表 5 不同安装温度下预处理量计算表
=40℃
=70℃
/℃
/m
/mm /mm
/℃
/m
/mm /mm
5
100 42.00 21.005源自100 78.00 39.00
10
100 42.00 15.00 10
100 78.00 33.00
15
100 42.00 9.00
15
100 78.00 27.00
20
（1）π 型补偿选型安装 π 型补偿器是由 4 个 90°弯头组成，常用的有 4 种类型，如图 1 所 示。
图 1 π 型补偿器简图 π 型补偿器的自由臂（导向支架至补偿器外伸臂的距离），一般为 40 倍公称直径的长度。π型补偿器安装时，一般必须预拉伸，预拉伸
第 4 卷 第 25 期 2014 年 9 月
城市建设理论研究（电子版） ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu 2014(25)
决于管道的伸缩量和安装温度，计算公式如下：
式中：ΔX——波纹补偿器的预处理量，mm；+ 表示预拉伸，- 表 示预压缩；
ΔL——波纹补偿器的补偿量，取管道在最大环境温差下的热伸缩 量，mm；
Tc——管道的安装温度，℃； Tmax——最高环境温度，℃； Tmin——最低环境温度，℃； 下面以 100m（33F）高层建筑为例，按照最低环境温度、最高环 境温度分别为，计算在不同安装温度下，波纹补偿器的预处理量，结 果如下表所示。
保证燃气管道安全运行。
关键词：高层建筑；燃气管道；应力分析；补偿器选择
中图分类号：TU208
文献标识码：A
1、前言 高层建筑管道较长，自重和环境温度的变化导致管道受到重力产 生的应力和热应力的作用。当应力达到一定程度时，会造成管道扭曲、 断裂，引发事故。 鉴于高层建筑的特殊性，本文将结合工程实际，对高层建筑管道 燃气设计中的管道应力与补偿措施，进行简单分析和探讨。 2、应力分析 （1）管道自重产生的压缩应力 σ=G/A 式中：σ——压缩应力，MPa； G——燃气管道自重，N； A——立管截面积，mm2。 以 20# 无缝钢管为例，分别计算在不同高度时，重用产生的压缩应 力，计算结果见表 2。
表 1 不同温差、管长与热伸缩量、热应力计算表
（m） 50
75 100 125 150 175 200
（℃） （17F） （25F） （33F） （43F） （50F） （58F） （67F）
（mm） 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 10℃
（MPa） 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6 12.6
技术探讨
CONSTRUCTION
量为计算热拉伸量的 50%。 π 型补偿器的选型对照表，详见表 4。 表 4 π 型补偿器选型对照表
公称直径 DN/mm 补偿能
型号 20 25 32 40 50 65 80 100 150 力 /mm
外伸臂长 /mm 1 450 520 570 — — — — — — 2 530 580 630 670 — — — — — 30 3 600 760 820 850 — — — — — 4 — 760 820 850 — — — — — 1 570 650 720 760 790 860 930 1000 — 2 690 750 830 870 880 910 930 1000 — 50 3 790 850 930 970 970 980 980 — — 4 — 1060 1120 1140 1050 1240 1240 — — 1 680 790 860 920 950 1050 1100 1220 1530 2 830 930 1020 1070 1080 1220 1200 1300 1530 75 3 980 1060 1150 1220 1180 1450 1250 1350 1600 4 — 1350 1410 1430 1450 1710 1350 1450 1650 1 780 910 980 1050 1100 1200 1270 1400 1730 2 970 1070 1170 1240 1250 1330 1400 1530 1830 100 3 1140 1250 1360 1430 1450 1470 1500 1600 1830 4 — 1600 1700 1780 1700 1710 1720 1730 1980 1 — 1100 1260 1270 1310 1400 1570 1730 2120 2 — 1330 1450 1540 1550 1660 1760 1920 2280 150 3 — 1560 1700 1800 1830 1870 1900 2050 2400 4 — — — 2070 2170 2200 2200 2260 2570 1 — 1240 1370 1510 1510 1700 1830 2000 2470 2 — 1540 1700 1810 1810 2000 2070 2250 2700 200 3 — — 2000 2100 2100 2220 2300 2450 2850 4 — — — — 2720 2750 2770 2780 3130
注：表中是按安装时冷拉计算的。如采用褶皱弯头，补偿能力可 增加 1/3 ～ 1 倍。
（2）波纹补偿器的选型安装 波纹补偿器选型，需要确定波节数，按下列公式计算 n=ΔL/Lmin 式中：n——波节数； Lmin——单个波节的补偿能力，mm；取 10mm，或参见厂家样本； 当设计温差 20℃时，100m（33F）的高层建筑需在中间层（17F） 处设置 1 个四波节的补偿器，即可消除立管热伸缩量的影响。若要更大 限度的消除热应力，需适当增加补偿器的数量。 波纹补偿器安装时，必须预拉伸或压缩安装，拉伸量或压缩量取
（mm） 30.0 45.0 60.0 75.0 90.0 105.0 120.0 55℃
（MPa） 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0 126.0
（mm） 33.0 49.5 66.0 82.5 99.0 115.5 132.0 60℃
（MPa） 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6 138.6
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此文章编码：2014S 20 1 1
高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：
汤平传， 王涛 汤平传(中国市政工程华北设计研究总院深圳分院 广东深圳 518014)， 王涛(中国石油天然气管道工程有限公 司珠海分公司 广东珠海 519015)
（mm） 36.0 54.0 72.0 90.0 108.0 126.0 144.0 65℃
（MPa） 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2 151.2
（mm） 39.0 58.5 78.0 97.5 117.0 136.5 156.0 70℃
（MPa） 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8 163.8
（mm） 18.0 27.0 36.0 45.0 54.0 63.0 72.0 35℃
（MPa） 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6 75.6
（mm） 21.0 31.5 42.0 52.5 63.0 73.5 84.0 40℃
（MPa） 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2 88.2
表 2 立管长度与压缩应力计算表
立管长度（m） 50 75 100 125 150 175 200
压缩应力（MPa） 3.875 5.812 7.750 9.687 11.625 13.562 15.500
注：钢管密度按计算。 20# 无缝钢管许用应力为 127MPa，因此对于 200m 以下的高层建 筑，其立管自重产生的压缩应力不足许用应力的 20%，通常不会发生 破坏。 （2）管道因环境温差产生的伸缩量 ΔL=1000α·L·ΔT 式中：ΔL——管道的伸缩量，mm； α——管材的线膨胀系数，对普通钢管在 20℃时，取 12×10-6K-1； L——管道长度，m； ΔT——管道安装温度与计算温度的温差，℃。 （3）管道热应力 管道的伸缩完全受到约束时，产生的热应力下面公式计算， σt=α·E·ΔT 式中：σt——热应力，MPa； E— —管 材 的 弹 性 模 量 ， MPa； 对 普 通 钢 材 在 20 ℃ 时 ，取 2.10×105MPa. 从公式可以看出，随着的增大，和都会增大；随着管长 L 的增大， 也将增大。 可见，在春秋两季安装管道，最小，管道的伸缩量和热应力也最 小。管道的伸缩量和热应力的影响，在管道设计时不可忽视，应采取 有效的补偿措施。 3、补偿器的选择与安装 在不同温差条件下，不同长度的立管产生的伸缩量和热应力，计 算结果如表 3 所示。 常用的补偿器有 4 种，即 L 型补偿器、Z型补偿器、π型补偿器和 波纹补偿器。在燃气管道设计中，常用后面 2 种补偿器。
100 42.00 3.00
20
100 78.00 21.00
25
100 42.00 -3.00 25
100 78.00 15.00
30
100 42.00 -9.00 30
100 78.00 9.00
35
100 42.00 -15.00 35
100 78.00 3.00
40
100 42.00 -21.00 40
技术探讨
CONSTRUCTION
第 4 卷 第 25 期 2014 年 9 月
高层建筑燃气管道应力分析与补偿措施
汤平传1 王 涛2 1.中国市政工程华北设计研究总院深圳分院 广东深圳 518014 2.中国石油天然气管道工程有限公司珠海分公司 广东珠海 519015