燃气管道设计中管道转角有关问题的探讨

摘 要

摘要：在燃气管道设计中对管道转角的处理，可以采用机制弯管、热煨弯头、冷弯弯管、弹性敷设。针对各种管道转角处理方式，给出了规范要求、应用条件、计算公式和工程实例。关键词
摘要：在燃气管道设计中对管道转角的处理，可以采用机制弯管、热煨弯头、冷弯弯管、弹性敷设。针对各种管道转角处理方式，给出了规范要求、应用条件、计算公式和工程实例。
关键词：管道转角；热煨弯管；冷弯弯管；机制弯头；弹性敷设
Discussion on Problems Concerning Pipeline Corners in Design of Gas Pipeline
LI Hua-qin，LI Yong-wei，ZOU Tao
Abstract：The mechanical elbow，hot-bending bend，cold-bending bend and elastic installation can be used to handle pipeline corners in design of gas pipeline. Aimed at the various handling modes of pipeline corners，the specifications，application conditions，calculation formula and engineering example are given.
Key words：pipeline comer；hot-bending bend；cold-bending bend；mechanical elbow； elastir installation
1 问题的提出
   在进行城市燃气管道设计时，经常会遇到管道转角的问题，需要合理解决。目前有关这方面的研究不多，而且在工程设计中也经常被我们忽略。然而管道转角的问题非常重要，主要包括以下4个方面：
   ① 在管道设计中冷弯弯管[1]、热煨弯管[2]、机制弯头[3、4]及弹性敷设[1]的适用范围及确定原则。
   ② 在处理燃气管道改变平面位置或纵向上躲避交叉、过河、过铁路等问题时，管道转角的处理。
   ③ 在敷设燃气管道的道路上，遇有环岛、匝道等弯道时，确定合理的节点位置。
   ④ 在满足相关规范对弹性敷设的平面或垂直面的条件下，燃气管道弹性敷设[5、6]的有关问题。
   本文就以上问题分别进行阐述。
2 燃气管道转角设计原则
    ① 长曲率半径的机制弯头(R=1.5D，R为曲率半径，D为管道外径)，适用于厂站及没有通球要求的管道；短曲率半径的机制弯头(R=D)，只能在特殊情况下使用。
    ② 根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第4.3.15条的规定，管子对接偏差不得大于3°。
   ③ 根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》第6.4.4条的规定，压力大于1.6MPa的室外燃气管道，管道附件不得采用螺旋焊缝钢管制作[7]。
    ④ 当管道转角小于15°且采用冷弯弯管时，弯管曲率半径根据管径的不同而异，具体要求见GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第4.3.13条。
    ⑤ 当管道转角大于15°时，宜采用热煨弯管，对于有通球要求的管道，根据管道的设计压力和管径，弯头的曲率半径分别为R=4D、R=5D、R=6D等。
⑥ 根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第4.3.14条，弹性敷设管道的曲率半径应满足管子强度要求，平面弹性敷设还应满足式(1)，纵向弹性敷设还应同时满足式(1)、(2)。
 
式中R——管道弹性弯曲曲率半径，m
D——管道的外径，cm
α——管道的转角，(°)
各种管道转角方式的相关规定见表1。
表1 各种管道转角方式的相关规定
转角方式
曲率半径
相关规范规定
备 注
机制弯头
    R=1.5D，
    R=D
 SY/T 0510—1998《钢制对焊管件》，GB12459—2005《钢制对焊无缝管件》。
①短曲率半径(R=D)的弯头只能在特殊情况下使用；②长曲率半径(R=1.5D)的弯头在厂站、不需通球的场所采用；③机制弯头分为无缝和对焊弯头。
热煨弯管
    R=(4～6)D
 SY/T 5257—2004《油气输送用钢制弯管》规定可采用无缝、焊接钢管。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》第6.4.4条规定压力＞1.6MPa时管道附件不得采用螺旋焊缝钢管制作。
①根据GB 50369—2006《油气长输管道工程施工及验收规范》，端部直管段的长度应不小于0.5m；②管道转角＞15°时宜采用热煨弯管。
冷弯弯管
DN≤300mm，R≥18D
执行GB 50369—2006《油气长输管道工程施工及验收规范》
端部直管段的长度为2.0m，外观无褶皱、裂纹、机械损伤，两端椭圆度应小于或等于1.0%，弯管椭圆度不应大于2.5%。
DN=350mm，R≥21D
 DN=400mm，R≥24D
 DN=450mm，R≥27D
 DN≥500mm，R≥30D
弹性敷设
    见备注
GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》第4.3.14条
①弹性敷设管道的曲率半径应满足管子强度要求；②平面弹性敷设应满足式(1)的要求；③纵向弹性敷设应同时满足式(1)、(2)的要求。
    在工程实际应用时，应结合工程的具体情况采用不同的管道转角方式。在城市市区内地下交叉管道多，地上、地下空间比较拥挤，因此通常采用机制弯头、热煨弯管的转角方式。而天然气长输管道大多位于地面比较开阔地带，地下管道较少，有条件采用冷弯弯管和弹性敷设的转角方式。从经济方面考虑，机制弯头、热煨弯头的费用要比冷弯弯管和弹性敷设的费用高。
3 燃气管道平面或纵断面的管道转角处理
    在工程实际中经常会遇到躲避交叉管线、过河、过铁路及平面管道路由改变等问题。在特定的条件限制下，应该计算出合理的管道转角。
3.1 可调管道转角的计算方法
可调管道转角的计算见图1。
 

    已知条件如下：
   ① 管道的公称直径；
   ② 弯头或弯管的曲率半径R；
   ③ 弯头或弯管的直管段长度L；
   ④ 管道转弯时两个相邻弯头或弯管在折点之间水平或垂直方向的投影长度(L6或L10)，即现场条件所限定的L6或L10。
   计算公式如下：
   
式中L——弯头或弯管的直管段长度，m
    L6——两个相邻弯头或弯管在折点之间水平方向投影长度，m
    L10——两个相邻弯头或弯管在折点之间垂直方向投影长度，m
    L11——两个相邻弯头或弯管之间的连接直管段的长度，m
    d——管道的转角，(°)
    当公称直径≥500mm时，L11不应小于管子外径；当公称直径＜500mm，L11不宜小于500mm。特殊条件下，L11可以为0。
在工程实际应用时可以采取以下步骤进行计算。首先根据上面的已知条件和计算公式编制出计算表，然后输入工程设计中已知管道的公称直径、曲率半径尺和弯管的直线段长度L，这样就可以得到不同的转角O/对应的水平或垂直方向的投影距离L6或L10。根据上面的计算表，选择α的值，使α对应的L6或L10值小于或等于实际的L6或L10值。然后再进行下面的计算。
 
式中Ls——工程实际垂直方向投影距离L10，m
    Ly——α对应的垂直方向的投影距离L10，m
   通过上面的计算可以得到管道合理的转角α、两个转角之间直线段的长度L11。
下面举一个工程实例。在燃气管道的纵断图设计中遇到一处电缆沟，采用可调管道转角的计算方法进行计算，可调管道转角的计算实例简图见图2。
 

   该管道敷设在电缆沟下方，根据现场的具体情况，在正常管段和电缆沟下方管段之间的最小垂直净距为1.25m，这样拐弯管道垂直方向的投影距离Ls=1.25m，而水平方向的投影距离不受限制，现场有可以调整的条件，因此采用可调管道转角的计算方法进行计算。已知条件如下：管道的公称直径为500mm，弯头曲率半径R=4D，弯头的直线段长度L=500mm，拐弯管道垂直方向投影距离L10=1.25m。
    从计算表查得管道转角为34°时，垂直方向的投影距离为L10=1.254m，最接近工程现场的垂直方向的投影距离Ls(1.25m)。
    这时采用最接近34°的30°标准弯头，30°对应的Ly=1.044mm，1.044m＜1.25m，即选定的转角α对应的L10小于实际的L10值。将Ly=1.044m、Ls=1.25m、α=30°代入式(3)，得出两个转角之间直线段的长度L11=411mm，即可满足管道最小净距为1.25m的要求。因此，该工程的解决方案为，采用DN 500mm、R=4D、30°的热煨弯头，两个相邻热煨弯头之间的直管段长度为411mm。
3.2 不可调管道转角的计算方法
不可调管道转角的计算见图3。

管道转角之间水平、垂直方向的投影距离被限定，这时管道的转角“是唯一的。已知条件为：水平、垂直方向的投影距离(L18、L6、L19、L10)，弯头曲率半径R。
   计算公式如下：
  
式中L12、L14——弯头外所连接的直管段长度，m
    L13、L15——弯头本身所带直线段的长度、与之相接的直管段长度之和，m
    L16——两个弯头之间的直线段长度，m
    L18、L19——弯头折点至管道端头的长度，m
    把已知条件代入计算公式，可以求得唯一的管道转角α、两个转角之间直线段的长度L16、两个转角端头的直管段长度L13、L15。
    这种管道转角的计算方法适合于工程现场水平和垂直方向的投影距离L6、L10被限定的情况，这时通过计算得到的管道转角是唯一的。如果不能达到预期目的，可以调整已知条件弯头曲率半径R重新计算，调整后的弯头曲率半径R也许不能满足通球要求，或无论怎样调整也无法实现管道转折，这时就需要采用不通球的弯头或再考虑其他的方案。
4 弯道上燃气管道转角的处理
    弯道上敷设燃气管道计算见图4。
 

需要解决的问题如下：
① 弯道上敷设燃气管道时合理的节点位置，即两转折点A、B间的距离L21；
    ② 确定弓高h1，从而保证燃气管道与其他管线的水平净距；
   ③ 管道转角α。
   设计原则如下：
   ① 从技术经济角度考虑桩号的密集程度、节点间的管道长度等；
    ② 采用适当的管道转角，尽量不要采用弯头；
    ③ 实际敷设的管道为所在曲率半径为R的圆的内接多边形，管道的节点位置会影响到与燃气管道里侧的其他管道的水平净距，因此应确定合理的弓高h1。
计算公式如下：
 
式中h1——弓高，m
    L21——两桩点4、B之间的距离，m
5 燃气管道的弹性敷设
    在工程设计中，采用弹性敷设的管道转弯方法通常应用在诸如长输管道等交叉管线较少、地下空间比较开阔的地带以及定向钻穿越河流、鱼塘、公路等地段。需要解决的问题是：
    什么情况下可以采用弹性敷设，弹性敷设管道的长度，弹性敷设管道的转角，确定弹性敷设管道的位置。
    ① 平面燃气管道的弹性敷设
根据《输气管道工程设计规范》，平面弹性敷设时，管道的曲率半径应满足管子强度要求，且应满足式(1)。平面燃气管道的弹性敷设计算见图5。
 

计算公式如下：
 
式中h2——外矢距，m
    L22——切线长，m
   能够弹性敷设的管道长度可以跟据施工现场的实际情况确定，实际应用时采取以下步骤敷设：
   a. 在满足弹性敷设的条件下，确定弹性敷设的管道长度；
   b. 确定管道长度对应的管道转角α。
平面燃气管道不同转角弹性敷设计算见表2。
表2 平面燃气管道不同转角弹性敷设计算
公称直径/mm
外径D/mm
曲率半径R/m
外矢距h2/mm
管道转角α/(°)
切线长L22/m
300
323.9
350
13
1
3.05
300
323.9
350
53
2
6.11
300
323.9
350
120
3
9.17
300
323.9
350
333
5
15.28
300
323.9
350
1337
10
30.62
300
323.9
350
3020
15
46.08
300
323.9
350
12347
30
93.78
500
508.0
600
23
1
5.24
500
508.0
600
91
2
10.47
500
508.0
600
206
3
15.71
500
508.0
600
572
5
26.20
500
508.0
600
2292
10
52.49
500
508.0
600
5177
15
78.99
500
508.0
600
21166
30
160.77
   从表2中可以看出，管径越小，相同的管道转角切线长L22越短；相同的管径，管道转角越大，切线长越长。城市中地下管道和地上建、构筑物密集，给管道敷设时采用弹性敷设带来一定困难，而对于长输管道则更有条件采用弹性敷设。
   从表2还可以了解到，弹性敷设的角度越大，外矢距h2就越大，燃气管道偏离原路由就越远，由此可能会导致燃气管道超出了拆迁范围或施工作业带。因此，在工程设计中弹性敷设的转角不宜太大，以保证弹性敷设的管道位置不会偏离原路由太远。
   平面燃气管道不同管径相同外矢距弹性敷设计算见表3，表3给出了不同管径的管道在满足平面弹性敷设条件下，外矢距h2在1m左右时，弹性敷设的管道转角和切线长。
表3 平面燃气管道不同管径相同外矢距弹性敷设计算
公称直径/mm
外径D/mm
曲率半径R/m
外矢距h2/mm
管道转角α/(°)
切线长L22/m
150
168.0
170
1100
13
19.37
200
219.0
220
1018
11
21.18
300
323.9
350
1082
9
27.55
400
406.4
410
1001
8
28.67
500
508.0
510
953
7
31.19
600
610.0
620
1159
7
37.92
700
711.0
720
988
6
37.73
800
813.0
820
1125
6
42.97
900
914.0
920
876
5
40.17
1000
1016.0
1020
972
5
44.53
    ② 纵向燃气管道的弹性敷设
    纵向弹性敷设时，弯管的曲率半径应满足管子强度要求，且不得小于管道外径的1000倍，并应同时满足式(1)、(2)。
    将管道转角d同时满足式(1)、(2)的值称为临界值[6]。通过计算，纵向弹性敷设管道转角临界值见表4。从表4可以看出，不同管径的管道纵向弹性敷设时，管道转角α取临界值时，管道的外矢距h2均在670～680mm范围。
表4 纵向弹性敷设管道转角临界值
公称直径/mm
外径D/mm
管道转角α/(°)
曲率半径R/mm
外矢距h2/mm
切线长L22/m
100
114
12.40
114.47
674
12.44
150
168
10.20
168.88
671
15.07
200
219
9.00
219.07
677
17.24
300
325
7.38
325.36
676
20.98
400
426
6.45
426.30
676
24.02
500
527
5.80
527.33
676
26.71
600
628
5.31
628.65
676
29.15
700
729
4.93
729.61
676
31.41
800
830
4.62
830.73
676
33.51
900
931
4.36
932.14
675
35.48
1000
1016
4.18
1016.22
676
37.09
    相同管径管道的转角α与切线长度L22的关系见表5。从表5可见，管道的转角α越大，切线长就越长，但并不是按线性关系增加，而是相比于管道的转角α的增加比例，切线长度增加的比例要小。
表5 相同管径管道的转角α与切线长L22的关系
公称直径/mm
外径D/mm
管道转角α/(°)
曲率半径R/mm
外矢距h2/mm
切线长L22/m
500
527
1.0
1702
65
14.86
500
527
3.0
818
281
21.43
500
527
4.0
676
412
23.59
500
527
5.0
582
555
25.42
500
527
5.8
527
676
26.71
   ③ 弹性敷设注意事项
   燃气管道弹性敷设设计时还应注意以下事项[8]：
    ① 纵向弹性敷设时，若管道向上弯曲，则应注意最浅埋深是否满足设计要求。
    ② 纵向弹性敷设时，若管道向下弯曲，则应注意最大埋深必须小于钢管出现径向失稳的埋深。
    ③ 平面弹性敷设时，对于管道弹性敷设的位置，应注意不能偏离原路由太远，以致超出施工作业带、拆迁范围或规划部门给定的控制界限。
    ④ 弹性敷设的管道与相邻的反向弹性敷设的管道之间以及弹性敷设的管道和机制弯管之间应采用直管段连接，直管段长度应不小于管道外径，且不小于500mm。
6 结语
    在燃气管道的设计中，管道的转弯方式是不容忽略的一项，应根据工程的具体条件综合考虑经济、技术等因素，在条件允许的情况下按照下列顺序选择管道的转弯方式：弹性敷设、冷弯弯管、热煨弯管、机制弯头。
参考文献：
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[7] GB 50028—2006，城镇燃气设计规范[S].
[8] 王玉梅，阎海鹏，张绍革.燃气管道弹性敷设设计参数的计算[J].煤气与热力，2009，29(3)：B01-B02.
 
(本文作者：李华琴1 李永威1 邹涛2 1.北京市煤气热力工程设计院有限公司 北京 100032；2.郑州市市政工程勘测设计研究院 河南郑州 450046)