1、城市天然气管道的设计摘要:随着高层建筑的日益增多,在一定程度上加大了天然气管道设计难度,天然气管道设计需要考虑的因素也越来越多。在这种情况下,就应该结合城市高层建筑实际情况对天然气管道进行合理设计或改进。如何更好的对城市天然气管道进行设计,已经成为相关部门值得思索的事情。关键词:城市天然气管道 设计 Abstract: with the increasing of high-rise buildings, to a certain extent increase the design difficulty of natural gas pipelines, natural gas pipeli
2、ne design considerations are also more and more. In this case, it should be combined with the actual situation in the city of high-rise building on the natural gas pipeline design or improvement. How to better design of city gas pipeline, has become a worth thinking about to the relevant departments
3、. Keywords: Design of city gas pipeline 中图分类号：P756.2 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 现在的能源结构当中，天然气占据了相当大的比重，世界上的各个国家都在促进城市的气体化，天然气的使用已经成为一个地区、一个城市、一个国家的社会和经济发展的重点工作。我国已探明的石油、天然气储量丰富但地域分配十分不均，需要铺设大量的输配管网来解决这一地域性的问题。另外，国内各大城市的天然气管网老化严重亟需进行改造，新增小区住宅也迫切需要进行天然气管道的安装。因此，对城市天然气管道的设计输配管网布局进行优化有着重要的意义。 一、天然气管道的
4、特点 1.相对流动性。管道与输送介质之间是相对流动的，因此要求管道内部，特别是管壁内焊口部位尽可能光滑，以利减少摩阻力。 2.固定性。天然气管道埋于地下，除改造、敷设新线路等特殊原因外，管道一般不会发生位移。 3.输送的连续性。天然气管道一旦建成、投产，一般情况下应连续运行。 4.威胁性。天然气属易燃易爆气体，在 役运行的天然气管道穿越中心城区对地面建、构筑物或区域长期构成威胁。 5.潜在的危险性。天然气管道除特殊地形、特殊要求外，一般均为地下敷设，建设中未检出的缺陷在运行中不易发现，存在不可预见的潜在危险。 二、城市天然气管道设计时应该注意的问题 1、管道沉降问题 正常情况下,高层建筑在竣工
5、后 5 年之内,其沉降速度最大,之后其沉降速度将逐渐递减。 而天然气管道一般是在建筑竣工初期进行安装的,后期随着建筑的沉降会使入管穿墙部位产生较大的应力。再加上回填土的沉降使引入管产生部分悬空,严重时会使管道变形甚至漏气。 为了避免这些问题出现,在设计的时候就应该采取恰当的补偿方法,以保证管道正常运行。 2、附加压头问题 因高层建筑的高程较高,燃气管道使用的立管也比较长,加之天然气管道与空气密度的差异,附加压头使用中常会造成用户燃烧器前压力波动,甚至超出标准的工作范围,进而影响燃烧器的正常燃烧,燃气会出现不完全燃烧或是熄火、回火等现象。为了保证天然气燃烧器能正常燃烧,就应该控制或消除附加压头的
6、影响。 3、立管应力问题 因天然气管道立管较长,其在实际运行过程中,管道自重将会很大,再加上环境和温度的影响,立管会变形甚至产生热应力。 而应力是影响高层管道设计的重要因素,一旦在设计中出现应力问题,管道自身及其支架就会受到严重的破坏,使管道弯曲或是破裂、漏气,甚至会引发重大安全事故。为了避免这一问题,在设计的时候就应该对其进行应力计算,保证天然气管道正常使用。 三、解决城市天然气管道设计问题措施 1、在管道设计中应该对天然气管道沉降进行补偿当建筑物设计沉降量超过 50mm 时,其在设计过程中就应该将入管墙的预留洞尺寸加大,保证管道引入管道墙之前,进行两次以上垂直或弯曲,并在穿墙前设置柔性管或
7、波纹补偿器。 但是在设置柔性软管的时候,尽量不对管道进行固定,并保证天然气软管的水平安装,使其处于自然延伸状态,以避免建筑沉降而使管道遭到破坏。 2、在管道设计中应该对燃具压力进行计算 天然气的供气方式是自下而上的,如果其附加压力是正值,其就会产生向上的浮力,甚至会使燃具前压力升高。在这种情况下,供气系统就应该尽量避免燃具负荷工作。民用燃具的负荷压力超过 1.5Pn(Pn 为燃具的额定压力),而对于高层建筑燃具来说是不适用的。在这时就应该根据高层建筑燃气系统不利工况进行用户燃具压力计算。其计算公式为: P =P -P -P -P 其中 P2 为灶前压力;P1 为调压出口压力;P2 为干线引入管
8、压降;P2 为室内灶前压降;P 为附加压头。当工况为不利的时候,灶前压力就会是额定压力的 1.5 倍这时可以将原来的公式改为: 1.5Pn=P1-P2-P 如果将 Pn 设成 1000Pa,P1 为 2000Pa,P 为 300Pa,其附加压头P就会高于燃具压力。 这种情况下,燃气的附加压头值应该控制在 300Pa以下。从上述计算可知,天然气附加压头在 300Pa,才能保证燃气具正常使用和燃气安全。为了更好的保证燃气的使用,还应该减小其立管管径,增大管道阻力,设置调压器并采用中压管道,减少压力波动,使燃具能在额定压力下工作。 3、在管道设计中应该进行应力计算 在进行高层建筑的时候,燃气管道一般
9、会采用中压入户方式,其立管一般会用 10 号或是 20 号无缝钢管,而管道在实际应用过程中会产生自身压缩应力。 其公式为: 其中 为压缩应力,G 为立管自重,S 为立管截面积,而 10 号无缝钢管的最大应力为 112MPa,以此为依据可以对其他无缝钢管长度进行管长计算,以保证管道管长适中。也可以对其热应力进行计算,其公式为 : =Et 其中 为热应力;E 为管材弹性模量; 为立管膨胀系数;t 为安装温度和灌流温度之差。 从上述公式可以看出热应力与管道材质和温度是有关系的,而与管道的长度及管径则无关系。 在这种情况下,应该注重无缝钢管在不同温度下的收缩量及热应力。 为了保证压缩力,最好使对立管进
10、行均匀分摊,在设计的时候确保每一层都有支架,以减少立管底部压缩预应力集中而是天然气管道破裂、漏气。为了保证热应力,在设计的时候最好安装 Z 型补偿器或 型补偿器,以减少温度对其的影响。 三、天然气管道管材的选用 管材选用主要应考虑管径的大小、管壁厚度、材质及焊接材料的性能。天然气管道管径的大小主要与流量、流速有关，根据介质的压力值、管顶的覆土深度及荷载的分布形式确定管材与管壁厚度。另外，焊接材料的选用根据母材的化学成分、机械性能和使用条件综合考虑。当同种钢材焊接时，焊接金属的机械性能和化学成分与母材相当；异种钢材焊接时，焊接材料应按合金含量较低一侧的钢材选用。选用的焊条药皮要均匀、无明显的裂纹
11、、脱皮、表面无孔、焊芯无锈蚀等现象；存放时注意防潮、防雨、防霜及油类侵蚀。 四、天然气管网优化设计的发展 天然气管网的规划设计工作是一项长期持续性的工作，由于其复杂性和广泛性，需要在实施过程中不断分析现有管网和供求关系，进一步优化管网结构。而对管网进行优化实际上就是一个网络最优化的问题，即在已知燃气管网系统的网络结构下，当采用某种管材时，根据计算要求选用合适的管径，该管径在满足管网节点流量和节点压力的条件下，可以使燃气管网系统的投资费用和运行费用最少。为了将优化问题转化为抽象的数学规划问题，可以将节点流量方程、管段压差方程、管段阻力方程、起源节点压力值，以及其他节点允许范围作为约束条件，可以制
12、定经济最优化准则最大利润、最小总费用、最低成本等，也可以制定技术最优化准则最大可靠性、最快动作等。由于节点流量方程、管段压差方程、管段阻力方程是非线性的，且设计变量管径为离散变量（标准管径）的非线性离散性规划问题。非线性规划问题的求解方法大体可分为两类：一类是把非线性问题化为线性问题来求解；另一类是直接求解。 总之，城市天然气管网安装过程是一个非常复杂的过程， 而且安装质量的好坏直接关系到千家万户的生命、财产安全，所以做好天然气管网的设计规划工作，是保证城市天然气管网安全的关键所在。 参考文献 1 张锦霖.城市 6.0MPa 超高压天然气管道的设计探讨J.城市公用事业,2006,2(4). 2 李斌.城市高压天然气储气管道的优化设计J.上海煤气,2011(4).
