后選用兩者中數(shù)值較小者。2-4 管道熱應(yīng)力計(jì)算地面敷設(shè)管道受到來自管架、連接設(shè)備等的約束，因此，當(dāng)溫度變化時(shí)，管道必然發(fā)生變形，管壁上由此產(chǎn)生熱應(yīng)力。 例2-1：設(shè)油罐進(jìn)出油管線為1594.5鋼管，管材的彈性模量為197.5GPa，熱脹系數(shù)為1.2210-51/，操作溫度為100，若安裝溫度為0，當(dāng)管線在1點(diǎn)處固定時(shí)，求管線的熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力。解：管子截面積為 溫差：T=100-0=100 橫截面上的溫度應(yīng)力：=1.2210-5197.5109100=240.95（MPa）管子對(duì)油罐的推力：P= A=522.86（KN） A=2.1710-3m2將進(jìn)出油管在罐前的固

11、定點(diǎn)由1點(diǎn)改至2點(diǎn) 角形平面管道；管系有大的變形能力；管道的熱應(yīng)力和對(duì)油罐的推力大為降低。平面管系熱應(yīng)力的計(jì)算 彈性中心法（力法）分析法圖解法查設(shè)計(jì)手冊(cè) 計(jì)算程序法計(jì)算機(jī)程序或商用有限元軟件簡(jiǎn)化計(jì)算方法不要求對(duì)熱應(yīng)力的大小作詳細(xì)計(jì)算，只要求判斷管道有無足夠的補(bǔ)償能力 彈性中心法彈性中心法采用下列幾點(diǎn)假設(shè)：固定點(diǎn)是無位移無轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)剛性質(zhì)點(diǎn)；中間活動(dòng)支架的摩擦力在計(jì)算中不予考慮；管系是按一根無重量的彈性線計(jì)算。計(jì)算熱應(yīng)力（彈性力）的步驟：根據(jù)管系的條件，確定各有關(guān)數(shù)據(jù)（D, t, T, , E, I,W）；溫度變化引起的各方向伸長(zhǎng)量（ x, y）；計(jì)算管系的線靜矩、線慣性矩、線慣性積；確定管系的

12、形心位置；計(jì)算x、y方向的反力；計(jì)算各點(diǎn)的彎矩，求出管系最大彎矩Mmax；計(jì)算最大彎曲應(yīng)力max= Mmax/W，并與許用應(yīng)力比較。線性矩：線慣性矩：線慣性積：管系形心：x、y方向的反力：管系上任意點(diǎn)A0（x0,y0）的彎矩：例2-2：設(shè)油罐進(jìn)出油管線為1594.5鋼管，管材的彈性模量為197.5GPa，熱脹系數(shù)為1.2210-51/，操作溫度為100，若安裝溫度為0，當(dāng)管線在2點(diǎn)處固定時(shí)，且已知ab管長(zhǎng)5m，bc管長(zhǎng)10m，求管系的最大熱應(yīng)力。例2-3：將前例中的角形管道在轉(zhuǎn)角處采用曲率半徑R=3.5D0.5m的彎管，其余條件不變，求管系的最大熱應(yīng)力。2-5 管道熱應(yīng)力的補(bǔ)償 在溫度較高的管

13、道系統(tǒng)中，一般設(shè)置一些可伸縮的裝置或彎曲的管段，以增加管道的彈性，減小熱脹應(yīng)力。這種能減小熱應(yīng)力的裝置稱為補(bǔ)償器。彎曲管段伸縮器彎曲管段：L形、Z形、形和形補(bǔ)償器形補(bǔ)償器用于小口徑管道。形補(bǔ)償器應(yīng)布置在補(bǔ)償段的中間位置，以使兩臂伸縮均衡，管線不會(huì)彎曲，充分發(fā)揮補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力。若地形限制，應(yīng)在補(bǔ)償器兩端對(duì)稱布置導(dǎo)向支座。伸縮裝置 波紋管式和填料函式 利用金屬本身的彈性伸縮來減少管道的熱應(yīng)力，每個(gè)波紋可吸收膨脹值5-15mm。優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊缺點(diǎn)：易發(fā)生縱向彎曲，波紋總數(shù)一般不超過6個(gè)，補(bǔ)償能力有限。優(yōu)點(diǎn)：體積小、補(bǔ)償能力大缺點(diǎn)：易泄漏、易卡只有彎曲管段不能滿足要求時(shí)，才采用伸縮裝置。 補(bǔ)

14、償器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法 彈性中心法（力法）分析法（p74-p76）圖解法查設(shè)計(jì)手冊(cè) 計(jì)算程序法計(jì)算機(jī)程序或商用有限元軟件簡(jiǎn)化計(jì)算方法不要求對(duì)熱應(yīng)力的大小作詳細(xì)計(jì)算，只要求判斷管道有無足夠的補(bǔ)償能力 ASME B31.1判別式 管子的公稱直徑，m 管道在溫度變化時(shí)的自由位移，等于兩個(gè)固定支座間的直線熱伸長(zhǎng)量，mm 兩個(gè)固定支座間管道的實(shí)際總長(zhǎng)度，m 兩個(gè)固定支座間的直線長(zhǎng)度，m 例2-4：在相距60m的固定支座的管道中，設(shè)計(jì)膨脹彎的尺寸h。假定直徑D=406mm，管道的安裝溫度為15，而運(yùn)行溫度為80，管道材質(zhì)的彈性模量E=210GPa，=1.1210-5 1/。解：管道安裝與運(yùn)行時(shí)的溫度變化為：

15、T=80-15=65 熱伸長(zhǎng)量為： =UT=1.1210-56065=0.04368m=43.68mm 設(shè)計(jì)膨脹彎后，應(yīng)用簡(jiǎn)易校核公式，得： 求解：h=1.46m2-6 管道振動(dòng)振動(dòng)是一種現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)振動(dòng)有巨大的危害性；振動(dòng)會(huì)引起管道和管架的疲勞損壞、建筑物誘發(fā)振動(dòng)以及噪聲等。 管道產(chǎn)生振動(dòng)的原因流體（氣體或液體）脈動(dòng) 往復(fù)式機(jī)泵進(jìn)出口；彎頭、異徑管、控制閥、盲板等風(fēng)載共振 當(dāng)激發(fā)頻率與系統(tǒng)某階固有頻率相等時(shí)；對(duì)管道組件，推薦的最低固有頻率是30Hz；工程上的共振區(qū)范圍（0.81.2）fn(系統(tǒng)固有頻率)機(jī)泵本身的振動(dòng) 動(dòng)平衡性能差、安裝不對(duì)中、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?容許壓力脈動(dòng)值（API 618-3.9.2.7） 管道絕對(duì)壓力平均值，kPa 振動(dòng)頻率，Hz 振動(dòng)控制指標(biāo)容許聲學(xué)振動(dòng)力 要求的容器振動(dòng)力，直到2000N最大峰值 振動(dòng)力頻率，Hz（如果小于30Hz則使用30Hz） 允許氣流脈動(dòng)引發(fā)的計(jì)量誤差（ISO3313） 孔板流量計(jì)誤差，% 孔板流速，m3/s（峰值） 流經(jīng)孔板實(shí)際的平均流速， m3/s 容許壓力降 基于穩(wěn)定流經(jīng)振動(dòng)抑制設(shè)備的最大壓力降值，以在該儀器進(jìn)口的絕對(duì)平均管道壓力值的百分比表示，最低指導(dǎo)壓力下降比率是0.25% 在振動(dòng)抑制儀器所處的管段，絕對(duì)排出壓力與絕對(duì)吸入壓力的