超高层建筑空调水管承压设计

左　涛，　沃立成，　万嘉凤，　马伟骏

（上海超高层建筑设计工程技术研究中心，华东建筑设计研究总院，上海200001）



超高层建筑空调水管承压设计

左涛，沃立成，万嘉凤，马伟骏

（上海超高层建筑设计工程技术研究中心，华东建筑设计研究总院，上海200001）

摘要：为适应超高层建筑的高度不断攀升的趋势，空调冷水管道的承压提高到3.0MPa。本文介绍对工作压力3.0MPa冷水管进行的强度计算、自然补偿的校核和固定支架的受力验算等。

关键词：冷水管工作压力； 管道强度； 自然补偿； 固定支架

0　引言

随着技术进步和经济发展，超高层建筑不断涌现，作为现代城市中的地标，超高层建筑正不断地改变着城市的经济结构与景观。在满足建筑使用功能要求的前提下，建筑师越来越重视超高层建筑个性化的体现，对暖通空调设计师提出了新的挑战。为提升冷水机组的能效和减小空调水系统的输送能耗，对高度600m的超高层建筑，空调冷水系统宜设计两次断压换热，突破冷冻水压力的既有限制成为当务之急。

传统上空调冷水最高设计工作压力限制在2.5MPa以下，对高度约600m的超高层建筑，为减少断压换热在确保系统安全的前提下可提高至3.0MPa（空调末端仍应采取合理的技术措施将其工作压力控制在不超过1.6MPa），如天津117项目，其中区冷水管水压即超过2.5MPa，如图1所示。

空调冷水管压力提高到3.0MPa后，在设计上必须采取必要的技术措施，应关注1）管道内压提高后，直管、弯管、三通等管道零件和部件的强度计算；2）管道在受到提高的内压和持续外载产生的应力的校核计算，间接确定管道支架的间距；3）因超高层项目的体量加大，往塔楼的冷冻水干管管径往往达到800mm及以上的直径，干管直径加大后，管道柔性下降，必须找到合适的计算公式以进行自然补偿校核；4）塔楼的冷冻水立管因大直径、承压高的特性，在采用自然补偿后，其最下面的固定支架受到的推力远大于常规，必须进行固定支架的受力验算。

本文主要讨论空调水系统工作压力3.0MPa的冷水管的相关技术细节。因工作压力3.0MPa的冷水管的各项验算突破既有暖通空调规范的使用范围，必须考虑采用其它行业的相关规范来作为指导，通过搜集资料和比较，最后决定主要参考以下标准规范：《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T 5054-1996）、美国国家标准压力管道规范（ASMEB31.1《动力管道》、ASME B31.3《工艺管道》）、《工业金属管道设计规范》（GB 50316-2000），并参考相关设计书籍和设计手册：《压力管道技术》（岳进才编著）[1]、《动力管道手册》[2]以及其它石油化工、火力发电行业的相关内部规范和技术资料等。

本文探讨的工作压力3.0MPa冷水管均以采用无缝钢管，钢管材料为20号低碳钢，钢材在20℃时的许用压力为131MPa作为计算和讨论的前置条件，适用钢管标准号为《输送流体用无缝钢管》（GB/T 8163-2008）及《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》（GB/T 17395-2008）。直径超过600mm的大直径管道要求采用热扩无缝钢管。

1　管道零件和部件的强度计算

1.1直管壁厚计算

按直管外径确定时：

式中 sm—直管的最小壁厚，mm；Do—管子外径，取用公称

外径，mm；

Y—温度对计算管子壁厚

公式的修正系数；

η—许用应力的修正系数，

对于无缝钢管η=1.0；

α—考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，mm；

p—设计压力，MPa；

[σ]t—钢材在设计温度下的许用应力，MPa。直管的计算壁厚按下式计算：

式中 sc—直管的计算壁厚，mm；

c—直管壁厚负偏差的附加值，mm。

直管壁厚负偏差的附加值按下式计算：

式中A按下表1选取：

表1　直管壁厚负偏差系数

按（式1）、（式2）、（式3）可得下表2。

表2　直管计算壁厚

另按《工业金属管道设计规范》附录D钢管及钢制管件厚度的规定中表D.0.2外螺纹的钢管及钢管件的最小厚度，见表3。

表3　外螺纹的钢管及钢管件（碳钢）的最小厚度

综合表2、表3，工作压力3.0MPa冷水管的取用壁厚按下表4。

1.2弯管（弯头）壁厚计算

弯管弯头在流体作用下，产生的环向应力沿弯管截面分布很不均匀。实践证明，产生的最大环向应力在弯头的内凹点，这个应力比直管产生的环向应力大。如果未经校核计算，盲目采用壁厚与直管壁厚相同的弯管，会给管道系统带来潜在风险。

按《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的规定，“弯管（成品）任何一点的实测最小壁厚，不得小于弯管相应点的计算壁厚，且外侧壁厚不得小于相连直管允许的最小壁厚sm”。工作压力3.0MPa冷水管建议采用无缝热压弯头。

弯管（弯头）外弧最小壁厚som按下式计算：

弯管（弯头）内弧最小壁厚sim按下式计算：

式中 R—弯管（弯头）弯曲半径，mm。

按式（4）和式（5），分别对弯曲半径是外径1.5倍和4倍的弯管（弯头）进行计算，得出内外弧最小壁厚sm，见表5和表6。

1.3三通壁厚计算

钢管三通可采用焊接三通，也可采用成品三通，如挤压三通（高压流体挤压管坯产生塑性变形所得）、锻制三通（锻制坯件切削所得）等，焊接三通用得虽多，但由于高应力区正处于焊缝位置上，为满足强度要求，需用大量焊条堆积起足够的承载面积，对焊缝难以实施有效的无损探伤，容易留下事故隐患。锻制三通加工余量大、成本高。挤压三通由于主支管交接处不存在焊缝，便于进行无损探伤，保证其可靠性大大优于其它种类的三通，并且工艺可靠性好，成本低。为控制工作压力3.0MPa的冷水管的施工质量，建议采用成品的挤压三通，挤压三通的强度验算可采用压力面积法。

表4　工作压力3.0MPa冷水管的取用壁厚

表5　弯曲半径是外径1.5倍的弯管（弯头）外弧最小壁厚som和内弧最小壁厚sim

表6　弯曲半径是外径4倍的弯管（弯头）外弧最小壁厚som和内弧最小壁厚sim

图2为圆弧过渡结构的三通纵断面图，图3为直角结构的三通纵断面图。

按《火力发电厂汽水管道设计技术规定》有以下公式。

对三通主管

对三通支管：

式中 se—主管有效壁厚，se=s-c；

se1—支管有效壁厚，se1=s1-c。

计算时应先按三通尺寸画出如图2或图3的三通纵断面图，然后求出承载面积Aσ和受压面积Ap，并按下式验算三通强度：

式中 Ap—在通过主、支管中心线的纵断面上最大承载长度范围内的承压面积，mm2；

Aσ—在通过主、支管中心线的纵断面上最大承载长度范围内钢材的承载面积，mm2。

在设计和施工中，可要求钢管管件供应商提供热压三通的纵断面参数，根据（式8）进行验算。

挤压三通主管最小壁厚计算也可参《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的相应计算公式。挤压三通主、支管的取用壁厚均不应小于主、支管连接管道的取用壁厚。

2　内压外载作用下的管道支架间距的确定

室内水平管道外载只有管道自身重量、水重和保温材料重量，对于水平管道而言，内压外载的一次应力验算确定了管道支架的间距。《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）中规定的管道支架间距是按工作压力不大于2.0MPa确定的，因此对于工作压力3.0MPa冷水管，应重新验算调整管道支架间距。

按《动力管道手册》，管道在工作状态下，由内压和持续外载产生的应力，不得大于钢管在设计温度下的许用应力，即按下式验算：

式中 σzhw—持续外载轴向应力，MPa；

σw—持续外载当量应力，MPa；

δn—管道名义壁厚，mm；

Dw—管道外径，mm。

按以上公式，计算得工作压力3.0MPa冷水管（保温）的支架间距，见表7。

表7　工作压力3.0MPa冷水管（保温）的水平管道支架间距

3　大直径管道的自然补偿验算

对大直径管道，直观来看，因管道直径的增加，自然补偿相对较困难，相对于小管径管道的自然补偿可采用经验判断，大直径管道的自然补偿应进行验算。

ASME B31.3给出快速确定管系热膨胀补偿的简单判定方法，它不计算管系的应力，只做简单判断，它的判断结果是粗略的，也是比较保守的。该式如下：

式中 Do—管道外径，mm；

Y—管段总位移，mm，

U—管段两固定点间的直线距离，m，

L—管段在两固定点间的展开长度，m；

x，y，z—为管段在x、y、z轴方向的坐标值，mm；

Δx，Δy，Δz—为管段在x、y、z轴方向的位移值，mm。

应用式（10）的简单判断式时，管系必须满足下列条件：1）管系两端为固定点；2）管系内各管道元件的管径、壁厚、材质应均匀一致；3）管系中无分支，且无支吊架；4）管系在使用寿命内的冷热循环次数不超过7000次。

以上第3）点管系中除管系两端的固定点外无支吊架在实践中是不可能的，查ASME31.1和GB/T 20801.3-2006《压力管道规范工业管道》，均说明为“固定支座数不大于两个，无中间约束”，这个条件是可以满足的。

式（10）不适用于下列管道：1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；2）大直径薄壁管道（管件应力增强系数i≥5）；3）端点附加位移量占总位移量大部分的管道；4）L/U>2.5的不等腿U形弯管管道，或近似直线的锯齿状管道。

在大型项目中冷水干管恰好是大直径薄壁管，因此需对其管件的应力增强系数进行验算。按《工业金属管道设计规范》弯管（弯头）的应力增大系数按下式计算：

式中 i—应力增大系数；

h—尺寸系数。

尺寸系数按下式计算：

式中 h—尺寸系数；

tFn—管件名义厚度；

R—圆弧弯管的弯曲半径；

ro—管子的平均半径。

对于D813×20的转弯半径分别为4倍管外径和1.5倍管外径的弯头，其应力增大系数i分别为1.6和3.1，均小于5.0。对于大直径薄壁弯管（弯头），内压会对应力增大系数由显著影响，应将应力增大系数i除以下式：

式中 P—设计压力；

E20—在安装温度下管材的弹性模量；

tsn—直管名义厚度。

对于D813×20的转弯半径分别为4倍管外径和1.5倍管外径的弯头，根据式（13）修正后的应力增大系数i分别为1.2和2.6，均小于5.0。因此，对于D813×20的管系，其弯头转弯半径采用4倍管外径或1.5倍管外径时，均能使用式（10）做自然补偿的快速验算，一般情况下管系宜采用转弯半径为4倍管外径的弯头，当安装空间受限时，也可采用转弯半径为1.5倍管外径的弯头。

4　大直径冷水管的立管固定支架的受力计算

对于如图4的立管，其立管最下面的固定支架受到最大的向下推力，最下端固定支架的受力=钢立管底部内压推力+波纹膨胀节的波壁内压推力+波纹膨胀节的弹性推力+钢管重量（含保温材料）。其中计算钢立管底部内压推力和波纹膨胀节的波壁内压推力时，不仅应考虑管道的工作压力，还应考虑管道试压时增加的压力。这些受力中以钢立管底部内压推力为最大，因此对于高承压管道，因为显著提高了管道的工作压力，所以应高度重视大直径立管的固定支架的推力。对于水平管，建议尽量采用自然补偿，若采用波纹膨胀节补偿，水平管的固定支架同样应考虑管道和波壁的内压推力。

以图5所示作为计算实例，冷水管的管径为711mm，立管底部工作压力为2.5MPa，试压时压力为3.0MPa，管道温升为从5℃到35℃，波纹膨胀节刚度为3250N/mm，经过计算立管最下部固定支架受到的推力为156t，其中钢立管底部内压推力为119t，远大于常规工作压力的立管固定支架的所受推力。

固定支架做法如图6所示，在常规的需要对肋板的厚度和高度进行验算外，因为大直径高承压冷水管道的固定支架的大推力，尚需对焊接肋板处的管身强度进行验算，若钢管壁厚不足，尚需焊接加强弧板对管道进行加强，加强弧板的厚度、弧长和高度均需请结构专业进行验算，除此以外，因为固定支架的强大推力，尚需在项目设计阶段即请结构专业对固定支架及其生根部位进行设计计算。

5　其它须注意问题

（1）对于工作压力3.0MPa的冷水管道，在机房内总是存在一些小直径的支管，如压力表、温度计、放气阀的安装、泄水管、补水管等等，不可能要求所有的三通均采用成品三通，按《火力发电厂汽水管道设计技术规定》的相关公式及图表进行计算，工作压力3.0MPa的冷水管主管上未加强开孔最大允许直径如见表8。

（2）为确保安全性，要求在机房外的工作压力3.0MPa冷水管道只存在直管和弯头两类主要管件。

（3）建议工作压力3.0MPa的冷水管的立管上波纹膨胀节靠近下部固定支架安装，以提高立管受到扰动时的稳定性。

（4）工作压力3.0MPa冷水管仅用于系统干管，接空调末端的空调冷水管仍应采取合理的技术措施将其工作压力控制在不超过1.6MPa。

（5）按国标，公称压力4.0MPa级别的钢制管法兰只适用于D600及以下管径的钢管，故对于工作压力超过2.5MPa且直径大于D600的冷水管，其与阀门、波纹膨胀节的连接应采用对焊连接。

（6）为减小力矩，方便开启，公称直径不小于D500的工作压力超过1.6MPa冷水管上安装闸阀时应安装旁通阀，旁通阀的规格按管道直径的十分之一选用。

6　结语

本文对工作压力3.0MPa的冷水管的管道壁厚、支架间距做了必要的计算，并引用简单判断式对管道的自然补偿做快速判断，以及设波纹膨胀节的立管的固定支架受力做了一定的介绍，希望能对超高层建筑的空调设计能做一些有益的探索和研究。

表8　工作压力3.0MPa冷水管主管上未加强开孔最大允许直径

参考文献：

[1]岳进才.压力管道技术 [M].2版.北京：中国石化出版社，2006.

[2]施振球，赵廷元，黄先扬，等.动力管道手册[M].1版.北京：机械工业出版社，1994.

修回日期：2016-03-30

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.011

中图分类号：TU83

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0044-07

作者简介：左涛（1973-），男，湖北人，硕士，高级工程师，主要从事暖通空调设计和研究工作。

收稿日期：2016-03-14

Pressure Design of Chilled Water Pipe in Super High-rise Building

ZUO Tao， WO Li-cheng， WAN Jia-feng， MA Wei-jun

（Shanghai Engineering Research Center of Super High-rise Building Design，East China Architectural Design&Research General Institute，Shanghai 200001，China）

Abstract：Working pressure of chilled water pipe up to 3.0MPa is necessary because the height of super high-rise buildings is growing continually.It introduces pressure design of piping components，flexibility analysis and forces on anchors for the chilled water pipe in this article.

Key words：working pressure of chilled water pipe； pressure design； flexibility analysis； forces on anchors