地上管线Π型应力补偿设计

摘 要：在石油天然气站场管道设计中，地上敷设是一种非常常见的敷设方式。地上敷设管道首先要解决的问题就是管道热应力补偿设计。本论文主要通过查阅文献资料总结地上管道应力补偿尤其是采用π型弯进行补偿的设计方法。

关键词：地上管线 热应力补偿 设计

一、概述

在场站建设中，管道地上敷设非常常见。比如石油储备库设计规范（GB 50737-2011）中规定，石油储备库围墙内的输油管道宜地上敷设。温差会造成管道长度的变化，产生热应力，引起管道变形或破坏。石油库设计规范（GB 50074-2002）规定，地上或管沟内的管道以及埋地管道的出土端均应进行热应力计算，并应采取补偿和锚固措施。因此，地上管线应力补偿设计非常重要。

二、管道应力补偿的各种方法及比选

管道应力补偿方式主要有自然补偿和补偿器补偿两种。自然补偿就是利用管道自身的弯曲管段补偿管段的热伸长的补偿方式。补偿器的种类比较多，比如波纹管补偿器、套筒补偿器等。π型弯是用4个弯管将管线组成一个“π”形的管路。

自然补偿优点是投资少而且不增加泄露点，缺点是受空间限制；补偿器占地小，但增加了投资和维修费用；π型弯制造方便，工作可靠，缺点是占地面积大。实际配管中一般尽量利用管道的自然补偿；空间允许的情况下采用π型弯进行补偿；空间受限的情况下可以采用适合的补偿器进行补偿。

π型弯适合用于油库等空间比较充裕的站场内管线敷设。本文主要对π型弯的设计进行介绍。

三、地上管线的Π型补偿设计

根据外伸臂和宽边的长度关系，π型补偿器常用的类型有3种：a） Ⅰ型（B=2H）；b）Ⅱ型（B=H）；c）Ⅲ型（B=H/2）见图3.1-1）：

1.固定端受力计算

管线固定墩轴向受力主要由不平衡内压力（Pn）、管道摩擦力（Pm）和补偿器的弹性反力（Pt）3部分组成。对于π型弯，不平衡内压力可以不予考虑。因此采用π型弯的固定端受力如式3.2-1：

（3.1-1）

1.1管道的滑动摩擦力Pm： （3.1-2）

式中：μ：摩擦系数；q：单位长度的载荷；L：管段的计算长度

1.2补偿器的弹性反力Pt

图3.1-1 π型弯设计示意图

π型弯的弹性力和应力计算通常采用“弹性中心法”进行计算，坐标系以及计算参数如图3.2-1所示。弹性力 （3.1-3）

式中：L：热伸长量；E：弹性模量；J：管子的断面惯性矩；Ixs：管线对弹性中心坐标轴的线惯性矩。

（3.1-4）

（3.1-5）

式中：ε：冷紧系数；α：管道的线膨胀系数；Lzs：管段元件相当长度的总和； ys ：管段对弹性中心坐标；K：管子平面弯曲减钢系数； Ixs：管线对弹性中心坐标轴的线惯性矩。

（3.1-6）

（3.1-7）

当λ≤0.854时；当λ>0.854时 （3.1-8）

式中弯管特性系数

δ：管子壁厚；r：管子平均半径；R：弯管曲率半径

3.2 π型弯应力校核

管线任一截面上的补偿弯曲应力 （3.2-1）

式中最大弹性弯曲力矩

ys0.5H （3.2-2）

式中弯管应力系数

当λ≤0.854时 ；当λ>0.854时 m=1 （3.2-3）

根据《技术规定》，管道由热胀、冷缩和其它位移受约束而产生的热胀二次应力不得大于下值：（3.2-4）

四、实例分析

已知管子为20号钢，规格为D508*7.1，管线安装温度为0℃，运行最高温度为40℃。首先预选π型弯的尺寸为R=2.5DN=1.25m，l1=6m，l2= l3=1.5DN=0.75m，固定支座间距为80m。π弯设置在中间。

管材弹性模量取1.98E+11；管子膨胀系数取1.16E-05 m/m.℃；摩擦系数取0.3；冷紧系数取1。根据管子规格，查得基本参数，带入公式，得：π弯弹性力Px =15.6kN；最大弯曲力矩Mmax =28037.762；摩擦力Pm =33.5KN； 固定墩推力P=48.6kN。

五、π型弯设计考虑因素分析

1.滑动管托规格对固定墩间距的限制

当管线采用滑动管托时，管托的型式和规格会对管道轴向伸长量有限制。比如，根据《管架标准图》HG/T21629-1999的规定，T型管托管托长度L=300时，适用热伸长量为50mm。根据公式3.2-4对于工作温度小于200℃的20号钢管，固定墩间距见下表：

2. 固定管托规格对补偿设计的限制

常用的金属结构的固定支座有固定管卡、焊接型固定支座和挡块式固定支座等。

图5.2-1 常用固定管托

如果选用规范规定的固定管托，管托的最大轴向推力通常不超过50kN。比如参照《管架标准图》HG/T21629-1999的固定管托，各系列管托最大轴向推力如下表所示：

实例分析中DN500的固定托的轴向推力要求为49kN，超过了几种T型管托的轴向推力限制要求。分析构成固定管托推力的力，π弯弹性力16kN，摩擦力34kN。π弯直管段是1.5DN的直管段，可以增大直管段，减小π弯弹力。π弯弹力随直管段长度变化情况如下图所示：

图5.2-2 π型弯弹力随直管段长度变化

由上图可知，增加直管段对减小总推力的作用不是很明显，而且会增加占地。由于在本案例中摩擦力所占比重更大，减小固定墩间距不仅可以减小摩擦力，同时也可以减小π弯弹力，是更有效的方法。

六、结论

本文通过文献查阅总结了地上管线π型弯补偿设计的设计、计算和应以校核过程，通过实例分析了限制固定墩间距的因素，用于实际设计指导。

参考文献：

[1]《石油化工工程设计工作手册》，中国石油大学出版社；

[2]《供热工程》，中国建筑工业出版社；

[3]《工业管道应力分析与工程应用》，中国石化出版社

[4] 《管架标准图》HG/T21629-1999