燃氣管道設計中管道轉角有關問題的探討

摘 要

摘要：在燃氣管道設計中對管道轉角的處理，可以采用機制彎管、熱煨彎頭、冷彎彎管、彈性敷設。針對各種管道轉角處理方式，給出了規范要求、應用條件、計算公式和工程實例。關鍵詞
摘要：在燃氣管道設計中對管道轉角的處理，可以采用機制彎管、熱煨彎頭、冷彎彎管、彈性敷設。針對各種管道轉角處理方式，給出了規范要求、應用條件、計算公式和工程實例。
關鍵詞：管道轉角；熱煨彎管；冷彎彎管；機制彎頭；彈性敷設
Discussion on Problems Concerning Pipeline Corners in Design of Gas Pipeline
LI Hua-qin，LI Yong-wei，ZOU Tao
Abstract：The mechanical elbow，hot-bending bend，cold-bending bend and elastic installation can be used to handle pipeline corners in design of gas pipeline. Aimed at the various handling modes of pipeline corners，the specifications，application conditions，calculation formula and engineering example are given.
Key words：pipeline comer；hot-bending bend；cold-bending bend；mechanical elbow； elastir installation
1 問題的提出
   在進行城市燃氣管道設計時，經常會遇到管道轉角的問題，需要合理解決。目前有關這方面的研究不多，而且在工程設計中也經常被我們忽略。然而管道轉角的問題非常重要，主要包括以下4個方面：
   ① 在管道設計中冷彎彎管[1]、熱煨彎管[2]、機制彎頭[3、4]及彈性敷設[1]的適用范圍及確定原則。
   ② 在處理燃氣管道改變平面位置或縱向上躲避交叉、過河、過鐵路等問題時，管道轉角的處理。
   ③ 在敷設燃氣管道的道路上，遇有環島、匝道等彎道時，確定合理的節點位置。
   ④ 在滿足相關規范對彈性敷設的平面或垂直面的條件下，燃氣管道彈性敷設[5、6]的有關問題。
   本文就以上問題分別進行闡述。
2 燃氣管道轉角設計原則
    ① 長曲率半徑的機制彎頭(R=1.5D，R為曲率半徑，D為管道外徑)，適用于廠站及沒有通球要求的管道；短曲率半徑的機制彎頭(R=D)，只能在特殊情況下使用。
    ② 根據GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》第4.3.15條的規定，管子對接偏差不得大于3°。
   ③ 根據GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》第6.4.4條的規定，壓力大于1.6MPa的室外燃氣管道，管道附件不得采用螺旋焊縫鋼管制作[7]。
    ④ 當管道轉角小于15°且采用冷彎彎管時，彎管曲率半徑根據管徑的不同而異，具體要求見GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》第4.3.13條。
    ⑤ 當管道轉角大于15°時，宜采用熱煨彎管，對于有通球要求的管道，根據管道的設計壓力和管徑，彎頭的曲率半徑分別為R=4D、R=5D、R=6D等。
⑥ 根據GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》第4.3.14條，彈性敷設管道的曲率半徑應滿足管子強度要求，平面彈性敷設還應滿足式(1)，縱向彈性敷設還應同時滿足式(1)、(2)。
 
式中R——管道彈性彎曲曲率半徑，m
D——管道的外徑，cm
α——管道的轉角，(°)
各種管道轉角方式的相關規定見表1。
表1 各種管道轉角方式的相關規定
轉角方式
曲率半徑
相關規范規定
備 注
機制彎頭
    R=1.5D，
    R=D
 SY/T 0510—1998《鋼制對焊管件》，GB12459—2005《鋼制對焊無縫管件》。
①短曲率半徑(R=D)的彎頭只能在特殊情況下使用；②長曲率半徑(R=1.5D)的彎頭在廠站、不需通球的場所采用；③機制彎頭分為無縫和對焊彎頭。
熱煨彎管
    R=(4～6)D
 SY/T 5257—2004《油氣輸送用鋼制彎管》規定可采用無縫、焊接鋼管。GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》第6.4.4條規定壓力＞1.6MPa時管道附件不得采用螺旋焊縫鋼管制作。
①根據GB 50369—2006《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》，端部直管段的長度應不小于0.5m；②管道轉角＞15°時宜采用熱煨彎管。
冷彎彎管
DN≤300mm，R≥18D
執行GB 50369—2006《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》
端部直管段的長度為2.0m，外觀無褶皺、裂紋、機械損傷，兩端橢圓度應小于或等于1.0%，彎管橢圓度不應大于2.5%。
DN=350mm，R≥21D
 DN=400mm，R≥24D
 DN=450mm，R≥27D
 DN≥500mm，R≥30D
彈性敷設
    見備注
GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》第4.3.14條
①彈性敷設管道的曲率半徑應滿足管子強度要求；②平面彈性敷設應滿足式(1)的要求；③縱向彈性敷設應同時滿足式(1)、(2)的要求。
    在工程實際應用時，應結合工程的具體情況采用不同的管道轉角方式。在城市市區內地下交叉管道多，地上、地下空間比較擁擠，因此通常采用機制彎頭、熱煨彎管的轉角方式。而天然氣長輸管道大多位于地面比較開闊地帶，地下管道較少，有條件采用冷彎彎管和彈性敷設的轉角方式。從經濟方面考慮，機制彎頭、熱煨彎頭的費用要比冷彎彎管和彈性敷設的費用高。
3 燃氣管道平面或縱斷面的管道轉角處理
    在工程實際中經常會遇到躲避交叉管線、過河、過鐵路及平面管道路由改變等問題。在特定的條件限制下，應該計算出合理的管道轉角。
3.1 可調管道轉角的計算方法
可調管道轉角的計算見圖1。
 

    已知條件如下：
   ① 管道的公稱直徑；
   ② 彎頭或彎管的曲率半徑R；
   ③ 彎頭或彎管的直管段長度L；
   ④ 管道轉彎時兩個相鄰彎頭或彎管在折點之間水平或垂直方向的投影長度(L6或L10)，即現場條件所限定的L6或L10。
   計算公式如下：
   
式中L——彎頭或彎管的直管段長度，m
    L6——兩個相鄰彎頭或彎管在折點之間水平方向投影長度，m
    L10——兩個相鄰彎頭或彎管在折點之間垂直方向投影長度，m
    L11——兩個相鄰彎頭或彎管之間的連接直管段的長度，m
    d——管道的轉角，(°)
    當公稱直徑≥500mm時，L11不應小于管子外徑；當公稱直徑＜500mm，L11不宜小于500mm。特殊條件下，L11可以為0。
在工程實際應用時可以采取以下步驟進行計算。首先根據上面的已知條件和計算公式編制出計算表，然后輸入工程設計中已知管道的公稱直徑、曲率半徑尺和彎管的直線段長度L，這樣就可以得到不同的轉角O/對應的水平或垂直方向的投影距離L6或L10。根據上面的計算表，選擇α的值，使α對應的L6或L10值小于或等于實際的L6或L10值。然后再進行下面的計算。
 
式中Ls——工程實際垂直方向投影距離L10，m
    Ly——α對應的垂直方向的投影距離L10，m
   通過上面的計算可以得到管道合理的轉角α、兩個轉角之間直線段的長度L11。
下面舉一個工程實例。在燃氣管道的縱斷圖設計中遇到一處電纜溝，采用可調管道轉角的計算方法進行計算，可調管道轉角的計算實例簡圖見圖2。
 

   該管道敷設在電纜溝下方，根據現場的具體情況，在正常管段和電纜溝下方管段之間的最小垂直凈距為1.25m，這樣拐彎管道垂直方向的投影距離Ls=1.25m，而水平方向的投影距離不受限制，現場有可以調整的條件，因此采用可調管道轉角的計算方法進行計算。已知條件如下：管道的公稱直徑為500mm，彎頭曲率半徑R=4D，彎頭的直線段長度L=500mm，拐彎管道垂直方向投影距離L10=1.25m。
    從計算表查得管道轉角為34°時，垂直方向的投影距離為L10=1.254m，最接近工程現場的垂直方向的投影距離Ls(1.25m)。
    這時采用最接近34°的30°標準彎頭，30°對應的Ly=1.044mm，1.044m＜1.25m，即選定的轉角α對應的L10小于實際的L10值。將Ly=1.044m、Ls=1.25m、α=30°代入式(3)，得出兩個轉角之間直線段的長度L11=411mm，即可滿足管道最小凈距為1.25m的要求。因此，該工程的解決方案為，采用DN 500mm、R=4D、30°的熱煨彎頭，兩個相鄰熱煨彎頭之間的直管段長度為411mm。
3.2 不可調管道轉角的計算方法
不可調管道轉角的計算見圖3。

管道轉角之間水平、垂直方向的投影距離被限定，這時管道的轉角“是唯一的。已知條件為：水平、垂直方向的投影距離(L18、L6、L19、L10)，彎頭曲率半徑R。
   計算公式如下：
  
式中L12、L14——彎頭外所連接的直管段長度，m
    L13、L15——彎頭本身所帶直線段的長度、與之相接的直管段長度之和，m
    L16——兩個彎頭之間的直線段長度，m
    L18、L19——彎頭折點至管道端頭的長度，m
    把已知條件代入計算公式，可以求得唯一的管道轉角α、兩個轉角之間直線段的長度L16、兩個轉角端頭的直管段長度L13、L15。
    這種管道轉角的計算方法適合于工程現場水平和垂直方向的投影距離L6、L10被限定的情況，這時通過計算得到的管道轉角是唯一的。如果不能達到預期目的，可以調整已知條件彎頭曲率半徑R重新計算，調整后的彎頭曲率半徑R也許不能滿足通球要求，或無論怎樣調整也無法實現管道轉折，這時就需要采用不通球的彎頭或再考慮其他的方案。
4 彎道上燃氣管道轉角的處理
    彎道上敷設燃氣管道計算見圖4。
 

需要解決的問題如下：
① 彎道上敷設燃氣管道時合理的節點位置，即兩轉折點A、B間的距離L21；
    ② 確定弓高h1，從而保證燃氣管道與其他管線的水平凈距；
   ③ 管道轉角α。
   設計原則如下：
   ① 從技術經濟角度考慮樁號的密集程度、節點間的管道長度等；
    ② 采用適當的管道轉角，盡量不要采用彎頭；
    ③ 實際敷設的管道為所在曲率半徑為R的圓的內接多邊形，管道的節點位置會影響到與燃氣管道里側的其他管道的水平凈距，因此應確定合理的弓高h1。
計算公式如下：
 
式中h1——弓高，m
    L21——兩樁點4、B之間的距離，m
5 燃氣管道的彈性敷設
    在工程設計中，采用彈性敷設的管道轉彎方法通常應用在諸如長輸管道等交叉管線較少、地下空間比較開闊的地帶以及定向鉆穿越河流、魚塘、公路等地段。需要解決的問題是：
    什么情況下可以采用彈性敷設，彈性敷設管道的長度，彈性敷設管道的轉角，確定彈性敷設管道的位置。
    ① 平面燃氣管道的彈性敷設
根據《輸氣管道工程設計規范》，平面彈性敷設時，管道的曲率半徑應滿足管子強度要求，且應滿足式(1)。平面燃氣管道的彈性敷設計算見圖5。
 

計算公式如下：
 
式中h2——外矢距，m
    L22——切線長，m
   能夠彈性敷設的管道長度可以跟據施工現場的實際情況確定，實際應用時采取以下步驟敷設：
   a. 在滿足彈性敷設的條件下，確定彈性敷設的管道長度；
   b. 確定管道長度對應的管道轉角α。
平面燃氣管道不同轉角彈性敷設計算見表2。
表2 平面燃氣管道不同轉角彈性敷設計算
公稱直徑/mm
外徑D/mm
曲率半徑R/m
外矢距h2/mm
管道轉角α/(°)
切線長L22/m
300
323.9
350
13
1
3.05
300
323.9
350
53
2
6.11
300
323.9
350
120
3
9.17
300
323.9
350
333
5
15.28
300
323.9
350
1337
10
30.62
300
323.9
350
3020
15
46.08
300
323.9
350
12347
30
93.78
500
508.0
600
23
1
5.24
500
508.0
600
91
2
10.47
500
508.0
600
206
3
15.71
500
508.0
600
572
5
26.20
500
508.0
600
2292
10
52.49
500
508.0
600
5177
15
78.99
500
508.0
600
21166
30
160.77
   從表2中可以看出，管徑越小，相同的管道轉角切線長L22越短；相同的管徑，管道轉角越大，切線長越長。城市中地下管道和地上建、構筑物密集，給管道敷設時采用彈性敷設帶來一定困難，而對于長輸管道則更有條件采用彈性敷設。
   從表2還可以了解到，彈性敷設的角度越大，外矢距h2就越大，燃氣管道偏離原路由就越遠，由此可能會導致燃氣管道超出了拆遷范圍或施工作業帶。因此，在工程設計中彈性敷設的轉角不宜太大，以保證彈性敷設的管道位置不會偏離原路由太遠。
   平面燃氣管道不同管徑相同外矢距彈性敷設計算見表3，表3給出了不同管徑的管道在滿足平面彈性敷設條件下，外矢距h2在1m左右時，彈性敷設的管道轉角和切線長。
表3 平面燃氣管道不同管徑相同外矢距彈性敷設計算
公稱直徑/mm
外徑D/mm
曲率半徑R/m
外矢距h2/mm
管道轉角α/(°)
切線長L22/m
150
168.0
170
1100
13
19.37
200
219.0
220
1018
11
21.18
300
323.9
350
1082
9
27.55
400
406.4
410
1001
8
28.67
500
508.0
510
953
7
31.19
600
610.0
620
1159
7
37.92
700
711.0
720
988
6
37.73
800
813.0
820
1125
6
42.97
900
914.0
920
876
5
40.17
1000
1016.0
1020
972
5
44.53
    ② 縱向燃氣管道的彈性敷設
    縱向彈性敷設時，彎管的曲率半徑應滿足管子強度要求，且不得小于管道外徑的1000倍，并應同時滿足式(1)、(2)。
    將管道轉角d同時滿足式(1)、(2)的值稱為臨界值[6]。通過計算，縱向彈性敷設管道轉角臨界值見表4。從表4可以看出，不同管徑的管道縱向彈性敷設時，管道轉角α取臨界值時，管道的外矢距h2均在670～680mm范圍。
表4 縱向彈性敷設管道轉角臨界值
公稱直徑/mm
外徑D/mm
管道轉角α/(°)
曲率半徑R/mm
外矢距h2/mm
切線長L22/m
100
114
12.40
114.47
674
12.44
150
168
10.20
168.88
671
15.07
200
219
9.00
219.07
677
17.24
300
325
7.38
325.36
676
20.98
400
426
6.45
426.30
676
24.02
500
527
5.80
527.33
676
26.71
600
628
5.31
628.65
676
29.15
700
729
4.93
729.61
676
31.41
800
830
4.62
830.73
676
33.51
900
931
4.36
932.14
675
35.48
1000
1016
4.18
1016.22
676
37.09
    相同管徑管道的轉角α與切線長度L22的關系見表5。從表5可見，管道的轉角α越大，切線長就越長，但并不是按線性關系增加，而是相比于管道的轉角α的增加比例，切線長度增加的比例要小。
表5 相同管徑管道的轉角α與切線長L22的關系
公稱直徑/mm
外徑D/mm
管道轉角α/(°)
曲率半徑R/mm
外矢距h2/mm
切線長L22/m
500
527
1.0
1702
65
14.86
500
527
3.0
818
281
21.43
500
527
4.0
676
412
23.59
500
527
5.0
582
555
25.42
500
527
5.8
527
676
26.71
   ③ 彈性敷設注意事項
   燃氣管道彈性敷設設計時還應注意以下事項[8]：
    ① 縱向彈性敷設時，若管道向上彎曲，則應注意最淺埋深是否滿足設計要求。
    ② 縱向彈性敷設時，若管道向下彎曲，則應注意最大埋深必須小于鋼管出現徑向失穩的埋深。
    ③ 平面彈性敷設時，對于管道彈性敷設的位置，應注意不能偏離原路由太遠，以致超出施工作業帶、拆遷范圍或規劃部門給定的控制界限。
    ④ 彈性敷設的管道與相鄰的反向彈性敷設的管道之間以及彈性敷設的管道和機制彎管之間應采用直管段連接，直管段長度應不小于管道外徑，且不小于500mm。
6 結語
    在燃氣管道的設計中，管道的轉彎方式是不容忽略的一項，應根據工程的具體條件綜合考慮經濟、技術等因素，在條件允許的情況下按照下列順序選擇管道的轉彎方式：彈性敷設、冷彎彎管、熱煨彎管、機制彎頭。
參考文獻：
[1] GB 50251—2003，輸氣管道工程設計規范[S].
[2] SY/T 5257—2004，油氣輸送用鋼制彎管[S].
[3] SY/T 0510 1998，鋼質對焊管件[S].
[4] GB 12459—2005，鋼質對焊無縫管件[S].
[5] 張箭嘯.埋地管道彈性敷設豎向轉角臨界值的計算[J].油氣儲運，2002，21(8)：15-17.
[6] 楊羅，姚劍鋒，吳小平.城市天然氣高壓管道設計的若干問題[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：1-4.
[7] GB 50028—2006，城鎮燃氣設計規范[S].
[8] 王玉梅，閻海鵬，張紹革.燃氣管道彈性敷設設計參數的計算[J].煤氣與熱力，2009，29(3)：B01-B02.
 
(本文作者：李華琴1 李永威1 鄒濤2 1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032；2.鄭州市市政工程勘測設計研究院 河南鄭州 450046)