黄天娇
三亚长丰海洋天然气设计有限公司 海南省 三业 572000
摘要： 本文主要针对在设计工作中出现的城镇居民住宅楼燃气管道设计采用天面层布管形式所需相关水力计算、防雷搭接、热补偿等方面做探讨。
关键词：天面燃气管道设计 水力计算 管道防雷 热补偿
我国是世界上较早开发利用天然气的国家之一。2004年“西气东输”管道项目正式商业运作使我国天然气消费市场迅速扩大。 随着社会经济的发展、节能减排工作的推进与深入，天然气做为一种清洁能源以其优越品质获得广泛应用。城市燃气管道已经成为人们生活必不可少的设施之一。当前城市建设正处于高速发展时期，时常会出现建设方报装天然气管道与建筑主体工程步调不一致的情况，即楼栋建筑及外围管线已基本完工，天然气管道的设计敷设工作往往才开始，居民住宅小区出现该状况频率较其他用气类型较多，现场施工条件制约着管道的设计方案，遇到这种特殊情况。设计管道走管方案往往会考虑燃气管道天面布置。燃气管道天面布置即将燃气管道由一条主立管自一层敷设至屋顶，在屋顶布管开支至其他用气立管。以居民住宅楼为例，针对管道天面层设计，做如下分析。
2水力计算
2.1设计背景
根据三亚市燃气管道布置的实际情况，输气管网为支状，供气系统为市政中压A天然气经中压管道引入小区，由楼栋调压箱调压后低压入户；楼栋调压箱前管道设计压力为0.4MPa，工作压力0.3MPa；楼栋调压箱后管道设计压力5KPa，工作压力为 2.5KPa，每户用气定额取1.6Nm3/h，其中双眼灶取0.6Nm3/h，热水器1.0Nm3/h。室内立管及用户表前阀前管段采用无缝钢管焊接连接，用户支管处弯头采用无缝钢管现场煨弯制作，表后管采用镀锌水煤气管螺纹连接。
2.2理论基础
2.2.1支状管网特点
支状管网由输气管段和节点组成。管段数与节点数的关系为：管段数=节点数－1，天然气在支状管网中从气源至各节点流向固定，任一管段的流量等于该管段沿气流方向以后所有节点流量之和，每一段管段流量值唯一，由该管段的用气设备所决定。
2.2.2计算步骤
（1）管段按顺序编号，凡是管径变化或流量变化处均应编号，并标上各计算管段的实际长度L1。
（2）求出各管段的额定流量，并按同时工作系数法，求得各管段的计算流量。
燃气管道的计算流量 Qh ：
（2.1） 式中 Qh ——燃气管道的计算流量（m3/h）；
k ——燃具同时工作系数；
N ——同种燃具或成组燃具的数目；
Qn——燃具的额定流量（m3/h）。
（3）根据计算流量设定各管段的管径（用户支管最小管径为DN15）。
（4）计算各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，可得管段的计算长度。
a. 求雷诺数Re：
； （2.2）
式中 ——燃气流动断面的平均流速（m/s）；
； （2.3）
——0℃和101.325Pa时燃气的运动粘度（m2/s）。
b. 求管道的摩阻系数λ：
层流状态：Re ≤ 2100
（2.4）
临界状态：Re = 2100~35005
（2.5）
紊流状态：Re﹥3500，钢管的λ由下式计算，即
（2.6）
式中 λ——燃气管道的摩阻系数；
——管壁内表面的当量绝对粗糙度（mm）；
钢管一般取=0.2mm；
d——管道内径（mm）；
Re——雷诺数；
——燃气流动断面的平均流速（m/s）。
c. 求管段的当量长度L2：
①求2 ：
（2.7）
② 求L2：
（2.8）
d. 求管段的计算长度L：
（2.9）
式中 d ——管道内径（m）；
λ ——管段的摩阻系数；
——局部阻力系数；
L1 ——管段长度（m）；
L2 ——管段当量长度（m）；
L ——管段计算长度（m）。
（5）求各管段的单位长度压力降数值，用各管段的单位长度压力降乘以管段的计算长度，得出该管段的阻力损失。
求管段的单位长度压力降△P/L：
① 层流状态：Re ≤ 2100
（2.10）
② 临界状态：Re = 2100~3500
（2.11）
③ 紊流状态：Re﹥3500
（2.12）
求管段的阻力损失△P：
（2.13）
式中 △P——燃气管道摩擦阻力损失（Pa）；
L ——燃气管段长度（m）；
Q ——燃气管道的计算流量（Nm3/h）；
d ——管道内径（mm）；
ρ ——天然气密度（kg/Nm3）；
——天然气运动粘度（m2/s）；
k ——钢管内表面当量绝对粗糙度（mm）；
T ——燃气绝对温度（K）；
T0 ——273K。
（6）计算各管段的附加压头，由于燃气与空气密度不同，当管道始末端存在标高差时，在燃气管道中将产生附加压头，其值由下式确定：
（2.14）
式中 △P——附加压头（Pa）；
g——重力加速度；
ρa ——空气密度（kg/Nm3）；
ρg——燃气密度（kg/Nm3）；
△H——管段终端和始端的标高差值（m）；
（7）燃气管道的总压力降，对于天然气计算压力降一般不超过800Pa。
（8）以总压力降与允许的计算压力降相比较，如不合适，则需改变个别管段的管径。
2.2.3实际工程水力计算表
以楼栋A为例进行水力计算，楼栋居民用户为170户，考虑到流量表与表前后管件的局部损失，在此将管段末端用户立管开支出考虑为节点1，计算节点编号及管段长度见附图楼栋A屋顶平面图及管道系统图、水力计算表。
2.2.4数据分析
从水力计算表中可看出，天面布管中上行主立管的附加压头增大很多，与距离调压箱低压出口最远、水力最不利那根立管的附加压头之和的绝对值相接近。我们也可以这样认为：主立管增加的附加压头是为了弥补下行立管附加压头的损失。但这种情况在非天面布管的燃气管道设计中，缺不用考虑。由此可见，燃气管道天面布置，在设计中尤其是在高层建筑物或构筑物上并不是优选的方案。
2.2.5管道变形
建筑物自身基础沉降，温差引起的热应力以及天然气立管自身重力都是造成管道形变甚至损坏的原因，当燃气管道的伸缩量导致管道系统失稳时，可采用自然补偿、波纹补偿器和Π型补偿，并设置相应的固定支撑和导向支撑。我们可以通过以下的计算式求得管道总伸缩量：
（2.15）
式中 —管道总伸缩量（mm）；
α—管材线膨胀系数[mm/(m·℃)]，无缝钢管取0.012；
—计算管段长度(m)；
Δt—管道设计最高温度与设计最低温度之差（℃）。
目前，三亚市普遍采用的方法是在立管前的水平管上加设一个波纹管补偿器，利用补偿器的补偿能力来减小引入管的切应力，对于室外立管，在每层均设固定支撑，所有水平管段上架设支架。
3防雷设置
考虑到室内管道燃气泄露造成的安全隐患，三亚市燃气管道的设计90%以上经埋地引至建筑物附近后，沿建筑物的外墙敷设直至屋顶，然后进入用户。依据《城镇燃气设计规范》GB50028—2006中10.8.5 要求，屋面燃气管道必须做防雷措施。
依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中3.2.4 燃气供气管道沿建筑物外墙铺设直至屋顶，其中沿外墙上的部分为防止雷电侧击的危害，应将室外燃气供气管道每12m 做一次防雷接地与建筑物的均压环连接。以便燃气供气管道对雷电流达到快速散流的目的。对屋面上铺设的燃气管道，根据《城镇燃气防雷技术规范》QXT109—2009中6.2.1要求为了避免雷电直接击在燃气供气管道，因此，燃气供气管道不应跨越建筑物女儿墙（由于燃气供气管道不在建筑物防雷设施的保护范围之内），应从建筑物女儿墙底部进入室内，同时在屋面的燃气管道沿线应采取屏蔽的金属网格化处理，尽可能减少直击雷和感应雷的危害。三亚市目前常用防雷设计为:雷保护范围内时，应每隔25m与建筑物避雷网连接；长度超过45m的立管应在顶端和底端与建筑物避雷网连接，连接采用?10镀锌圆钢焊接连接，搭接长度不小于60mm，焊接部位应采取与管道相同等级的防腐措施，管道任何部位的接地电阻不得大于10Ω。当燃气管道与其它金属管道平行敷设的净距小于100mm时，每30m之间应采用截面积为6mm的铜绞线将燃气管道与平行的管道进行跨接，当与其它金属管道交叉敷设的净距小于100mm时，交叉处也应进行跨接。
4结论
综合所述，由于支状输气管网流向和流量的唯一性，居民楼栋天面层布管从水力上看附加压头较大，并随着楼栋层高增多而增大，金属管道在天面层布管，对管道的防雷布置要求也更高，另一方面，管道安装工程的造价也会随着管材量的增多而增加。因此，对于高层建筑物或构筑物来讲，天面层布管不是上佳设计方案，于此同时，我们也可以发现，天面布管对于已修建好的低层或多层建筑还是存在优势的，因为将管道沿天面层布置，避免了与建筑物或构筑物地下不明位置的各种管线的重复与交叉，节省了对地下管道管位探管的时间，提高施工效率。具体情况具体分析，作为一名设计人员，我将在今后的工作，认真分析，不断总结，让设计方案朝着完美的方向前进！
参考文献
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[2] CJJ33—2005，城镇燃气输配工程施工及验收规范.
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[10] 张廷元．城镇燃气输配及应用工程施工图设计技术措施．北京：中国建筑工业出版社．2007．
附录A 水力计算
附录B 屋顶平面图及管道系统图