增大管道跨度方法的研究

郑彦渊

(浙江工程设计有限公司，浙江杭州 310002)

摘要：在管道设计过程中，经常遇到管道跨距无法满足跨度要求，需要通过管道自身的加强来增加管道跨距的情况。文中根据决定管道跨度的强度条件和刚度条件计算公式，简要分析了影响管道跨度的因素。在此基础上，对工程中常用的3种增大管道跨度的方法(加大管径、壁厚，加强板，拱形管)做了简要的分析，并对3种方法的优缺点做了比较。最后，通过工程实例的计算分析，验证了整个选择过程，为解决工程实际问题提供了思路。

关键词：管道跨距；加强板；拱形管道

0 引言

在管道设计过程中，在一些特殊的环境下，如跨越河流、道路、排洪沟，因受现场条件所限，或是出于节约投资的考虑，无法通过管架布置来满足管道跨度要求，这时就必须加大管道的跨距，以满足跨越时的要求。

1 管道支吊架允许跨距的确定

对于连续敷设、均布荷载的水平直管，确定水平直管的允许跨距时，所考虑的荷载主要为：重力荷载(包括管道、介质和保温层所受重力)以及内压力[1]。为保证安全，支吊架最大允许的跨距应同时满足管道强度和刚度两个条件。强度条件是控制管道自重弯曲应力不超过设计温度条件下材料许用应力的一半。刚度条件是限制管道自重产生的弯曲[2]。管道最大跨距计算公式见式(1)、式(2)。

按强度条件:

Lmax=0.071

(1)

按刚度条件(装置外):

Lmax=0.048×

(2)

式中:Lmax为管道最大允许跨距，m;W为管道截面系数，mm3；[σ]t为设计温度下管材许用应力，MPa；q为管道单位长度计算载荷，N/m；Et为设计温度下管材的弹性模量，MPa；I为管道截面二次矩，mm4。

从式(1)、式(2)可以看出：管道最大跨距与管材的许用应力、弹性模量、管道的截面系数、截面二次矩成正比，与管道单位长度计算荷载成反比。而对某一确定的管道而言，受其输送介质的限制，管材的物性参数(弹性模量、许用应力)是确定的，故要增大管道的跨度就只能通过增大管道的截面系数、截面二次矩或减小管道单位长度计算荷载来实现。

2 增大管道跨距的常用方法

2.1 加大管径、壁厚

对于圆形薄壁管道，按照薄壁理论，截面系数W、截面二次距I计算公式见式(3)、式(4):

W=

D2S

(3)

I=

D3S

(4)

式中：D为管道平均直径,mm;S为管道壁厚,mm。

从式(3)、式(4)可以看出，增大管道的管径、壁厚可以有效增大W、I的值，从而增大管道的跨距。这种做法的优点是：简单易行。首先确定所需的管道跨距，然后反算确定管道规格。需要注意的是：该方法管径增大的同时，管道荷载也同时增大，故所能增加的跨距有限，而且需要另采购另一种型号的管材，钢材的消耗量较大。

2.2 增加加强板

在重力荷载作用下，管道最大挠度位于两支架的中点处，最大弯曲力矩位于支架处，离开中点向两侧，挠度和弯曲应力迅速减小[3]。因此，若在管道中部及管道支架处焊加强肋板增加管道的刚度，就能起到增加管道跨距的目的。用加强板加强的管道示意图如图1所示。

图1 用加强板加强管道

上加强板加强后的组合断面对轴Xs的截面二次距Is和断面系数Ws按式(5)确定：

Ws=Is/e

(5)

式中：Dw为管道外径，cm；I为无加强板的管子二次截面距，cm4；A为管壁断面积，cm2；a为加强板高度，cm；α为加强板对管道断面中心垂直线的倾角，rad；δ为加强板厚度，cm；Ys为组合断面的重心位置，cm；e为通过重心S的轴Xs与焊有加强板的组合断面最远边线之间的距离，cm。

加强后管道的跨距：

Ls=L

式中L为未加强之前的管道跨距。

下加强板管道上加强跨距的计算原理与上加强板类似。

从式(5)可以看出：加强板法实质上仍是通过增大管道的截面系数、截面二次矩来增大管道跨矩的。工程中，加强肋板一般采用用扁钢或钢板制成，肋板的长度一般取跨距的20%，该方法施工简便，可增加支吊架跨度的40%～50%，而增加的钢材不超过管子质量的10%[4]，是一种非常简便、经济的方法，在工程中被大量采用。

2.3 采用拱形管

拱形管道利用管路自身的刚度煨成弧状，形成一个无铰拱，使管路本身除输送介质外兼作支撑结构，同时拱形也可考虑作为管路的补偿设施[3]。拱形管道荷载设计时要考虑垂直荷载、水平风荷载、温度荷载等，影响拱形管道设计的参数也很多。在工程设计中，一般仅按相关的规定对管道进行强度和稳定性验算。具体的计算步骤如图2所示。

图2 拱管计算步骤

拱形管路计算过程较繁琐，有关的详细设计与计算可以参考上海化工设计院的《拱形管道手册》。另外，由于是拱形结构，在两侧支架不高的情况下，管底空间高度就能满足净空要求，这样拱支架高度就可以适当降低。该方法的主要缺点为计算繁琐，而且对施工制作、安装要求较高，且仅适用于单跨工程。

3 实例分析

以衢州某园区的蒸汽管网输送项目为例。该项目蒸汽管道设计压力1.3 MPa,设计温度315 ℃，管径Φ720 mm×11 mm，有一处需要跨越27 m宽的道路，不能在道路中间绿化带上设管架。若采用桁架敷设，因马路两侧皆有高压线，空间有限，而且造价较高，故项目组初定用增大管道跨距的方法来满足该跨度要求。

首先，根据刚度、强度条件计算了DN700及以上管径的管道基本跨距，如表1所示。

表1 不同管径的管道最大跨距

规格管子荷载/(kN·m-1)截面系数/106mm3截面二次距/109mm4最大跨距(取小值)/m刚度条件强度条件DN7006.34.271.5422.118.6DN8007.95.582.2923.019.0DN9009.87.663.5324.320.0

从表1可以看出：随着管径从DN700增大到DN900，管道截面系数、截面二次距分别增大了约79%及129%，管子计算荷载也相应增大了约56%，故而按刚度条件和强度条件确定的最大跨距增加值并不明显(按强度条件计算DN900仅比DN700跨度增加7.5%)，再往上加大管径仍无法达到使用要求。

接着，考虑采用焊接加强肋板的方法，相关计算数据见表2。

表2 上加强板加强管道的最大跨距

规格加强板尺寸/cm加强管断面高度厚度长度截面系数/103cm3截面二次距/105cm4加强管道跨距/mDN7002026757.152.5524.0

通过表2与表1的对比可以看出：用上加强板加强后的管道的截面系数及截面二次距值较未加强时(DN700) 分别增大了约67%及65%。管道跨度也相应从18.6 m增加至24.0 m，增加了约29%。可以看出：虽然加强板法增加的截面系数及截面二次距值不如管径改为DN900增加的大，但因加强板法增加的管道计算荷载很小，综合后管道跨距的增加值反而更大。

下加强板的计算与上加强板类似，通过计算约可增加跨距值35%，因此上下同时加强可增加跨距至Ls= 18.6×1.29×1.35=32.4 m，可以满足使用要求。

最后，也试算了拱管的方案，在矢跨比采用1∶8的计算条件下，在30 m跨度下，也能通过强度和稳定性的验算。考虑到拱管对施工制作、安装要求较高，成本较加强板高，最后决定采用加强板的方法。管道建成通汽后，经过运行检验，该方法能够满足使用要求。

4 结论

以上3种方法是工程中常用的增大管道支架跨距的方法，3种方法各有优缺点，在工程应用中，应结合具体情况选择合适的方法。

参考文献：

[1] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2003:106-117.

[2] 动力管道设计手册编写组.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 化学工业部化工工艺配管设计技术中心站.化工管路手册[M].北京：化学工业出版社，1992.

[4] 李爱廷.管道敷设及增大跨距的措施[J].中氮肥，1999(2):50-51.

Method Research of Increasing Pipe Span

ZHENG Yan-yuan

(Zhejiang Engineering Design Co.,Ltd.,Hangzhou 310002，China)

Abstract： Pipe span can not meet the requirements of the span in the course of pipe engineering design which need to strengthen the pipe to increase itself. The article analyzed the various factors that affect the pipe span based on the formula of strength condition and stiffness condition. And also analyzed three methods commonly used in engineering to increase pipe span (including increasing diameter, wall thickness, reinforcing plate, vaulted pipe), and compared the advantages and shortcomings with various methods. Finally, through the analysis of engineering example, the entire options selection process was proved, providing a reference for solving engineering problems.

Key words： pipe span；reinforcing plate；vaulted pipe

收稿日期：2015-07-31

中图分类号：TU996

文献标识码：A

文章编号：1004-9614(2016)02-0008-03

作者简介：郑彦渊(1983—)，工程师，主要从事工艺管道外管设计工作。E-mail:[e-mail]