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摘要

摘要：對某蒸汽管道跨河工程的設計方案進行了篩選，選定自然補償架空敷設方案。對自然補償量進行了應力驗算，可滿足設計要求。采用加設補強肋板，解決了架空管道跨距大的問題，設計跨

摘要：對某蒸汽管道跨河工程的設計方案進行了篩選，選定自然補償架空敷設方案。對自然補償量進行了應力驗算，可滿足設計要求。采用加設補強肋板，解決了架空管道跨距大的問題，設計跨度滿足理論計算結果。

關鍵詞：自然補償；蒸汽管道；架空敷設；補強

Scheme Comparison and Optimization Design for Overhead Installation of Steam Pipeline across River

CUI Yue，GENG Fang，GAO Ran

Abstract：The design schemes of a project of steam pipeline across river are screened，and the overhead installation scheme with self-compensation is selected. The stress calculation of the self-compensation is carried out，and it can meet the design requirement. The problem of large span of overhead pipeline is solved by adding reinforced plates，and the design span meets the theoretical calculation result.

Key words：self-compensation；steam pipeline；overhead installation；reinforcement

1 工程概況

隨著城市建設的快速發展，架空敷設供熱管道逐漸被直埋或管溝敷設方式所取代，但是在許多特殊場所(如跨越河道等)，架空敷設仍然具有技術成熟、施工便捷的優勢。在濟南市小清河濱河南路供熱管道跨全福河施工過程中，就遇到了蒸汽供熱管道跨河的情況。該工程位于濟南市北部地區全福河與小清河交口處，河道由8m拓寬至64m，原有供熱管道需改建。改建后的供熱管道規格為Ø78×9，輸送介質為蒸汽，設計溫度為300℃，設計壓力為1.3MPa。

2 設計方案的比較

2.1 設計方案

① 方案1

方案1為灌注樁基礎架空跨越設計方案，設計平面圖見圖1。在河道內設計了3根灌注樁，作為滑動支架的支撐，灌注樁直徑為1m，深度至河底標高以下12m，間距為16m，采取有補償器的設計方式，河道內為鋼管現場保溫架空敷設，河道兩側為鋼套鋼直埋敷設。

②方案2

方案2為擴挖混凝土基礎鋼立柱架空跨越設計方案，設計平面圖見圖2。利用老河道的河墻作為兩處滑動支架的支撐，在河道內新增4個擴挖混凝土基礎鋼立柱滑動支架，跨河管道采用自然補償方式。

③ 方案3

方案3為河底穿越設計方案。該方案是按建設指揮部的要求提出的，是為了滿足河道的景觀要求。蒸汽管道不同于其他市政管道，采用河底穿越技術安全風險太大，設計單位與指揮部多次溝通后，指揮部放棄了該方案。

2.2 方案1、2的技術經濟性比較

① 技術比較

方案1采用了波紋管補償器進行補償，優點是可靠性較高、設計校核簡單，技術上可行。方案2采用了自然補償方式，理論上可行，但需進行應力驗算，要實現兩個滑動支架間的大跨度(26m)安裝有一定難度。

② 經濟性比較

方案1的設計除正常管材外，比方案2增設鋼套鋼固定支座，且灌注樁的造價較高，施工也有一定難度。方案2由于省去了補償器，且為擴挖基礎，因此造價較低。兩種方案的工程造價比較見表1。

表1 兩種方案的工程造價比較

方案	方案1
	內容		造價/元
管子、附件及安裝	鋼管長64m，鋼套鋼直埋保溫管長26m，波紋管補償器1件，鋼套鋼固定支座6件，彎頭4個		24×10⁴
土建施工	灌注樁基礎滑動支架3個		18×10⁴
絕熱層	巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層		3×104
方案	方案2
	內容	造價/元
管子、附件及安裝	鋼管長90m，鋼套鋼固定支座2件，彎頭4個	15×10⁴
土建施工	擴挖混凝土基礎鋼立柱滑動支架4個	8×10⁴
絕熱層	巖棉管殼保溫+玻璃鋼保護層	5×10⁴

③ 綜合評價

通過比較，方案1的技術安全易保證，缺點是造價高。方案2的造價較低，但必須進行兩個方面的工作：一是進一步的應力驗算，二是對跨度過大的滑動支架應采取補強措施。

3 方案2的優化設計

通過方案比較，設計單位更傾向采用經濟性較好的方案2，但是必須確保自然補償能力和大跨距滑動支架的安全性。

3.1 自然補償的應力驗算

① 鋼管膨脹量的計算^[1]

受熱后鋼管膨脹量△L的計算式為：

△L=α_l△_tL (1)

式中△L——鋼管膨脹量，m

α_l——鋼材的線脹系數，K^-1，為1.26×10^-5K^-1

△t一一管道設計溫度與安裝溫度之差，℃，設計溫度為300℃，安裝溫度為20℃

L——管道長度，m

由式(1)計算，對于圖2中管道長臂L₁，△L₁=215mm；對于圖2中管道短臂L₂，△L₂=43.7mm。

管道空間伸長量△L_S的計算式為：

式中△L_S——管道空間伸長量，m

由式(2)計算得，△L_S=219.4mm

② 自然補償能力的驗算

對于自然補償能力的驗算，可采用計算軟件、驗算式兩種方法。首先，通過補償應力計算軟件對方案2的自然補償設計進行應力驗算。輸入計算條件為：各管段的長度、管道公稱直徑、管道壁厚、彎頭彎曲半徑、安裝溫度、供熱介質溫度等。跨河段應力驗算結果符合安全要求。

其次，采用驗算式進行驗算^[2]：

式中D_n——管道公稱直徑，mm

L_a——管道展開總長度，m

將已知參數代入式(3)，驗算結果滿足式(3)。

上述兩種驗算方法結論相同，證明管道布置安全。為了提高安全性，設計單位參考了方形補償器的安裝工藝^[3]，在施工時對河道兩側的短臂進行了與熱膨脹反向的冷拉，冷拉長度為空間伸長量的20%～30%，約60mm，使自然補償的安全性得到了進一步保證。

3.2 架空管道跨距過大問題的解決

DN 450mm架空蒸汽管道最大允許跨距推薦值為18m。對于26m的大跨距，設計單位提出4種解決方法：進行管道補強處理(加設補強肋板)、采用拱形管道、采用懸索管架、大管背小管。后3種方法不同程度存在材料加工復雜、現場施工工期長、工藝復雜、造價高的缺點。因此，這里主要探討第1種方法的可行性。

① 補強肋板布置及相關計算參數

該方法通過增大管道截面系數，使滑動支架跨距增加30%～60%^[4]，而多消耗的金屬不會超過管子重量的10%。當滑動支架間距較長時，可以在滑動支架處管道上方加焊肋板，肋板可用扁鋼或鋼板制成，補強肋板的布置見圖3。圖中，L_s為兩個滑動支架之間的距離，單位為m；L_r為滑動支架支點距肋板最遠端的距離，單位為m，取L_r=0.1L_s。上肋板剖面圖見圖4，圖中，φ為肋板與管子截面中心垂直線的夾角，單位為(°)；δ為肋板厚度，單位為m；h為肋板高度，單位為m；點S為管道補強后的重心，點O為坐標原點；L₃為點S、O間距離，單位為m；L₄為點S距肋板上端的垂直距離，單位為m；L_sum為L₃、L₄之和，單位為m。圖4中兩側肋板軸線交于點S。