高层建筑压力管道设计.doc

探讨高层建筑燃气管道设计

鉴于高层建筑的特殊性及深圳市管道燃气的供应特点，深圳地区高层建筑管道燃气设计必须综合考虑消防安全、建筑结构、燃气工艺、远期发展等因素。本文对上述问题, 结合深圳地区的特点进行如下分析及探讨。
1 高层建筑燃气设计的消防安全要求
1.1 紧急切断阀系统
根据《城镇燃气设计规范》10.8.3的有关要求，深圳市高层建筑管道燃气设计中普遍在上升总管设紧急切断阀系统。目前，深圳市使用的紧急切断阀系统基本上是采用气动执行机构，实现关闭紧急切断阀。紧急切断阀系统根据紧急切断阀结构和执行机构特点一般有两种形式。
(1) 无手动气动紧急切断阀：控制原理：氮气瓶将高压氮气经调压使氮气管保持一定压力,依靠氮气压力使紧急切断阀保持常开。氮气瓶等气动控制设备一般设在消防控制室。一但发生火灾等事故，消防控制室值班人员可迅速开启球阀，放散氮气使之迅速泄压关闭紧急切断阀。设置旁通管及旁通阀门可便于紧急切断阀的检修，保证不间断供气。放散阀门既可作置换及放散使用，也便于紧急切断阀的调试。
(2) 带手动气动紧急切断阀：由于该紧急切断阀既可气动又可手动，有较好的可靠性。因此，设计中通常不设置旁通管，相应减少了阀门数量，节省投资。如自动系统发生故障时，也可转动手轮操作手动关闭,紧急切断阀。目前，该形式设计较为普遍。此外，由于一些建筑敷设氮气管道不宜过长或有一定困难，设计中往往将气动控制机构改为电动。
1.2 防雷、防静电及防腐
高层建筑燃气管道防雷设计必须针对直接雷击、雷电感应和雷电波侵入采取防护措施。设计中一般要求楼顶（包括转换层）燃气管道及阀门箱应与楼顶女儿墙避雷带连接，其中楼顶管道与避雷带连接不得小于两处。避雷连接须采用不小于DN8mm的圆钢双面焊接，焊接长度大于圆钢直径的六倍以上，凡焊接处均须防腐。防雷接地装置的冲击接地电阻应小于10Ω，燃气管道静电接地电阻应小于100Ω，管道及设备法兰连接一般采用铜片跨接，螺纹连接采用不小于DN8mm的圆钢作跨接，其间电阻值不应小于0.03Ω。

2 高层建筑燃气管道的工艺设计
2.1 高层建筑沉降的影响及其补偿措施
高层建筑因自重会产生一定量的沉降量。高层建筑的燃气供应一般采取上行下给方式，即燃气自庭院从上升管到达楼顶成环状或枝状，再通过各下降立管，中压进户调压计量后引至燃具。根据深圳市高层建筑管道燃气的供气形式，在设计及施工中应考虑以下措施：
(1) 在上升管与庭院管连接处，燃气钢管尽可能采取煨弯减少焊缝，对该处焊缝要求100 %探伤。庭院管与上升管的接口应在高层建筑建成沉降一段时间后,并在室内管全部竣工后施工安装,这样能减少沉降对接口处的应力。
(2) 上升管应在设置紧急切断阀后管道上尽可能采取多个弯头组合方式来进行沉降量的补偿。
(3) 如果高层建筑基础周围为非原土层或建筑沉降较大,可在上升管出庭院地面0.3～0.5m处设一个金属软管或Π型补偿器,以补偿高层建筑及庭院管的沉降。
2.2 燃气立管的应力计算及其补偿措施
高层建筑因立管（上升管、下降管）较长，管道自重大，管道上会产生压缩应力。因受环境温度变化影响，立管会产生胀缩变形和热应力。另外，高层建筑物在受到风荷载和可能发生的地震影响时均会产生一定的摆动，燃气立管因此产生弯曲应力。
以上三种应力在高层建筑设计时均不可忽视，设计不当有可能使管道自身和支架达到破坏的程度，而造成管道弯曲、断裂，致使燃气泄漏，引发事故。
(1) 压缩应力及补偿措施
管道自重产生的压缩应力：
σ= W／A
式中：σ- 压缩应力 MPa
W - 燃气管道自重 N
A - 立管截面积 mm2
补偿措施：为使立管自重得到均匀分摊，通常在设计中要求每一层（按标准层层高）设一支架，以免立管底部压缩应力过于集中。此外，在立管底部设置稳定的固定支架，以进一步承受立管自重。
(2) 伸缩量与热应力及补偿措施
管道自由膨胀时，伸缩量按下式计算：
ΔL=α.Δt.L=α.(t1-t2).L
式中：ΔL-管道伸缩量 m
α -管材线膨胀系数 m/m℃
钢管管壁在20℃时为11.8×10-6 m/m℃
t1-管道安装温度 ℃
t2-燃气温度 ℃
L-管长度 m。
如果将管道两端固定，所产生的热应力：
σt=E.α.Δt
式中：σt - 热应力 MPa;
E - 弹性模数 MPa，钢取2.1×105 MPa。
热应力只与管道材质和温度变化有关，与管长、管径无关。
由于高层建筑燃气管道存在一定伸缩量及热应力，因此，必须针对此采取有效的补偿措施。设计中常采用安装Z型补偿器、Π型（Ω）补偿器、波纹补偿器等形式。
◆ Z形补偿器补偿量不大，在实际设计中通常在上升管紧急切断阀后采用多个弯头弯曲上升。管径DN≤50 mm大多采用煨弯形式；管径DN≥50mm大多采用无缝弯头焊接形式；
◆ Π型补偿器须用优质无缝钢管，整根补偿器尺寸较小可用一根管子弯制而成。制作尺寸大的补偿器也可以用两根或三根管子焊接制成。
◆ 用波纹补偿器进行补偿的管段两端必须固定。通过计算，在立管上设计若干个波纹补偿器并设定相应固定支架。
(3) 弯曲应力
高层建筑在地震裂度为7度地区受地震影响时及受风荷载影响时的允许层间相对水平位移通常为1/1500及1/3000。如高层建筑层高为3m，建筑物允许层间相对水平位移量为2mm。该值往往远小于管道的允许位移量（管道允许位移量与管材允许应力、管道弹性模数及管道回转半径有关，具体计算略）。因此，高层建筑（超高层除外）燃气管道一般在采取伸缩补偿及承重支撑等措施后，产生的弯曲应力对燃气管道的影响可忽略不计。
2.3 燃气管道支架及穿墙保护设计
(1) 支架 由于深圳市高层建筑燃气管道设计基本上是沿建筑物外墙敷设，每隔一层层高（2.8～3.0 m）设一个支架。除在设计位置安装固定支架外，其余均采用管卡式活动支架。
(2) 预留套管及预留洞 设计单位要绘制管道、热水器预留洞图，施工单位要严格按照设计图纸准确预留。燃气管道通常采用套管预留方式。套管一般比燃气管道大二号。燃气管应安装在套管中心部位。
热水器预留洞必须根据热水器的类型及型号确定。目前未对热水器类型及型号有明确规定时，通常按对流平衡式热水器设计。预留洞尺寸为250×190×墙壁厚 mm3，预留洞中心高度通常在1.7 m。
目前，使用强制排烟式热水器较普遍。其预留洞为直径100mm的孔洞。预留中心高度为1.7 m。
2.4 附加压力的影响及供气方式的选择
高层建筑如果采取区域调压、低压进户形式，由于高层建筑立管较长，必须考虑附加压力。
ΔP=H.(ρa－ρb).g
式中：ΔP-附加压力 Pa
ρa-空气的密度 kg/m3
ρb-燃气的密度 kg/m3
H-燃气管道终、起点的高程差 m
g-重力加速度。
深圳市近期气源为液化石油气，远期气源为天然气。以上升管为例，气源为液化石油气时，产生的附加压力ΔP值为负；气源为天然气时，产生的附加压力ΔP值为正。
下面对高层建筑供应液化石油气、天然气所产生附加压力进行分析：
如采用区域调压、低压供气方式，气源为液化石油气时，随楼层增高，附加压力减小，达到一定高度时，会使室内低压燃气管道阻力损失超过允许值，这种供气方式建筑物层高不应超过6～8层。如果采用楼栋调压能使可供气能力有所增强，但对于深圳市普遍20～30层的高层建筑，显然是不适合的。与此同时，也需考虑远期使用天然气，附加压力会使高层燃具灶前压力增高，不稳定，达到一定高度必然使灶前压力超过允许值。因此，根据深圳经济特区燃气规划，并结合深圳市高层建筑管道的特点，采用中压进户的供应方式是合理的。
中压进户供气方式可保证高层建筑用户灶前压力的稳定。如调压器选择适当，完全可确保远、近期气源互换后灶前压力稳定且满足各自技术要求。
深圳市中压进户供气方式中压立管均沿外墙敷设，可较在室内敷设安全。但由于采用中压进户，一旦泄漏其危害性较低压进户大，因此，必须对中压立管及进户中压管的施工提出更高要求。例如：中压管道采用无缝钢管，进户部分中压管尽可能煨弯，穿墙部分不得有焊缝等。此外，上升管位置选择应考虑距小区道路不要过近，同时应避开地下室、窗户、阳台等处。
3 结 论
(1) 高层建筑燃气管道设计必须根据当地气源、地理气候、环境特点，并综合考虑消防安全、建筑结构特点以及远期发展等诸多因素，确定切实可行的供气方案。深圳市采用中压进户供气方式可以消除附加压力的影响，保证灶具压力稳定，同时满足远期转换天然气的需要。系统设计充分考虑了紧急切断、防雷、防静电等安全措施，实践证明是合理的、成功的。
(2) 高层建筑立管由于管道自重大，会产生压缩应力；由于环境温度变化影响，立管会产生伸缩变形和热应力；受风荷载和可能发生的地震影响产生弯曲应力。对此，应采取每层设支架使自重均匀分摊，安装合适的补偿器等措施，消除应力影响，保证安全。
(3) 高层建筑管道燃气应与建筑主体同步设计、同步施工，应重视前期预留洞工作。