液化天然气架空管道的设计

摘 要 在液化天然气供应站点中架空管道是重要的构成部分之一，其合理设计对技术要求较高。本文以液化天然气管道的受力机理为基础，详细论述了架空管道设计的科学方法，对于天然气建设工程相关设计具有一定的参考价值。

关键词 液化天然气；架空管道；管道设计

中图分类号TE83 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0116-02

0 引言

城市燃气管网系统的能源供应源头通常是液化天然气供应站，其在城市燃气管网系统中具有非常重要的地位。工艺装置是天然气供应站内的重要构成部分，通过调压器等装置实现了天然气的液化、变压和气化3个过程，把液化天然气转变为普通汽化天然气，从而实现天然气在城市地下管网中的输送。在城市燃气管网中，为便于日常检修，天然气管道一般采用地上架设架空管道方式，天然气的液化状态时是温度为-168℃的超低温液体，很容易造成架空管道安装温度与管道内温度存在差异，因而会使管道具有很明显的管道应力。

1 液化天然气架空管道的设计

1.1 管道参数确定

主要涉及管道平面、壁厚、管径等几个参数，这些参数与常温管道中的设计基本相同，这里就在叙述了。

1.2 支架位置确定

实际工程设计中，因管道众多、布置较为复杂，一般借助多管协作架设的方法作为主要措施，但要注意，支架位置要按照最细管设计基本要求进行设计。在实际工程设计中，一定要拉开管道宽度，与结构设计专业技术人员进行合作，管道支架要设计为纵梁式。此时不需要考虑管径，只要依据常规做法采用9m 跨距值就可以起到很好的支撑效果。对于弯管跨，则要乘以0.6～0.7的折减系数。

1.3 管道用固定支架间距与每段补偿的合理设置

管道用固定支架的间距设置主要采用直管段并保证无纵向弯曲现象发生的原则，采用该原则的原因是由于在温度状态下，直管段与长细杆情况相同，发生纵向弯曲与轴向伸缩变形时，管段存在易发生失稳现象的隐患。管段的一次应力应符合下列关系：

σa+0.75íσb+0.75íσc≤[σ]h

上式中í为应力增大系数，且0.75i不能小于1，[σ]h为设计温度下的许用应力。

1.4 利用软件程序进行运算

把有关数据输入计算机内的软件程序中进行数据运算，同时注意将相应数据在每一补偿段内带入。管段中如存在支管，就要把所带支管部分相关数据带入补偿段进行数据运算。此外，一定要叮嘱结构设计专业人员对储罐基础位置的沉降进行合理控制，并对提供最终沉降量与基础提高重视。管段的应力应满足下列关系：

σa+0.75íσb+0.75íσc≤[σ]h

上式中í为应力增大系数，且0.75i不能小于1，[σ]h为设计温度下的许用应力。管段中温度应力一定要符合如下关系：

σe≤f[1.25（[σ]c+[σ]h）-σL]

上式中f为应力减小系数。对于液化天然气供应站可取l；[σ]c为环境温度下基本许用应力；σL为持续荷载的纵向应力和。而且，装置推力不能大于其承受能力，这要求与厂家进行必要的沟通，以了解产品的实际情况。当设计的管道不能达到要求或出现管道设置不够合理时，就要对方案进行调整再重新计算，直到满足全部要求。结构专业设计人员需要了解补偿段固定点推（拉）力、管道布置及其它相关具体情况，便于合理设计支架。

2 架空管道中一次应力与水平应力的计算

2.1 管道内压造成管道中的正应力与环向应力

设计人员一般都非常了解管道内压会造成管道中出现正应力与环向应力的状况，因而可不用再做分析，只需要重点指出因泊松效应原因，环向应力可导致出现正（轴向）应力，其计算公式为：

σα= PD0/4δ

上式中D0为管道外径，P为管道设计压力，δ为管道壁厚。

2.2 管道水平方向应力因偶然荷载引起

上述荷载标准值一旦确定时，大致上就能采取与竖向力相同的方法对液化天然气管道应力值进行计算。但要注意，不需考虑风荷载和地震等横向的作用力，只要选取二者之间的大者就行。此外，对于地震设防为9 度以上的高烈度区，还需要特别考虑竖向地震的作用。

3 液化天然气架空管道温度应力的计算与补偿措施

3.1 温度应力计算的有关理论

管道在进入拐点位置的平面管系后，就会使其相应温度应力计算过程变得非常复杂。在此以采用L形补偿相应管段案例来详细论述对其的计算过程，便于相关技术人员深入了解温度应力的有关计算方法。

在固定支架上两端位置的固定点与支架分段点、装置上连接点，在温度应力计算时，先不需要考虑受力与稳定性问题。当其中一端的约束条件解除时，将等效力矩与力量带入，在其影响下，该端的变形量依旧为零。依据此关系或位移法的利用力方法，能够计算出弹性推（拉）力，然后计算得到推（拉）力与弯矩图，计算出各点相应应力。这就是计算温度应力的基本原理。

在实际工程设计中，管道路分布的状况特征各异，这时计算温度应力的复杂性就比较大。具有丰富设计经验的专业人员为简化计算过程，一般会结合工程实际主动制作数据图标以实现简化计算。

随着计算机应用技术的发展，并逐渐引入到管道设计中，也使管道中温度应力的数据运算实现了采用软件程序计算方式的快速运算时代。

3.2 液化天然气架空管道的补偿措施

可通过一个简单实验进行说明，如果气化器与储罐通过一条直管段进行连接，同时不采取任何温度补偿措施，在只考虑温度应力的情况下，管道温度应力应满足下列关系：

σe=αEtt （单位：N/mm2）

上式中，t 为管道安装温度与工作温度之差，α为管道线形膨胀系数。

因此，管道对装置的推（拉）力为：P=Aσe （单位：N），式中A为管壁截面积，单位是mm2。根据有关材料可知，管道对装置的推（拉）力不可忽视，假定某管道的管径是200mm，按照上式计算的推（拉）力可达2339400N，目前任何设备都不能承受这么大的力，因此，液化天然气架空管道上一定要采取合理的温度补偿措施，以减少管道对装置的推（拉）力的不利影响。

此外，在实际工程设计中，为使补偿器尺寸减小、使管道侧向稳定性与减轻应力趋于集中，通常人为将一条管道分为若干段，同时在分段点上焊死管道与支座（此位置支架称为固定支架），避免管道在此位置产生转角和位移现象。而且每段中部要设置补偿器，由固定支架承担固定点的不平衡推（拉）力，每段管的补偿器吸收其温度应力。

4 结论

综上所述，液化天然气架空管道在设计中受力机理比较复杂，需要采取适宜的分析设计方法，这不仅需要设计人员具有良好的理论基础，还要求设计人员具有丰富的实践经验，不仅要考虑架空管道的实际受力状况、现有管道安装的技术水平以及技术队伍，还要求设计人员对架空管道的受力机理进行严格分析并选用科学合理的方法进行设计。

参考文献

[1]GB50028-2006.城镇燃气设计规范[S].

[2]GB500316-2000.工业金属管道设计规范[S].

[3]帅建，于贵杰.昔道及储罐强度设计[M].北京：石油工业出版，2009.