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【摘要】探讨了高层建筑室内燃气管道设计中附加压力、高层建筑沉降、立管热补偿、安全措施等问题。
【关键词】高层建筑;室内燃气管道设计;附加压力;沉降;热补偿;安全措施
0.引言
城阳区是进出青岛市区的北大门，并是青岛通向国内外的必经之路和连接欧亚大陆桥的重要交通枢纽。有及其便利的海、陆、空立体交通网络，得天独厚的区位优势，使扼守青岛北大门的城阳区掌握了青岛的交通命脉，成为青岛市区工业扩散和城市扩展的首选地区。
青岛市作为北京2008年奥运会的分赛场，承担奥运会的帆船比赛项目，这也加快了城阳区的城市建设速度，近年来城阳区兴建了许多高层建筑。按照《高层民用建筑设计防火规范》GB50045－95（2005年版）中的规定，高层建筑是指十层及十层以上的居住建筑和建筑高度超过24米公共建筑。城阳区的高层建筑既有功能单一的居民住宅楼，又有集商贸、办公、居住等功能于一体的综合性建筑。
高层建筑的火灾危险性高，消防要求高，燃气作为一种易燃、易爆的气体，一旦泄漏，易发生爆炸或爆燃，会给居民的生命财产造成不可估量的损失，也会给燃气公司的经营带来无可挽回的损失。因此燃气管道的设计应考虑诸多方面的问题，如附加压力、建筑物的沉降、燃气立管的热伸缩量、用气安全等。
1.高层建筑的附加压力
城阳区使用的是管道燃气是天然气，下面仅对天然气进行论述。
1.1 附加压力的计算
《城镇燃气设计规范》GB50028－93（2002年版）规定，天然气灶具的额定压力Pn为2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻力的影响，允许灶具前压力在一定范围内波动。当灶具前压力在0．75Pn～1．5Pn内波动时，仍能达到灶具燃烧的要求。当燃气的压力大于1．5Pn时，燃具的燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现离焰和脱火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，引发各种事故。
1.2 附加压力影响的消除
1.2.1通过水力计算，增加管道的阻力，如缩小立管管径和采用分段阀门来减小附加压力的影响。此种方法仅适用于较低的高层建筑。因为当高层很高时，高层建筑顶层有少数用户用气时，由于燃气流量小，燃气立管的阻力减少，而附加压力不变，所以灶具前的压力将明显增加。
1.2.2可在用户表前设置低－低压调压器，将低－低压调压器的出口压力调整到灶具所需要的压力。此时不论压力如何波动，每个用户灶具前的压力都不会受到影响。但此种方法投资较大，居民用户和燃气公司都不愿承担此项费用。再加上调压器需定期维修，对燃气公司来说是一个很大的负担。因此的我国大部分城市的燃气用户未采用此种作法。
1.2.3在燃气立管上设置低－低压调压器。根据水力计算，当燃气立管在某一高度的压力达到1.5Pn时，在此高度的立管上设置低－低压调压器，将低－低压调压器的出口压力调整到灶具的额定用气压力Pn。此种方法投资不大，检修方便，容易实施。
2.高层建筑沉降的影响
无论高层建筑的地基如何处理，高层建筑均有一定程度的沉降，特别是在竣工后的5年内沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。高层建筑自重大，所以沉降量也比较大，会导致引入管的切向应力大。而建筑基础处回填土的沉降也会导致引入管局部悬空，易引发事故。应在引入管上设置补偿器，减少燃气引入管处承受的应力，达到补偿沉降的目的。
3.燃气立管的应力计算与补偿器的选择
3.1 应力计算
高层建筑立管长，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，造成管道扭曲、断裂，引发事故。
3.1.1管道自重产生的压缩应力
σ=gql/f(b)
式中：σ——压缩应力，MPa；
g－重力加速度，m/s2
q－燃气立管单位长度重量，kg/m
l－燃气管道长度，m；
f——燃气立管截面积，mm2。
例如对100m的居住高层，立管用D57×3．5无缝钢管，立管截面积f为588.3mm2，单位长度管重q为4.59kg／m，则由式（b）得，σ=9.81×4.59×100÷588.3＝7．65MPa。
一般无缝钢管许用应力[σ]为127MPa，因此对于100m的高层，其立管自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。故压缩应力对管材的破坏性可不予以考虑。
3.1.2管道因温差产生的伸缩量
ΔL=103×αL(t2-t1) (c)
式中：ΔL—管道的伸缩量，mm；
α—管材的线膨胀系数，（对普通钢管，取1．2×10-5m/℃.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，℃。
3.1.3管道的热应力
如果管道的伸缩完全受到约束，则：
σt＝EΔL/L＝αΔtE (d)
式中：σt—热应力，MPa；
Δt—设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，℃；
E—管材的弹性模量，MPa，普通钢取2．1×105MPa。
3.2 补偿器的选择
在燃气管道设计中常用Π形补偿器和波纹管补偿器。下面以100m的居住高层为例进行讨论，立管采用D57×3．5钢管。
3.2.1 Π形补偿器的计算公式
L2=（1.5ΔLED）/（σbw（1+6K））（e）
K=L1/L
式中：L—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=24mm)，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；
E－管材的弹性模数，Mpa,普通钢取2．1×105MPa。
当设计温差取20℃时，经计算，L=906mm。可选择一个补偿器伸出长度为906mm的Π形补偿器。
3.2.2波纹管补偿器的计算公式
n=ΔL／Lcom (f)
式中：n—波节数；
Lcom—一个波节的补偿能力，mm，一般取20mm。
当设计温差取20℃时，100m的高层建筑需在15层处设1个双波节的补偿器，即可消除立管伸缩的影响。若更大限度地消除热应力，需适当增加补偿器的数量。
4.高层建筑燃气管道的安全措施
为了加强高层建筑室内的用气安全，还需采取下列安全措施：
4.1与灶具连接的软管应采用燃气用不锈钢金属软管
燃气用耐油橡胶软管按规定应3年更换一次，若超过3年易老化、脱落，酿成安全事故。所以应提倡用不锈钢金属软管代替橡胶软管。
4.2居民用户应选用带自动熄火保护装置的燃气灶具
熄火保护装置是当燃气灶遇到意外熄火时自动关闭燃气阀的一种安全保护装置，如遇风将火吹灭或煮稀饭溢出将火浇灭等情况，熄火保护装置就会关闭燃气阀，防止大量燃气泄漏到室内造成爆炸或火灾事故。
4.3在室内安装天然气泄漏报警器，要求报警器与紧急切断阀联动
当天然气泄漏浓度达到爆炸下限的10％时，报警器发出报警信号,报警器应符合《家用燃气泄漏报警器》（CJ3057-1996）的规定。室内每户在表前天然气支管上安装紧急切断阀，当天然气泄漏浓度达到爆炸下限的20％时，阀门线圈瞬时通电，触发阀门快速关闭，并进入自锁状态。紧急切断阀为自动关闭、现场人工开启型。
5.结语
高层建筑的燃气管道设计应综合考虑，不仅应满足《城镇燃气设计规范》及其它燃气规范，还应符合《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》等相关规范，并结合当地具体情况，只有这样才能做出合理的方案，使用户能够用上安全、方便的管道燃气。■
【参考文献】
［１］段常贵，王民生．燃气输配（第三版）．
［２］刘松林.高层建筑燃气系统设计指南．
【关键词】高层建筑;室内燃气管道设计;附加压力;沉降;热补偿;安全措施
0.引言
城阳区是进出青岛市区的北大门，并是青岛通向国内外的必经之路和连接欧亚大陆桥的重要交通枢纽。有及其便利的海、陆、空立体交通网络，得天独厚的区位优势，使扼守青岛北大门的城阳区掌握了青岛的交通命脉，成为青岛市区工业扩散和城市扩展的首选地区。
青岛市作为北京2008年奥运会的分赛场，承担奥运会的帆船比赛项目，这也加快了城阳区的城市建设速度，近年来城阳区兴建了许多高层建筑。按照《高层民用建筑设计防火规范》GB50045－95（2005年版）中的规定，高层建筑是指十层及十层以上的居住建筑和建筑高度超过24米公共建筑。城阳区的高层建筑既有功能单一的居民住宅楼，又有集商贸、办公、居住等功能于一体的综合性建筑。
高层建筑的火灾危险性高，消防要求高，燃气作为一种易燃、易爆的气体，一旦泄漏，易发生爆炸或爆燃，会给居民的生命财产造成不可估量的损失，也会给燃气公司的经营带来无可挽回的损失。因此燃气管道的设计应考虑诸多方面的问题，如附加压力、建筑物的沉降、燃气立管的热伸缩量、用气安全等。
1.高层建筑的附加压力
城阳区使用的是管道燃气是天然气，下面仅对天然气进行论述。
1.1 附加压力的计算
《城镇燃气设计规范》GB50028－93（2002年版）规定，天然气灶具的额定压力Pn为2000Pa。由于低压管网沿程阻力和局部阻力的影响，允许灶具前压力在一定范围内波动。当灶具前压力在0．75Pn～1．5Pn内波动时，仍能达到灶具燃烧的要求。当燃气的压力大于1．5Pn时，燃具的燃烧不稳定，燃烧噪声大，出现离焰和脱火等现象。另外由于不完全燃烧，烟气中的CO含量超标，引发各种事故。
1.2 附加压力影响的消除
1.2.1通过水力计算，增加管道的阻力，如缩小立管管径和采用分段阀门来减小附加压力的影响。此种方法仅适用于较低的高层建筑。因为当高层很高时，高层建筑顶层有少数用户用气时，由于燃气流量小，燃气立管的阻力减少，而附加压力不变，所以灶具前的压力将明显增加。
1.2.2可在用户表前设置低－低压调压器，将低－低压调压器的出口压力调整到灶具所需要的压力。此时不论压力如何波动，每个用户灶具前的压力都不会受到影响。但此种方法投资较大，居民用户和燃气公司都不愿承担此项费用。再加上调压器需定期维修，对燃气公司来说是一个很大的负担。因此的我国大部分城市的燃气用户未采用此种作法。
1.2.3在燃气立管上设置低－低压调压器。根据水力计算，当燃气立管在某一高度的压力达到1.5Pn时，在此高度的立管上设置低－低压调压器，将低－低压调压器的出口压力调整到灶具的额定用气压力Pn。此种方法投资不大，检修方便，容易实施。
2.高层建筑沉降的影响
无论高层建筑的地基如何处理，高层建筑均有一定程度的沉降，特别是在竣工后的5年内沉降速度最大，以后沉降速度逐渐降低。高层建筑自重大，所以沉降量也比较大，会导致引入管的切向应力大。而建筑基础处回填土的沉降也会导致引入管局部悬空，易引发事故。应在引入管上设置补偿器，减少燃气引入管处承受的应力，达到补偿沉降的目的。
3.燃气立管的应力计算与补偿器的选择
3.1 应力计算
高层建筑立管长，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，造成管道扭曲、断裂，引发事故。
3.1.1管道自重产生的压缩应力
σ=gql/f(b)
式中：σ——压缩应力，MPa；
g－重力加速度，m/s2
q－燃气立管单位长度重量，kg/m
l－燃气管道长度，m；
f——燃气立管截面积，mm2。
例如对100m的居住高层，立管用D57×3．5无缝钢管，立管截面积f为588.3mm2，单位长度管重q为4.59kg／m，则由式（b）得，σ=9.81×4.59×100÷588.3＝7．65MPa。
一般无缝钢管许用应力[σ]为127MPa，因此对于100m的高层，其立管自重产生的压缩应力很小，通常不致发生破坏。故压缩应力对管材的破坏性可不予以考虑。
3.1.2管道因温差产生的伸缩量
ΔL=103×αL(t2-t1) (c)
式中：ΔL—管道的伸缩量，mm；
α—管材的线膨胀系数，（对普通钢管，取1．2×10-5m/℃.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，℃。
3.1.3管道的热应力
如果管道的伸缩完全受到约束，则：
σt＝EΔL/L＝αΔtE (d)
式中：σt—热应力，MPa；
Δt—设计温差，即管道在计算状态下的温度与安装温度的差，℃；
E—管材的弹性模量，MPa，普通钢取2．1×105MPa。
3.2 补偿器的选择
在燃气管道设计中常用Π形补偿器和波纹管补偿器。下面以100m的居住高层为例进行讨论，立管采用D57×3．5钢管。
3.2.1 Π形补偿器的计算公式
L2=（1.5ΔLED）/（σbw（1+6K））（e）
K=L1/L
式中：L—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=24mm)，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；
E－管材的弹性模数，Mpa,普通钢取2．1×105MPa。
当设计温差取20℃时，经计算，L=906mm。可选择一个补偿器伸出长度为906mm的Π形补偿器。
3.2.2波纹管补偿器的计算公式
n=ΔL／Lcom (f)
式中：n—波节数；
Lcom—一个波节的补偿能力，mm，一般取20mm。
当设计温差取20℃时，100m的高层建筑需在15层处设1个双波节的补偿器，即可消除立管伸缩的影响。若更大限度地消除热应力，需适当增加补偿器的数量。
4.高层建筑燃气管道的安全措施
为了加强高层建筑室内的用气安全，还需采取下列安全措施：
4.1与灶具连接的软管应采用燃气用不锈钢金属软管
燃气用耐油橡胶软管按规定应3年更换一次，若超过3年易老化、脱落，酿成安全事故。所以应提倡用不锈钢金属软管代替橡胶软管。
4.2居民用户应选用带自动熄火保护装置的燃气灶具
熄火保护装置是当燃气灶遇到意外熄火时自动关闭燃气阀的一种安全保护装置，如遇风将火吹灭或煮稀饭溢出将火浇灭等情况，熄火保护装置就会关闭燃气阀，防止大量燃气泄漏到室内造成爆炸或火灾事故。
4.3在室内安装天然气泄漏报警器，要求报警器与紧急切断阀联动
当天然气泄漏浓度达到爆炸下限的10％时，报警器发出报警信号,报警器应符合《家用燃气泄漏报警器》（CJ3057-1996）的规定。室内每户在表前天然气支管上安装紧急切断阀，当天然气泄漏浓度达到爆炸下限的20％时，阀门线圈瞬时通电，触发阀门快速关闭，并进入自锁状态。紧急切断阀为自动关闭、现场人工开启型。
5.结语
高层建筑的燃气管道设计应综合考虑，不仅应满足《城镇燃气设计规范》及其它燃气规范，还应符合《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》等相关规范，并结合当地具体情况，只有这样才能做出合理的方案，使用户能够用上安全、方便的管道燃气。■
【参考文献】
［１］段常贵，王民生．燃气输配（第三版）．
［２］刘松林.高层建筑燃气系统设计指南．