本問選自核心級期刊《油氣田地面工程》 。《油氣田地面工程》創(chuàng)刊于1978年，國際、國內(nèi)連續(xù)出版物號分別為ISSN 1006-6896、CN 23-1395/TE。《油氣田地面工程》由中國石油天然氣集團公司主管，大慶油田有限責任公司主辦，大慶油田工程有限公司(大慶油田設計院)承辦，是經(jīng)國家科學技術(shù)部和國家新聞出版總署批準出版的國內(nèi)外公開發(fā)行的技術(shù)類石油科技期刊。　　

　　摘要：針對目前天然氣應用的普及，管道穿越江、河工程也相應增多。穿越江河等水域的方式也有多種。但是，在有已建成橋梁的地區(qū)，條件允許的情況下管道隨橋敷設相對于其它穿越方式，有施工難度與費用低等優(yōu)點。

　　關(guān)鍵詞：天然氣架空管道,自然補償

　　1、工程概況

　　隨著天然氣的日益普及，各城市天然氣管道穿越河流已成為較為常見。其中燃氣管道隨橋敷設已成為常態(tài)。我院在南方某地天然氣項目中，其中就運用到燃氣管道隨橋敷設技術(shù)。

　　該橋總長276.38m，管道直徑為DN300。橋梁兩端的管道基本對稱布置，因此，可以不設固定支架，管道會對兩端進行對稱變形。

　　管道布置詳見圖1。

　　主要尺寸：AB=3660mm；

　　BC=15000mm；

　　CD=1500mm；

　　DE=22000mm；

　　EF=1000mm；

　　AO=2763800/2=1381900mm；

　　2、設計條件及支架形式

　　2.1設計參數(shù)

　　天然氣重度：082kg/m3；

　　設計壓力：0.4MPa；

　　最低計算溫度：7°C；

　　最高計算溫度：考慮到太陽輻射，取60°C；

　　2.2支架形式

　　N1、N2為滾動支架；

　　G1為固定支架；

　　橋上中點O為虛擬固定（計算所需），全部為軸向滑動支架。

　　3、管材選擇

　　根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》（GB50028-2006）6.3.10第3條第一款規(guī)定以及考慮安全，管材選用D325x8的無縫鋼管，材質(zhì)為20#鋼。

　　4、荷載

　　管道金屬重62.54kg/m，考慮超載系數(shù)1.2，計算為荷載73.6kg/m=0.722N/mm

　　5、管道幾何特性

　　管道外徑：D=325mm；管道內(nèi)徑：d=309mm；

　　管道負偏差：C1=1.2mm；管道腐蝕裕量C2=1mm；

　　管道計算厚度：δj=δn－（C1+C2）=8－（1.2+1）=5.8mm；

　　R=162.5mm；

　　考慮腐蝕裕量與負偏差后的管道內(nèi)徑：d’=313.4mm；

　　慣性矩IX=π×（D4－d4）/64=3.14×（3254－3094）/64=1000.88×105mm4；

　　考慮腐蝕后的慣性矩IX’=π×（D4－d’4）/64=3.14×（3254－313.44）/64

　　=740.6×105mm4；

　　管道的截面系數(shù)Z=Ix/R=1000.88×105/162.5=615926mm3；

　　腐蝕后的截面系數(shù)Z’=740.6×105/162.5=455754mm3；

　　6、應力計算

　　20#鋼管的許用應力〔σ〕=137MPa；

　　20#鋼管的許用彎曲應力〔σω〕=171MPa。考慮到焊縫系數(shù)0.9后應為：

　　〔σω〕=171×0.9=153.9MPa。

　　6.1環(huán)向應力σ1=PD/4/δj/0.8=0.4×309/4/5.8/0.8=6.7MPa

　　6.2軸向應力σ’=PD/4/δj=0.4×309/4/5.8=5.33MPa

　　考慮內(nèi)壓軸向應力后許用彎曲應力〔σω〕=1.25×（137－5.33）×0.9=148.1MPa

　　6.3跨距產(chǎn)生的應力

　　以G1—N1段最大，即N1—D—E最大跨距L=22750mm(EF段可視為一個支柱)，平面轉(zhuǎn)彎跨k=6.5。

　　σ2=ql2/k/Z’/φ=0.722×227502/6.5/455754/0.9=140.2MPa＜148.1MPa。

　　6.4橋上管道的軸向應力

　　（1）橋上全部管道采用滑動支架，詳見圖2（c）。管道上焊有一塊鋼襯托板，鞍形托座上襯有一塊聚四氟乙烯襯托板，鋼板與聚四氟乙烯保持滑動，摩擦系數(shù)為0.1，全部摩擦力Pm=1387.5×62.54×0.1=8677.4kg。

　　（2）橋上DN300管道產(chǎn)生的摩擦應力

　　σα=Pm×R×9.81/Z’=8677.4×162.5×9.81/455754=30.4MPa

　　未考慮中間可以抵消，即摩擦力對管道產(chǎn)生的軸向應力較小。

　　（3）跨距產(chǎn)生的應力

　　橋上管道跨距為使橋梁受力均勻，按每10米布置一個支點。

　　σα=ql2/12Z’=0.722×100002/12/455754=13.2MPa

　　合應力σΣ=30.4+13.2=43.6MPa＜〔σ〕=137×1.25=171MPa。

　　7、管道補償計算

　　橋上管道全長2763.8m，補償量Δl=2763800×(60－7)×1.2×10-5=1757.8mm。

　　考慮冷緊，冷緊系數(shù)0.63，Δl=1757.8×0.63=1107.4mm。

　　將總補償量分為橋兩端各自分擔一半，即Δl=553.7=554mm。

　　7.1推力計算

　　解決X方向的變形由下列幾種變形所決定：

　　由力PX產(chǎn)生的BC段的彎曲變形Δ1（AB段為3660mm，很短，彎曲變形可以忽略不計）。

　　PX=3EIXΔ1/（LBC）3==3EIXΔ1/110003=EIXΔ1/44367×107（1）

　　同時，對管道DE段也產(chǎn)生彎曲變形Δ2（CD段中反力PX與AO段的PX相等），PX=3EIXΔ2/（LDE）3=3EIXΔ1/220003=EIXΔ1/354930×107（2）

　　除了彎曲變形外，PX對BC段產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭矩分別為PXLBC、PXLDE，其轉(zhuǎn)角φE與φF（φ為弧度），變形Δ=φL（此處L為轉(zhuǎn)軸的長度）。

　　對OABC段，MP=PXAB，BC段扭轉(zhuǎn)變位（X方向）為（同時剪切模量G=0.81E，Jρ=2IX）：

　　Δ3=φB×BC=PXAB/G/Jρ=PX×3660×110002/0.381E/2IX

　　PX=0.762EIXΔ3/44286×107=EIXΔ3/58118×107（3）

　　對DEF段，DE為力臂，EF段扭轉(zhuǎn)

　　Δ4=φF×EF=MFEF/GJρ=PX×22000×10002/0.381E/2IX

　　PX=0.762EIXΔ4/22×109=EIXΔ4/2887×107（4）

　　同時，Δ1+Δ2+Δ3+Δ4=ΔlX=1758.8/2=879.4mm(未考慮冷緊系數(shù))（5）

　　解以上（1）~（5）方程得：

　　Δ1=84.8mm；Δ2=677.4mm；Δ3=111.1mm；Δ4=5.5mm；

　　從（4）式

　　PX=EIXΔ4/2887×107=2.06×105×1001.39×105×5.5/2887/107=3961N

　　即此力作用于固定支架G1處。

　　7.2應力計算

　　從前述變形計算看，最大補償量在DEF，F(xiàn)作為固定點，最大彎矩在EF段。同時在EF段受扭轉(zhuǎn)。固定支架G1既受彎矩也受扭矩的剪切應力。

　　7.21彎曲應力

　　在EF段

　　σω=1.5EDΔ2/（LDE）2=1.5×2.06×105×325×702.72/220002=145.8MPa

　　考慮冷緊，實際σω=1458.×0.63=91.86MPa＜〔σ〕=148.3MPa，通過。

　　7.2.2扭矩產(chǎn)生的剪切應力

　　τ在F點

　　τ=MF/Zρ=PXDE×162.5/2IX=3961×22000×162.5/2/7651.33×104=92.54MPa。

　　采用冷緊后τ=92.54×0.63=58.3MPa，通過。

　　8、管道的冷緊

　　設計在橋上A、B、C三處同時進行冷緊，冷緊值詳見表—1。

　　冷緊數(shù)值表表—1

　　施工時管道外壁溫度

　　（°C）7101520253033.5

　　A冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60

　　B冷緊值（mm）-220.6-195.6-154.0-112.4-70.8-29.10

　　C冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60

　　施工時管道外壁溫度

　　（°C）354045505560

　　A冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3

　　B冷緊值（mm）12.554.195.7137.4179.0220.6

　　C冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3

　　注：“—”表示拉緊，“+”表示推離。A、B、C三點位置見圖3。

　　結(jié)語

　　隨橋敷設燃氣管道比起管道單獨穿越河流，投資節(jié)省、施工周期短且管道維護方便等優(yōu)點。經(jīng)過幾年的運行來看，隨橋敷設燃氣管道是比較切實可行的。