架空燃气管道的温度形变与应力抵消措施概述

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摘要：热胀冷缩是自然界普遍存在的自然规律。本文简单论述了管道热应力产生的原因，温度变化对燃气管道产生的不利影响以及如何抵消热应力所采取的一些措施等。

关键词： 热应力 热补偿 自然补偿 补偿器

燃气管道因季节更替以及太阳辐射强弱导致温度高于常温将发生热胀冷缩，长度发生变化。此形变产生的应力如果不采取措施进行抵消，会通过燃气管道系统传递给管道连接的附件和支架，导致接口处破裂，引起煤气泄漏。因此，不能忽视膨胀量及其产生的热应力，必须采取补偿措施，使管道受力减到管道允许应力之下，以保证管道稳定和安全工作。

1、温度变化对管道系统的影响

因热胀冷缩现象产生的热应力对可以自由伸缩的管道不会产生影响。如果固定管道两头，管道无法自由活动，温度形变产生的热应力会作用在管道上，致使管道拉伸或缩短，接头处的受力强度相应增加。

1.1 管道因温差产生的伸缩量

ΔL=α1L（T2-T1）

式中：ΔL――管道的伸缩量，m；α1――管材的线膨胀系数，钢管在20℃时，取11.7×10-5m/m℃；L――管道长度，m；T2――管道在计算状态下的温度，℃；T1――管道安装时温度，℃。

1.2 由温度变化而产生的力

F=Aα1ΔtE

式中：A――管道的截面积，mm2，σt――热应力，MPa；σt=α1ΔtE式中：E――管材的弹性模量，MPa，普通钢在20℃时取2.1×105MPa。α1――管材的线膨胀系数，钢管在20℃时，取11.7×10-5m/m℃；Δt――设计温差，℃；

由以上公式不难看出，管道的伸长量、热应力的大小均与管径无关，管道的伸长量与温差、管材和管长有关，热应力的大小与温差、管材有关。举例：有一高层建筑高79.9米，共25层，设计的燃气室内立管采用无缝钢管,规格D48×3.5，长度为69.6米，求管端自由运动时管长的变化量，和管端被固定时管内单位应力的变化值。

代入以上两个公式，不同的温差情况下计算得出以下结果：

表一

表格所见，管道的伸长量与热应力随着温差的升高而增加。温差40℃时，热应力为98.3MPa，已经接近20#钢的许用应力值。所以，温差带来的热应力是不能忽视的。为了避免热应力过大管道遭到破坏，应采取必要的热补偿措施，通过让其自由伸缩，进行应力释放。

2、热补偿措施

目前，管道热补偿的方法主要包括利用管道自身弯曲的自然热补偿和安装补偿器两种方法。当管段较短、或室内管道温差变化较小时可以利用管道的弯曲管段（如L形、Z形）的弹性变形来补偿管道的热伸长，称自然补偿。而室外长度较长的管道、重要穿跨越管道则必须通过计算选择合适的补偿器进行补偿。

2.1 自然热补偿

自然补偿是指充分利用管道本身自然弯曲（柔性）来补偿管道的热伸长或缩短。方法是在管道两端安装固定支架，通过计算得出自然补偿短臂的长度，利用短臂处的角度弯曲进行自然补偿。优点是可以节省补偿器，缺点是管道变形时产生横向位移。

2.2 热补偿器

2.2.1 方形补偿器

方(π)形补偿器是燃气管道设计中最广泛使用的热补偿器。它由4个90°弯头组成，在管道两端安装固定支架。π型补偿器补偿量计算公式为：Ls=；K=L1/LS；式中：Ls――补偿器伸出长度，mm；ΔL――补偿能力(取值与伸缩量相同，根据表1中Δt=20℃时，ΔL=16.3mm)，mm；D――管道外径，mm；σbw――管道许用弯曲应力，MPa，钢管取75MPa；K――比值，按经验取1；L1――补偿器开口长度，mm。根据上一节举的例子，计算得出Ls=625mm；方形补偿器的弹性力按以下公式计算，FK=98σbwW，H式中，FK――方形补偿器的弹性力σbw――管道弹性弯曲应力（MPa），W――管道截面系数（cm3），H――补偿器外伸臂长度（cm）。根据上一节举的例子，计算得出，FK=425N。方形补偿器的优点是制造方便，轴向推力较小，补偿量大，运行可靠，严密性好，不需要经常维修。其缺点是单面外伸臂较长，占地面积较大，需要增设管架，当管径较大时不宜采用。

2.2.2 波纹补偿器

波纹补偿器（又称膨胀节）最主要元件是波纹管。波纹补偿器允许的补偿能力一般按最大补偿能力的1/2～2/3计算。为了防止横向突出，波纹补偿器的波数不宜太多，一般常用的是1～4个波，因为波数太多就会破坏对称变形。波纹补偿器的计算公式：n=ΔL/Lcom。式中：n――波节数；Lcom――一个波节的补偿能力，mm，一般取20mm，波纹补偿器由于具有配管简单、支架费用低及维修管理方便等优点，在燃气管道补偿设计中使用频率较高。

2.2.3 其他类型波纹补偿器

其他类型的补偿器包括套管式补偿器、球形补偿器、旋转式补偿器。一般燃气工程中不常使用，这里不作具体阐述。

煤气管道补偿器种类繁多，设计人员必须充分了解各种补偿器的特点，并能够正确选择合适的补偿器。

3、结语

产生的热应力无法消除，只能采取有效措施吸收掉这部分多余的热应力，降低对管道造成的不利影响。同时，除了管材的热应力外，我们在设计过程中还应该考虑到其他不可避免因素引起的管道应力，如外来物体的撞击、建筑物的沉降、地震等自然灾害，设计中采用加装一些软管、保护栏、紧急切断阀门等设施，确保城市燃气输配管道系统在日常情况下能安全稳定地运行。

参考文献

[1]《城镇燃气设计规范》,（GB50028-2006）.

[2]《动力管道设计手册》.

[3]《燃气输配系统的设计与实践》.