浅谈高层燃气管道设计注意事项

　　摘  要: 高层建筑作为现今城市发展中土地集约利用的一种有效解决方案，越来越普遍为城市规划部门所鼓励，越来越多被地产开发商所采用。高层建筑中燃气供应的安全性与可靠性也越来越受到业界的重视。主要探讨了高层建筑燃气管道设计及设计过程中的问题。

　　关键词:高层建筑；燃气；设计

　　中图分类号：TU996.7         文献标识码：  A       文章编号：2095-0802-(2012)07-00  -0

　　Discussion on the High Gas Pipeline Design Matters Needing Attention

　　LIU Yu

　　(Foshan Hua Chan Gas Design Company Limited， Foshan528000， Guangdong， China)

　　Abstract: high-rise building as an effective solution for the development of city intensive land use is becoming more and more common for the city planning department to encourage, more and more used by real estate developers. High-rise building gas supply security and reliability are increasingly attention. This article mainly discusses the high-rise building gas pipeline design and design process issues.

　　Key words: high-rise building; gas; design

　　0前言

　　近年来，随着城市建设的不断发展和建筑业的兴盛，在各大城市中，大量的高层建筑乃至超高层建筑已经普遍。其中以高层普通住宅和商住用房尤为突出。这类建筑要求燃气的供应必须与之配套。鉴于高层建筑的特殊性，在进行其燃气管的设计时，就必须解决在多层建筑中对燃气管和燃气供应影响不大而可以忽略不计、但在高层建筑中的燃气管和燃气供应就不可忽略的一些因素。其影响因素主要有以下几点：a) 高层建筑因其体积和自重远大于普通建筑，其地基下沉对燃气引入管的影响；b) 高层建筑高度较高，因燃气比重与空气比重的差异所产生的附加压头对用户灶具使用的影响；c) 高层建筑燃气立管的自重引起的压缩应力、管道因环境温度变化所带来伸缩量及热应力的影响；d) 高层建筑在受到地震和风荷载的影响下，会产生一定量的变形，设于其上的燃气管道随之产生的弯曲应力的影响等。

　　本文拟就上述几点影响因素，提出一些消除方法。

　　1 消除高层建筑的沉降对燃气引入管的影响的方式

　　高层建筑因自重会产生一定量的沉降，燃气引入管自室外进入室内时，此段管道在建筑物沉降过大时会受到损坏，为此必须在燃气引入管处采取沉降量的补偿措施。通常是在紧贴建筑物基础外侧设沉降，在沉降箱内再采取如下方式。

　　方式一：采用多个丝扣联接的弯头按顺时针方向组合，利用丝扣一定量的可旋转性产生的管道上下位移进行沉降量的补偿。

　　方式二：利用铅管的可挠性进行补偿。

　　方式三：选择不锈钢金属波纹软管，利用其可挠性进行补偿。

　　方式四：将通用型波纹补偿器垂直安装于引入管上，利用其伸缩能力进行沉降量的补偿。

　　方式一中，多个弯头埋于地下，其螺纹部分软管道易于腐蚀，且在施工过程中极易形成反时针现象。当管道下沉时，某些丝扣会反时针方向转动，从而影响其气密性。

　　方式二中，铅管在弯曲过程中易于扁平，从而影响管道的通过能力。

　　方式四中，通用补偿器可通过计算选择满足沉降量的补偿，但对其他方向位移的补偿能力有限。另外，波纹补偿器的安装要求也高于其他几种方式。还有方式一、二、四在地震频发地区也不太适合。因此，选择何种方式，必须根据当地的具体情况。个人认为，方式三是进行燃气引入管沉降量补偿的最佳方式，目前佛山燃气正是采用用不锈钢金属波纹软管来防止沉降。

　　2 燃气立管上附加压头的影响的消除方式

　　因燃气与空气的容重有差异，燃气或轻于空气或重于空气，造成燃气立管上附加压头的产生。

　　ΔP=H (Ra-Rg)g,                   （1）

　　式中，ΔP 为附加压头，Pa；H 为管道始末端的高程差，对于上升管段，H值取负值，反之取正值，m；Ra 为空气密度，1.293 kg/m3；Rg 为燃气密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

　　以上升管段为例，当燃气容重小于空气容重时，ΔP 值为负，反之ΔP 值为正值。

　　对家用燃气灶来说，其灶前允许压力波动范围是灶具额定工作压力的0.75倍～1.5 倍。在家用燃气灶的颁布标准（CJ-83）中也列出了与灶具工作压力有关的灶具性能参数，即必须以灶具额定工作压力的0.75～1.5 倍压力进行测试并符合要求的规定。当灶具在灶前压力大于1.5 倍额定工作压力下使用时，将会使灶具的热效率下降，火焰的稳定性（离焰、脱火） 下降，带电子点火装置的灶的点火成功率下降；同时使灶具的燃烧噪声加大，烟气中一氧化碳的含量也会有所增加。

　　当整个低压管网只有极少数用户在用气，而高层建筑又离调压设备较近时，自调压器出口管至表前的整个管段的压降微乎其微，可认为引入管前压力接近于调压设备出口压力，附加压头的叠加就极易使某些层次以上的用户灶前压力超过其最高允许压力波动范围[1]。

　　这种工况是高层建筑燃气管网的最不利运行工况。把这种运行工况作为考虑对象，用户灶前压力按下述公式计算：

　　P2=P1-ΔP1-ΔP2-ΔP 附. （2）

　　式中，P2 为灶前压力，Pa；P1 为调压器出口压力，Pa；ΔP1为主干管及庭院支管压降，Pa；ΔP2为立管至灶前分支管压力降，取300 Pa（表压降为150 Pa 左右）；ΔP 附为附加压头，Pa。当燃气容重小于空气容重时，ΔP 附值为负，反之ΔP 附值为正值。

　　在最不利工况下，ΔP1 忽略不计，当灶前压力达到灶具额定工作压力的1.5 倍时， 式（2） 变为：

　　1.5Pn=P1-300-ΔP附。 （3）

　　式（3） 可用于确定附加压头增加至多少时，灶前压力会超过其额定工作压力。

　　以佛山市燃气供应为例，天然气的灶具额定工作压力为2 000 Pa，调压器出口压力P1=3 000 Pa，当附加压头大于300 Pa时，灶前压力会超出最高允许压力，因此附加压头的允许极限取300 Pa为宜。

　　佛山使用天然气容重约为0.78 kg/m3，附加压头约为5 Pa/m。当住宅高度超过60 m时，就应考虑附加压头的影响。消除附加压头影响的方式：

　　方式一，通过管道水力计算，用增加管道阻力的方式消除附加压头的影响，如改变立管口径、立管上增加阀门等。

　　方式二，从附加压头超过300 Pa 的层次开始，在立管上设置低-低压调压器，使灶前压力稳定在额定工作压力范围内。

　　方式三，从附加压头超过300 Pa 的层次开始，在用户表前设置用户低-低压调压器，使灶前压力稳定在额定工作压力范围内。

　　方式一中，当高层建筑自顶层开始有极少数用户用气时，其附加压头几乎未有所减少。

　　方式二中，当调压器出现故障时，其后的用户将受其影响。且调压器位于建筑外立面立管上，既影响美观，又不易于日后维护，不推荐使用此种方式。

　　方式三应该是消除附加压头的最理想的方式。目前佛山燃气对于高层住宅多采用方式一和方式三相结合的办法，对于难以消除附加压头影响的高层住户，我们采用在燃气表前安装户内稳压器的二级调压方式。Jeavons厂商的J42S型号稳压器,进口压力范围可达5 000 Pa～35 000 Pa，而出口压力可稳定调至2 000 Pa～2 300 Pa，保证灶前压力不受附加压头的影响。

　　3 燃气立管的应力计算及应力消除方式

　　高层建筑内因立管较长，管道较重，管道上会产生压缩应力。因受环境温度变化的影响，立管会产生伸缩变形和热应力。另外，建筑物在受到风荷载和地震的影响时均会产生一定的摆动，燃气立管因受穿楼板的限制也会随之摆动从而产生弯曲应力。此3 种应力在高层建筑燃气立管的设计中均不可忽视。

　　3.1 压缩应力

　　因管道自重产生的压缩应力：

　　σ=W/A，              （4）

　　式中：σ为缩应力，N/mm2；W 为管道自重，当立管上无承重支撑时为全部立管之重量，N；A 为立管截面积，A=π（D-d） 2/4，mm2；D 为管道外径，mm；d 为管道内径，mm。

　　普通碳钢（A3） 在工作环境温度小于100 ℃时的许用应力[σ] =113 N/mm2， 根据管道允许自重W允许≤ [σ] ×A 可计算出不同管径的允许管长（见表1）。

　　表1  根据管道允许自重计算的不同管径的允许管长

　　公称直径

　　DN/mm外径D/mm内径D/mm截面积A/mm2单位重量/N·m-1允许重要/N允许管长/m

　　100140.0106.01381.6108.51561439.0

　　8088.580.51061.383.41191438.0

　　5060.053.0620.948.870166.21437.8

　　4048.041.0489.038.455263.01439.0

　　根据表1 计算可知，当管长超过1 400 m 时，因管重引起的压缩应力会超过管材的许用应力，而如此高的立管长度对一般高层建筑是不可能的，故该压缩应力对管材的破坏性可不予考虑，但在考虑管道推力和综合应力时则不可忽视，为此必须将立管重量采用分层支撑的方式给予均摊。

　　3.2 伸缩量与热应力及其消除方式

　　随着立管周围环境温度的变化，会产生伸缩变形和热应力。管道两端不固定时伸缩量的计算公式：

　　Δl=C×Δt×L，       （5）

　　式中，Δl为伸缩量，mm；C为线膨胀系数（碳钢C=12×10-2 mm/℃m）Δt为环境温差，℃。

　　如果将管道两端固定，产生的热应力的计算公式为：

　　（6）

　　式中，σr 为热应力；E为弹性模数（钢取2.1×105 MPa）。

　　热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。不同温差时的热应力、不同管长时的伸缩量的计算结果见表2。

　　表2  不同温差时的热应力及不同管长时的伸缩量

　　温差/℃　伸缩量/mm热应力/N·mm2

　　管长50mm管长100mm管长150mm

　　106121825.2

　　2012243650.4

　　40244872100.8

　　603672108151.2

　　当管道两端固定时，因不能自由伸缩，故将对两固定端形成推力，计算公式如下：

　　F=σr×A，          （7）

　　以口径DN50 的管道为例，在不同温度下的推力计算如下：温差10 ℃时，F=25.2×620.94=15 647.7 N；温差20 ℃时，F=50.4×620.94=31 295.4 N；温差40 ℃时，F=100.8×620.94=62 590.7 N；温差60 ℃时，F=151.2×620.94=93 886.1 N。

　　如此大的推力，如果作用在楼板等处，将形成极大的破坏力。因此，必须对立管的伸缩量和热应力采取有效的补偿措施。一般采取如下方式：方式一，在立管上采用多处弯头的组合进行补偿；方式二，在立管上设置一个或多个波纹补偿器进行补偿。

　　近些年一些高层楼盘为了美观，在外立面多有美化装饰线，燃气立管必须做焊接龙门绕行，相当于做了方式一的补偿；而方式二选择波纹补偿器时，则需要注意根据管道伸缩量和补偿器的补偿能力来确定选一个或多个补偿器。所以，在高层建筑燃气设计工作中，我们应从现场实际情况出发，选择最佳的补偿方式。

　　3.3 弯曲应力

　　弯曲应力的计算公式：σ=12EI/H2，        （8）

　　式中，σ为弯曲应力，N/mm2；E 为弹性模数；I 为管道断面回转半径，mm；H为层高，mm。

　　高层建筑在地震7 度的地区受地震影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/1 500。高层建筑受风荷载影响时的允许层间相对水平位移量一般取层高的1/3 000。设于高层建筑内的燃气立管的层间相对水平位移量取建筑物的层间相对水平位移量的1.5 倍。根据管道弯曲应力应小于其管材许用应力[σ]，计算出不同口径管道的允许层间相对位移量（见表3）。

　　在受地震影响时（地震烈度7度以下地区），建筑物允许层间相对水平位移量在层高为3 m时为2 mm，该值远小于管道的允许位移量（见表3）。所以，当立管已采取承重支撑和伸缩补偿措施后，在这种情况下产生的弯曲应力对管道的破坏作用可不予考虑[2]。

　　表3 不同口径管道的允许层间相对位移量

　　口径/mmDN100DN80DN50DN40DN25

　　外径/mm114.088.560.048.033.5

　　内径/mm106.080.553.041.027.0

　　允许位移量/mm10.3713.4920.1625.5737.51

　　注：层高H 按3 000 mm 计，许用应力[σ] =113 N/mm2 。

　　4 结语

　　高层建筑的燃气管道设计应综合考虑，尤其是对于高度逐步增加的高层建筑，必须综合考虑消防建筑结构特点、安全美观、稳定供气以及远期发展等诸多因素，确定切实可行的设计方案。除此之外，还必须考虑管道走向的规范要求、管道的连接方式。以上只是我们在平时的设计工作中结合实际得出的一些微不足道的结论。当然室内燃气管道的设计首先应根据当地的气源、压力、建筑、安全、地理、环境等特点综合考虑，最后要树立以用户需求为中心、以人为本的设计理念，选择科学、合理、先进且切实可行的最佳设计方案。

　　参考文献

　　[1]刘宪理.谈室内燃气管道的设计与施工问题[J].建筑与发展,2009(12):25-27.

　　[2]朱艳红，田文中，李英利.高层建筑对燃气管道影响及解决措施[J].上海煤气，2010(1) :89-90.

　　（责任编辑：高志凤）

　　收稿日期：2012-06-08

　　作者简介：刘  宇，1981年生，男，黑龙江大庆人，2004年毕业于黑龙江大学电子工程学院自动化专业，助理工程师。