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【摘要】本文通过地面沉降及环境温度变化对燃气管道所造成的影响进行分析和阐述，对燃气管道的变形量和各类补偿器及其补偿量进行归类和验算，提出管道结构补偿措施和解决办法。
【关键词】 燃气管道 变形 结构 补偿
中图分类号:TU996文献标识码: A文章编号：
Abstract: This article through the ground subsidence and the change of environment temperature on gas pipeline caused by the impact analysis and exposition, on the gas pipeline deformation and various types of compensation and compensation are classified and checking, the pipeline structure compensation measures and solutions.
Key words:gas pipeline deformation structure compensation
引言
隨着城市的发展和城市化进程的加速，管道燃气建设也得到迅猛的发展。管道供气给人们生活带来方便的同时，由于燃气易燃易爆，泄露时不便于察觉等特性，供气管道存在缺陷或设计施工不合理，极易引发事故。由此，燃气管道的安全问题引起各方高度关注，为从源头严控事故隐患，本文将根据我公司近年所设计及调查了解到的工程建设、运营实际情况，对建筑附属架空敷设的燃气管道，受自身及周围环境变化引起变形的原因及其应对措施进行探讨。
一、地面或地基沉降对管道的影响
温州市地处东南沿海，城市建成区东临东海，北靠瓯江，属于典型的软基地质，主要建筑物地处软土堆积而成的平原地带，地下土层结构多属杂填土，该土质承载力较小。据有关部门的资料记载，新建住宅的最大沉降量超过10厘米，而庭院燃气管的埋设深度一般介于0.6~1.2米之间，管道基础为原土层，燃气管道出地面后敷设于建筑外墙面，只要室外地面（非地下室顶板）与建筑物有相对位，管道出现拉、压时，因产生巨大的应力而变形，达到极限后，会出现断裂。
管道因沉降出现变形时，应及早进行处置，可以根据建筑物沉降实测数据，再考虑达到极限条件情况下，同等沉降偏移速率在建筑物建成N年后，地基达到基本稳定时，确定该建筑全寿命周期附属燃气管道的伸缩量，计算公式如下：
△L=k△HN/T （1）
式中 △L—预伸缩量（m）；
k—安全系数，一般取1.5~2.5;
△H—样本测量位移量（m）,分水平方向和垂直方向；
N—预期建筑持续沉降时间（a）；
T—样本的建筑年龄（a）；
以市区建成已8年某大楼为例，地基沉降导致管道垂直位移量达4cm，按同等沉降速率考虑，建筑建成12年后地基基本稳定，安全系数K值取1.5，则该大楼全寿命周期附属燃气管道的预伸缩量为9cm。
二、自重和温差对管道的影响
燃气管道自重产生的压缩应力，热胀冷缩及其位移受约束产生的二次应力，可根据管材许用应力范围进行验算。
（一）管道自身重量的影响
垂直架设的立管，自重产生的压缩应力如下式:
σ=W／A（2）
式中：σ—压缩应力（MPa）；
W—燃气管道自重（N）；
A—立管截面积（mm2）。
由上式可见，W与A成正比，所以密度一样的管材压缩应力σ与管径无关，现在以长为100m的高层建筑立管为例，管材采用φ57×3.5无缝钢管时，A=588.3mm2，单位长度管重为45.32N／m，计算出的σ=7.70MPa。
一般无缝钢管许用应力为127MPa，因此对于100m长的燃气立管，其自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。
（二）温差造成的影响
1.管道因温差产生的伸缩量
△L = ΨL△t （3）
式中： △L—为管道的伸缩量（m）；
Ψ—为管材线膨胀系数，普通钢管在20℃时，取12×10-6 m／(℃·m)；
L—为管道长度（m）；
△t—为环境温差（℃）。
2.管道因温差产生的热应力
管道伸缩完全受约束时，热应力计算如下：
σt=ΨE△t（4）
式中：σt—热应力（MPa）；
Ψ—为管材的线膨胀系数；
E—管材的弹性模量（MPa），普通钢在20℃时取2.1×105（MPa）；
△t—环境温差（℃）。
由上式可知，随着△t提高，△L、σt相应提高，随着管长提高，△L也提高。
不同温差与管长下的热应力和伸缩量
表1
三、补偿器选型及补偿量计算
（一）常用补偿器类型及特点
1.“L”型和“Z”型自然补偿器
制作和安装简单方便，补偿量与管道的臂长及弯曲应力有关；
2.方型补偿器
可采用无缝钢管煨弯制作，补偿能力大，轴向推力小，制作方便，运行可靠，不用经常维修，最大补偿量可达250毫米；
3.波型补偿器
工作可靠，结构紧凑，重量轻，变形应力小，提供轴向位移、补偿的同时，又可提供径向的位移、补偿，补偿量与波节数有关，成对配置时可补偿弯曲管段的热伸长；
4.金属软管补偿器
外壳为金属编织网，里面为不锈钢软管，可根据工程的沉降预留量合理选择，安装方便，具有轴向和径向同时补偿的功能，其中，径向补偿量较大，具体补偿量数值视不同产品规格而定。
（二）补偿量计算式
1.“L”型和“Z”型自然补偿
若温差取20℃，每层楼高度按 3 m计算，管道外径假设为60mm，按下式来计算短臂L的大小：
L = 1.1×(O.012 ×△t×H × Dw／300)0.5 （5）
式中： L —补偿器短臂长度（m）；
△t— 环境温差(℃)；
H—补偿器长臂长度（m）；
Dw — 管道外径（mm）。
计算可知L≈0.42 m，可见“L”型和“Z”型补偿器短臂的长度较小。采用此方法应注意立管采用焊接连接，如果丝口连接，管道经过频繁的热胀冷缩，将造成弯头处的丝口松动。
2.方形补偿器补偿：
； （6）
；
式中：Ls—补偿器伸出长度（mm）；
ΔL—补偿能力（mm），取值与伸缩量相同；
E—管材的弹性模量（MPa），普通钢在20℃时取2.1×105（MPa）
D—管道外径（mm）；
σbw—管道弹性弯曲应力（MPa），钢管取75MPa；
K—比值，按经验取1；
L1—补偿器开口长度（mm）。
方型补偿器的设计和补偿量数值选取可通过查阅《动力管道设计手册》获取。
3.波型补偿器补偿：
n=ΔL／Lcom （7）
式中：n —波节数；
ΔL—补偿能力（mm），取值与伸缩量相同；
Lcom— 一个波节的补偿能力(mm)，一般取20mm。
四、 管道变形破坏的应对措施
为防止管道因沉降或拉伸发生塑性变形而破坏时，宜在管系水平管段设置金属软管补偿器或在垂直管段设置波形补偿器进行补偿；为防止管道因温差发生弹性变形而破坏时，宜选用方形、L型或Z型自然补偿器进行补偿。所选补偿器的补偿能力相对计算得出的补偿量应留有足够的余量。
（一）引入管和出地面立管防沉降采取的补偿措施
1.适当放大穿墙套管尺寸；
2.在引入管阀门后安装波型补偿器；
3.在引入管阀门后安装松套伸缩接头；
4.在引入管水平管段安装挠性补偿器；
5.出地管接一个直角弯头，在水平管段增设金属软管补偿器。
（二）立管自重及温差引起的变形处理
1.立管中間安装挠性补偿器（如Z型或方型补偿器），也可用无缝钢管煨弯的方式进行安装；
2.入户管穿墙处应按规范要求加设套管；
3.屋面管道经过建筑物伸缩缝时，应以弯管跨越形式过渡，也可水平安装金属软管补偿器跨越；
4.立管顶部或底部设置承重支架。
五、结论
（一）在施工图设计时，应根据不同工程实际建设情形，采取经济、有效的补偿措施，以防燃气管道因变形而损坏，引发事故；
（二）补偿器在订购、制作和安装前，应对照设计文件，仔细核对其类型、规格及管道配置情况，严禁用补偿器变形的方法来调整管道的安装偏差，以免影响补偿器的正常功能、降低补偿器使用寿命；
（三）施工监理人员应提高对管沟开挖深度，沟基处理及回填土土质的监管力度，降低管道因受回填土和地上外部栽荷的影响使管道产生变形；
（四）供气单位要完善规章制度建设，加强对可能出现变形管道的巡查工作，巡查中应特别注意管道被违规占压、占用，以及管道周围出现地面沉陷等异常情况，一旦发现管道变形，应采取相应的补救措施及时处置。
【参考文献】
[1] 施振球，《动力管道设计手册》，机械工业出版社，2011年版；
[2] 严铭卿，《燃气工程设计手册》，中国建筑工业出版社，2009年版；
[3] 宋继红、赵金立等，《全国压力管道设计审批人员培训教材》，中国石化出版社，2005年版；
[4]《城镇燃气设计规范》(GB50028-2006) 2006年版；
[5]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011) 2012年版。
【个人简介】林秉运（1973- ），男，浙江，工程师，主要从事燃气工程设计工作。
【关键词】 燃气管道 变形 结构 补偿
中图分类号:TU996文献标识码: A文章编号：
Abstract: This article through the ground subsidence and the change of environment temperature on gas pipeline caused by the impact analysis and exposition, on the gas pipeline deformation and various types of compensation and compensation are classified and checking, the pipeline structure compensation measures and solutions.
Key words:gas pipeline deformation structure compensation
引言
隨着城市的发展和城市化进程的加速，管道燃气建设也得到迅猛的发展。管道供气给人们生活带来方便的同时，由于燃气易燃易爆，泄露时不便于察觉等特性，供气管道存在缺陷或设计施工不合理，极易引发事故。由此，燃气管道的安全问题引起各方高度关注，为从源头严控事故隐患，本文将根据我公司近年所设计及调查了解到的工程建设、运营实际情况，对建筑附属架空敷设的燃气管道，受自身及周围环境变化引起变形的原因及其应对措施进行探讨。
一、地面或地基沉降对管道的影响
温州市地处东南沿海，城市建成区东临东海，北靠瓯江，属于典型的软基地质，主要建筑物地处软土堆积而成的平原地带，地下土层结构多属杂填土，该土质承载力较小。据有关部门的资料记载，新建住宅的最大沉降量超过10厘米，而庭院燃气管的埋设深度一般介于0.6~1.2米之间，管道基础为原土层，燃气管道出地面后敷设于建筑外墙面，只要室外地面（非地下室顶板）与建筑物有相对位，管道出现拉、压时，因产生巨大的应力而变形，达到极限后，会出现断裂。
管道因沉降出现变形时，应及早进行处置，可以根据建筑物沉降实测数据，再考虑达到极限条件情况下，同等沉降偏移速率在建筑物建成N年后，地基达到基本稳定时，确定该建筑全寿命周期附属燃气管道的伸缩量，计算公式如下：
△L=k△HN/T （1）
式中 △L—预伸缩量（m）；
k—安全系数，一般取1.5~2.5;
△H—样本测量位移量（m）,分水平方向和垂直方向；
N—预期建筑持续沉降时间（a）；
T—样本的建筑年龄（a）；
以市区建成已8年某大楼为例，地基沉降导致管道垂直位移量达4cm，按同等沉降速率考虑，建筑建成12年后地基基本稳定，安全系数K值取1.5，则该大楼全寿命周期附属燃气管道的预伸缩量为9cm。
二、自重和温差对管道的影响
燃气管道自重产生的压缩应力，热胀冷缩及其位移受约束产生的二次应力，可根据管材许用应力范围进行验算。
（一）管道自身重量的影响
垂直架设的立管，自重产生的压缩应力如下式:
σ=W／A（2）
式中：σ—压缩应力（MPa）；
W—燃气管道自重（N）；
A—立管截面积（mm2）。
由上式可见，W与A成正比，所以密度一样的管材压缩应力σ与管径无关，现在以长为100m的高层建筑立管为例，管材采用φ57×3.5无缝钢管时，A=588.3mm2，单位长度管重为45.32N／m，计算出的σ=7.70MPa。
一般无缝钢管许用应力为127MPa，因此对于100m长的燃气立管，其自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。
（二）温差造成的影响
1.管道因温差产生的伸缩量
△L = ΨL△t （3）
式中： △L—为管道的伸缩量（m）；
Ψ—为管材线膨胀系数，普通钢管在20℃时，取12×10-6 m／(℃·m)；
L—为管道长度（m）；
△t—为环境温差（℃）。
2.管道因温差产生的热应力
管道伸缩完全受约束时，热应力计算如下：
σt=ΨE△t（4）
式中：σt—热应力（MPa）；
Ψ—为管材的线膨胀系数；
E—管材的弹性模量（MPa），普通钢在20℃时取2.1×105（MPa）；
△t—环境温差（℃）。
由上式可知，随着△t提高，△L、σt相应提高，随着管长提高，△L也提高。
不同温差与管长下的热应力和伸缩量
表1
三、补偿器选型及补偿量计算
（一）常用补偿器类型及特点
1.“L”型和“Z”型自然补偿器
制作和安装简单方便，补偿量与管道的臂长及弯曲应力有关；
2.方型补偿器
可采用无缝钢管煨弯制作，补偿能力大，轴向推力小，制作方便，运行可靠，不用经常维修，最大补偿量可达250毫米；
3.波型补偿器
工作可靠，结构紧凑，重量轻，变形应力小，提供轴向位移、补偿的同时，又可提供径向的位移、补偿，补偿量与波节数有关，成对配置时可补偿弯曲管段的热伸长；
4.金属软管补偿器
外壳为金属编织网，里面为不锈钢软管，可根据工程的沉降预留量合理选择，安装方便，具有轴向和径向同时补偿的功能，其中，径向补偿量较大，具体补偿量数值视不同产品规格而定。
（二）补偿量计算式
1.“L”型和“Z”型自然补偿
若温差取20℃，每层楼高度按 3 m计算，管道外径假设为60mm，按下式来计算短臂L的大小：
L = 1.1×(O.012 ×△t×H × Dw／300)0.5 （5）
式中： L —补偿器短臂长度（m）；
△t— 环境温差(℃)；
H—补偿器长臂长度（m）；
Dw — 管道外径（mm）。
计算可知L≈0.42 m，可见“L”型和“Z”型补偿器短臂的长度较小。采用此方法应注意立管采用焊接连接，如果丝口连接，管道经过频繁的热胀冷缩，将造成弯头处的丝口松动。
2.方形补偿器补偿：
； （6）
；
式中：Ls—补偿器伸出长度（mm）；
ΔL—补偿能力（mm），取值与伸缩量相同；
E—管材的弹性模量（MPa），普通钢在20℃时取2.1×105（MPa）
D—管道外径（mm）；
σbw—管道弹性弯曲应力（MPa），钢管取75MPa；
K—比值，按经验取1；
L1—补偿器开口长度（mm）。
方型补偿器的设计和补偿量数值选取可通过查阅《动力管道设计手册》获取。
3.波型补偿器补偿：
n=ΔL／Lcom （7）
式中：n —波节数；
ΔL—补偿能力（mm），取值与伸缩量相同；
Lcom— 一个波节的补偿能力(mm)，一般取20mm。
四、 管道变形破坏的应对措施
为防止管道因沉降或拉伸发生塑性变形而破坏时，宜在管系水平管段设置金属软管补偿器或在垂直管段设置波形补偿器进行补偿；为防止管道因温差发生弹性变形而破坏时，宜选用方形、L型或Z型自然补偿器进行补偿。所选补偿器的补偿能力相对计算得出的补偿量应留有足够的余量。
（一）引入管和出地面立管防沉降采取的补偿措施
1.适当放大穿墙套管尺寸；
2.在引入管阀门后安装波型补偿器；
3.在引入管阀门后安装松套伸缩接头；
4.在引入管水平管段安装挠性补偿器；
5.出地管接一个直角弯头，在水平管段增设金属软管补偿器。
（二）立管自重及温差引起的变形处理
1.立管中間安装挠性补偿器（如Z型或方型补偿器），也可用无缝钢管煨弯的方式进行安装；
2.入户管穿墙处应按规范要求加设套管；
3.屋面管道经过建筑物伸缩缝时，应以弯管跨越形式过渡，也可水平安装金属软管补偿器跨越；
4.立管顶部或底部设置承重支架。
五、结论
（一）在施工图设计时，应根据不同工程实际建设情形，采取经济、有效的补偿措施，以防燃气管道因变形而损坏，引发事故；
（二）补偿器在订购、制作和安装前，应对照设计文件，仔细核对其类型、规格及管道配置情况，严禁用补偿器变形的方法来调整管道的安装偏差，以免影响补偿器的正常功能、降低补偿器使用寿命；
（三）施工监理人员应提高对管沟开挖深度，沟基处理及回填土土质的监管力度，降低管道因受回填土和地上外部栽荷的影响使管道产生变形；
（四）供气单位要完善规章制度建设，加强对可能出现变形管道的巡查工作，巡查中应特别注意管道被违规占压、占用，以及管道周围出现地面沉陷等异常情况，一旦发现管道变形，应采取相应的补救措施及时处置。
【参考文献】
[1] 施振球，《动力管道设计手册》，机械工业出版社，2011年版；
[2] 严铭卿，《燃气工程设计手册》，中国建筑工业出版社，2009年版；
[3] 宋继红、赵金立等，《全国压力管道设计审批人员培训教材》，中国石化出版社，2005年版；
[4]《城镇燃气设计规范》(GB50028-2006) 2006年版；
[5]《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011) 2012年版。
【个人简介】林秉运（1973- ），男，浙江，工程师，主要从事燃气工程设计工作。