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【摘要】本文主要围绕着超高层建筑燃气管道的设计问题展开分析,探讨了影响了超高层建筑燃气管道设计的主要因素,分析了超高层建筑燃气管道的具体方法和流程,提出了超高层建筑燃气管道设计建设的安全措施。
【关键词】超高层建筑;燃气管道;设计;安全
中图分类号:TU208文献标识码: A
一、前言
我国《民用建筑设计通则》GB50352—2005规定:建筑高度超过100m时,不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。超高层建筑燃气管道设计工作比较复杂,由于超高层建筑设计存在一定的难度,具有一定的危险性,所以,必须要进一步的探讨超高层建筑燃气管道的设计和安全问题。
二、影响超高层建筑燃气设计的因素
1.超高层建筑因体积和自重等因素,会远远大于普通建筑,其地基下沉对燃气引入管的影响较大。超高层建筑由于建筑以及设计的复杂性和特殊性,自然用到的材料就要多一些,这样就导致了其体积和建筑重量的增加,使得地基承受的压力自然加大,甚至会引起地基下沉,可能会使燃气管线受到一定程度的影响,造成弯曲现象,甚至会发生泄漏,这对于城市建筑物的影响是非常大的。
2.由于超高层建筑的高度较高,可能会造成燃气比重与空气比重的差异所产生的附加压头不足,这样就会使燃气难以得到有效的供给,影响燃气具的使用,影响城市人们的生产生活,因此,必须要进行合理设计和规划,克服高度障碍,保障燃气能够有效供应,提高人们生活质量。
3.由于超高层建筑燃气立管的自重所引起的压缩应力,这会减少管道的供给能力。同时由于内外环境的变化也会使管道伸缩,影响供给能力。
4、燃气管道管材选用。经过对各个地区的燃气公司的调查,高层燃气管材宜采用无缝钢管,连接方式焊接连接。高层建筑非常重视防火,镀锌钢管接性能不佳,螺纹连接易腐蚀,不宜作为高层建筑燃气管道管材。仅当楼层在15层以下时,可考虑用镀锌钢管螺纹连接。根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第10.2.4条,“在屋面上的燃气管道和高层建筑沿外墙架设的燃气管道,在避雷范围以外时,采用焊接钢管或无缝钢管时其管道壁厚均不得小于4mm。”因此在设计人员设计时,首先确认燃气管道是否在避雷范围内。
三、超高层建筑燃氣管道设计
1、超高层建筑的附加压力
民用燃气管线系统多采用楼栋调压箱后低压入户,在计算低压燃气管道阻力时,对超高层建筑立管应考虑因高程差而引起的燃气附加压力燃气的附加压力按下式计算:
△H=9.8×(Pk-Pm)×h
式中:△H——燃气的附加压力(Pa);
Pk;Pm——分别为空气燃气密度(kg/m3);
H——燃气管道起点至终点高程差(m)。
通过上式取Pk;Pm分别为1.205和0.7134可计算出H=4.818h,即高度上升一米,管道附加压力增加4.818Pa。我国一般民用燃灶具额定压力Pn为2000Pa,按GB50028-2006《城镇燃气设计规范》要求,燃气设备前的燃气压力应在0.75-1.5Pn范围内,即1500Pa-3000Pa范围内波动,仍能达到灶具燃烧的要求若超出此范围,则会出现燃烧不稳定,出现脱火、回火或不完全燃料产生CO气体,导致发生安全事故。按广东地区一般调压箱后压力为2200-2500Pa,取最不利因素,沿途管线无用气单位,管阻接近于0,压力表取100Pa计算,则最高用气点高程差在124米范围内灶具前压力仍小于3000Pa,故在超高层建筑(高>100米)中,不计燃气附加压力作用仍能满足供气要求,但为减少用户灶前压力波动范围,平稳供气,仍需采用分层变径,增加管道阻力来减少附加压力的影响。
2、超高层建筑地基沉降的影响
对于高层住宅的燃气引入管除了按《城镇燃气设计规范》进行设计外,还应该结合当地地质情况重点考虑超高层建筑沉降所引起的燃气引入管补偿问题,以防止燃气引人管由于建筑物的沉降而被挤压变形、断裂从而产生安全事故燃气引入管一般和建筑物成垂直布置并穿越建筑物的墙体,受力情况主要是由于建筑物沉降对管道所产生的横向剪切力。对于普通的民用建筑(10层以下、沉降量在50mm以下),一般采用大直径套管来抵消建筑物沉降对燃气引入管所产生的影响。而随着建筑物高度的增加,显然,一味地用增大套管直径的方法来消除建筑物沉降对燃气引入管的影响是不现实的。
3、超高层建筑燃气立管的温差影响
超高层建筑立管的自重和热胀冷缩产生有推力,在管道的固定支架和活动支架管道补偿等设计上是必须考虑的,否则燃气管道可能出现变形或拆断等安全问题。同时因为超高层建筑的燃气立管长,其伸缩量绝对值受温差影响也较大。管道的伸缩量按下式计算:
△L=103×aL(t2-t1)
式中:△L——为管道伸缩量(mm);
a——为管材结膨胀系数;
L——为管道长度(M);
(t2-t1)——为安装时与最冷或最热时温差。
四、超高层建筑的沉降安全问题的措施
超高层建筑一般整体较大,建筑基础所承受的静动载荷十分大,由此超高层建筑在某个层面上而言容易导致整体的沉降,超高层建筑的竣工后三年,建筑的沉降速度较大,大约可达到5~10cm。超高层建筑的沉降将导致燃气管道遭到破坏,最主要的由于建筑物内的燃气管道随着建筑物整体沉降,然而建筑物外部埋地或者架空管道则静止不动,由此在管道的引入处产生了阻止建筑物下沉的力。随着建筑物沉降的增加,燃气引入管受到的抗力增加,沉降达到一定的数值后,燃气管道将产生形变和断裂,最终导致燃气泄露,导致燃气供应中的事故。
超高层建筑沉降所带来的对燃气管道的不良影响,在超高层建筑的燃气管道设计中应综合考虑,并根据超高层建筑状况调整燃气管道工艺设计,从而实现更为优化的设计。也可在燃气引入管位置安装伸缩补偿管或者金属软管抵消超高层建筑沉降所带来的不良影响,由此超高层建筑的沉降过程中由于伸缩补偿管吸收相应的抗力,有效防止了燃气管道的断裂等破坏。同时对金属软管的引入,利用波纹管随着外力变化而挠变的特点,减少了燃气引入管位置所遭受的应力,由此实现了超高层建筑沉降力度的补偿,由此保护了燃气管道。金属波纹管补偿量较大、耐腐蚀、抗震、抗疲劳,具有良好的密封性、耐温性,同时使用时间较长等特点,由此在各行各业中实现了广泛的应用。
五、超高层建筑燃气管道设计的消防安全措施
1、防雷、防静电及防腐
超高层建筑燃气管道防雷设计必须针对直接雷击、雷电感应和雷电波侵入采取防护措施。设计中一般要求楼顶(包括转换层)燃气管道及阀门箱应与楼顶避雷带连接,其中楼顶管道与避雷带连接不得小于两处。避雷连接须采用不小于DN8mm的圆钢双面焊接,焊接长度大于圆钢直径的六倍以上,凡焊接处均须防腐。防雷接地装置的冲击接地电阻应小于10Ω燃气管道静电接地电阻应小于100Ω,管道及设备法兰连接一般采用铜片跨接,螺纹连接采用不小于DN8mm的圆钢作跨接,其间电阻值不应小于0.03Ω。
目前室外中压无缝钢管一般采用如下防腐程序:先进行彻底除锈,要求管表面呈金属光泽。先刷一道P207防腐底漆,再刷一道P205防腐底漆,再刷两道银粉漆,并刷黄色标志以示区别(5~8m)。室外低压镀锌钢管刷两遍银粉漆;室内低压镀锌钢管刷一遍银粉,低压也可以按具体情况选用无缝管。
2、燃气设计中安全设施的配备
燃气是一种易燃易爆的气体,燃气管道一旦发生泄漏、出现事故,尤其是超高层建筑人员密集,其伤亡和损失都很大,社会影响很深。因此在高层燃气设计中,对安全防火问题国家有着明确严格的规定。故在设计中应严格执行《城镇燃气设计规范》GB50028-2006和《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2008)的有关规定。采取安全措施如下:在引入管室外设置燃气快速切断阀门。在室内管道上设置快速切断阀门及自动切断阀;在各用气点及管道经过的房间设置燃气泄漏安全报警装置,且自动报警系统与自动切断系统联动,并集中监控。其工作原理为:当空气中可燃气体达到一定浓度时,探测器即发出与可燃性气体在空气中浓度成比例的电信号,该电信号传送给报警控制器,报警控制器即显示该可燃气体浓度,当被测可燃气体浓度达到或超过设定的报警浓度时,报警控制器即发出报警并启动有关开关控制信号,提示监控人员采取安全措施或启动自动控制装置,切断气源,从而起到保障安全作用,避免重大火灾爆炸事故的发生。
六、结束语
总而言之,我国超高层建筑燃气管道设计工作一定要考虑到超高层建筑的特殊性,针对超高层建筑的特点展开分析,由此提高超高层建筑燃气管道的设计效果和安全性能。
【参考文献】
[1]严铭卿等.燃气工程设计手册[M].中国建筑工业出版社,2009.
[2]段常贵.输配燃气[M].中国建筑工业出版社,2011.
[3]韦武亮.超高层建筑管道燃气设计中管道的安全设计[J].中华民居,2012(3).
【关键词】超高层建筑;燃气管道;设计;安全
中图分类号:TU208文献标识码: A
一、前言
我国《民用建筑设计通则》GB50352—2005规定:建筑高度超过100m时,不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。超高层建筑燃气管道设计工作比较复杂,由于超高层建筑设计存在一定的难度,具有一定的危险性,所以,必须要进一步的探讨超高层建筑燃气管道的设计和安全问题。
二、影响超高层建筑燃气设计的因素
1.超高层建筑因体积和自重等因素,会远远大于普通建筑,其地基下沉对燃气引入管的影响较大。超高层建筑由于建筑以及设计的复杂性和特殊性,自然用到的材料就要多一些,这样就导致了其体积和建筑重量的增加,使得地基承受的压力自然加大,甚至会引起地基下沉,可能会使燃气管线受到一定程度的影响,造成弯曲现象,甚至会发生泄漏,这对于城市建筑物的影响是非常大的。
2.由于超高层建筑的高度较高,可能会造成燃气比重与空气比重的差异所产生的附加压头不足,这样就会使燃气难以得到有效的供给,影响燃气具的使用,影响城市人们的生产生活,因此,必须要进行合理设计和规划,克服高度障碍,保障燃气能够有效供应,提高人们生活质量。
3.由于超高层建筑燃气立管的自重所引起的压缩应力,这会减少管道的供给能力。同时由于内外环境的变化也会使管道伸缩,影响供给能力。
4、燃气管道管材选用。经过对各个地区的燃气公司的调查,高层燃气管材宜采用无缝钢管,连接方式焊接连接。高层建筑非常重视防火,镀锌钢管接性能不佳,螺纹连接易腐蚀,不宜作为高层建筑燃气管道管材。仅当楼层在15层以下时,可考虑用镀锌钢管螺纹连接。根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第10.2.4条,“在屋面上的燃气管道和高层建筑沿外墙架设的燃气管道,在避雷范围以外时,采用焊接钢管或无缝钢管时其管道壁厚均不得小于4mm。”因此在设计人员设计时,首先确认燃气管道是否在避雷范围内。
三、超高层建筑燃氣管道设计
1、超高层建筑的附加压力
民用燃气管线系统多采用楼栋调压箱后低压入户,在计算低压燃气管道阻力时,对超高层建筑立管应考虑因高程差而引起的燃气附加压力燃气的附加压力按下式计算:
△H=9.8×(Pk-Pm)×h
式中:△H——燃气的附加压力(Pa);
Pk;Pm——分别为空气燃气密度(kg/m3);
H——燃气管道起点至终点高程差(m)。
通过上式取Pk;Pm分别为1.205和0.7134可计算出H=4.818h,即高度上升一米,管道附加压力增加4.818Pa。我国一般民用燃灶具额定压力Pn为2000Pa,按GB50028-2006《城镇燃气设计规范》要求,燃气设备前的燃气压力应在0.75-1.5Pn范围内,即1500Pa-3000Pa范围内波动,仍能达到灶具燃烧的要求若超出此范围,则会出现燃烧不稳定,出现脱火、回火或不完全燃料产生CO气体,导致发生安全事故。按广东地区一般调压箱后压力为2200-2500Pa,取最不利因素,沿途管线无用气单位,管阻接近于0,压力表取100Pa计算,则最高用气点高程差在124米范围内灶具前压力仍小于3000Pa,故在超高层建筑(高>100米)中,不计燃气附加压力作用仍能满足供气要求,但为减少用户灶前压力波动范围,平稳供气,仍需采用分层变径,增加管道阻力来减少附加压力的影响。
2、超高层建筑地基沉降的影响
对于高层住宅的燃气引入管除了按《城镇燃气设计规范》进行设计外,还应该结合当地地质情况重点考虑超高层建筑沉降所引起的燃气引入管补偿问题,以防止燃气引人管由于建筑物的沉降而被挤压变形、断裂从而产生安全事故燃气引入管一般和建筑物成垂直布置并穿越建筑物的墙体,受力情况主要是由于建筑物沉降对管道所产生的横向剪切力。对于普通的民用建筑(10层以下、沉降量在50mm以下),一般采用大直径套管来抵消建筑物沉降对燃气引入管所产生的影响。而随着建筑物高度的增加,显然,一味地用增大套管直径的方法来消除建筑物沉降对燃气引入管的影响是不现实的。
3、超高层建筑燃气立管的温差影响
超高层建筑立管的自重和热胀冷缩产生有推力,在管道的固定支架和活动支架管道补偿等设计上是必须考虑的,否则燃气管道可能出现变形或拆断等安全问题。同时因为超高层建筑的燃气立管长,其伸缩量绝对值受温差影响也较大。管道的伸缩量按下式计算:
△L=103×aL(t2-t1)
式中:△L——为管道伸缩量(mm);
a——为管材结膨胀系数;
L——为管道长度(M);
(t2-t1)——为安装时与最冷或最热时温差。
四、超高层建筑的沉降安全问题的措施
超高层建筑一般整体较大,建筑基础所承受的静动载荷十分大,由此超高层建筑在某个层面上而言容易导致整体的沉降,超高层建筑的竣工后三年,建筑的沉降速度较大,大约可达到5~10cm。超高层建筑的沉降将导致燃气管道遭到破坏,最主要的由于建筑物内的燃气管道随着建筑物整体沉降,然而建筑物外部埋地或者架空管道则静止不动,由此在管道的引入处产生了阻止建筑物下沉的力。随着建筑物沉降的增加,燃气引入管受到的抗力增加,沉降达到一定的数值后,燃气管道将产生形变和断裂,最终导致燃气泄露,导致燃气供应中的事故。
超高层建筑沉降所带来的对燃气管道的不良影响,在超高层建筑的燃气管道设计中应综合考虑,并根据超高层建筑状况调整燃气管道工艺设计,从而实现更为优化的设计。也可在燃气引入管位置安装伸缩补偿管或者金属软管抵消超高层建筑沉降所带来的不良影响,由此超高层建筑的沉降过程中由于伸缩补偿管吸收相应的抗力,有效防止了燃气管道的断裂等破坏。同时对金属软管的引入,利用波纹管随着外力变化而挠变的特点,减少了燃气引入管位置所遭受的应力,由此实现了超高层建筑沉降力度的补偿,由此保护了燃气管道。金属波纹管补偿量较大、耐腐蚀、抗震、抗疲劳,具有良好的密封性、耐温性,同时使用时间较长等特点,由此在各行各业中实现了广泛的应用。
五、超高层建筑燃气管道设计的消防安全措施
1、防雷、防静电及防腐
超高层建筑燃气管道防雷设计必须针对直接雷击、雷电感应和雷电波侵入采取防护措施。设计中一般要求楼顶(包括转换层)燃气管道及阀门箱应与楼顶避雷带连接,其中楼顶管道与避雷带连接不得小于两处。避雷连接须采用不小于DN8mm的圆钢双面焊接,焊接长度大于圆钢直径的六倍以上,凡焊接处均须防腐。防雷接地装置的冲击接地电阻应小于10Ω燃气管道静电接地电阻应小于100Ω,管道及设备法兰连接一般采用铜片跨接,螺纹连接采用不小于DN8mm的圆钢作跨接,其间电阻值不应小于0.03Ω。
目前室外中压无缝钢管一般采用如下防腐程序:先进行彻底除锈,要求管表面呈金属光泽。先刷一道P207防腐底漆,再刷一道P205防腐底漆,再刷两道银粉漆,并刷黄色标志以示区别(5~8m)。室外低压镀锌钢管刷两遍银粉漆;室内低压镀锌钢管刷一遍银粉,低压也可以按具体情况选用无缝管。
2、燃气设计中安全设施的配备
燃气是一种易燃易爆的气体,燃气管道一旦发生泄漏、出现事故,尤其是超高层建筑人员密集,其伤亡和损失都很大,社会影响很深。因此在高层燃气设计中,对安全防火问题国家有着明确严格的规定。故在设计中应严格执行《城镇燃气设计规范》GB50028-2006和《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2008)的有关规定。采取安全措施如下:在引入管室外设置燃气快速切断阀门。在室内管道上设置快速切断阀门及自动切断阀;在各用气点及管道经过的房间设置燃气泄漏安全报警装置,且自动报警系统与自动切断系统联动,并集中监控。其工作原理为:当空气中可燃气体达到一定浓度时,探测器即发出与可燃性气体在空气中浓度成比例的电信号,该电信号传送给报警控制器,报警控制器即显示该可燃气体浓度,当被测可燃气体浓度达到或超过设定的报警浓度时,报警控制器即发出报警并启动有关开关控制信号,提示监控人员采取安全措施或启动自动控制装置,切断气源,从而起到保障安全作用,避免重大火灾爆炸事故的发生。
六、结束语
总而言之,我国超高层建筑燃气管道设计工作一定要考虑到超高层建筑的特殊性,针对超高层建筑的特点展开分析,由此提高超高层建筑燃气管道的设计效果和安全性能。
【参考文献】
[1]严铭卿等.燃气工程设计手册[M].中国建筑工业出版社,2009.
[2]段常贵.输配燃气[M].中国建筑工业出版社,2011.
[3]韦武亮.超高层建筑管道燃气设计中管道的安全设计[J].中华民居,2012(3).