城市天然氣高壓管道工程技術(shù)設(shè)計分析

傅學(xué)明 王小輝

杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計院有限公司 315040

摘要：隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對天燃?xì)獾男枨笠苍絹碓礁?，但是天然氣運(yùn)輸管道經(jīng)常出現(xiàn)漏氣或者爆炸事故，嚴(yán)重威脅到人們的生命財產(chǎn)安全，因此，天然氣高壓管道的選擇很重要，我們必須要不斷加強(qiáng)天然氣管道的施工技術(shù)與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：城市；高壓天然氣；管道設(shè)計

居民的生活水平、社會發(fā)展以及城市建設(shè)在很大程度上受到天然氣管網(wǎng)工程設(shè)計水平的影響。所以，進(jìn)行天然氣工程設(shè)計時，應(yīng)該以長時間安全穩(wěn)定運(yùn)行、設(shè)備和材料的可靠性以及技術(shù)成熟等相關(guān)因素為前提條件。同時，確保能夠達(dá)到安全要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)下，盡量采取科學(xué)的設(shè)計線路，降低變更設(shè)計的可能。促進(jìn)城市天然氣管工程在實際使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可靠性。

一、天然氣管道工程的設(shè)計

1.天然氣管道工程設(shè)計思想

工程建設(shè)中設(shè)計占據(jù)著關(guān)鍵位置，要確保能夠達(dá)到安全的要求去設(shè)計高壓天然氣管道，保證工程造價的經(jīng)濟(jì)性以及工程實施的可行性。

2.天然氣管道工程設(shè)計基本準(zhǔn)則

設(shè)計天然氣管道工程時需要遵循一定的基本原則，確保天然氣管道工程能夠加快施工進(jìn)度，并且對該工程長時間發(fā)展的需求要充分考慮，合理地投資天然氣管道工程建設(shè)，促進(jìn)工程的社會效益以及經(jīng)濟(jì)效益得到全面的發(fā)展。

設(shè)計天然氣工程時要選擇合理的線路走向，先進(jìn)的管材，保證管線能夠安全可靠地運(yùn)行，同時方便管線的管理維護(hù)。

3.高壓天然氣管道設(shè)計要點

由于高壓天然氣管道多在城區(qū)外敷設(shè)，管道安全運(yùn)行的外部環(huán)境更加復(fù)雜，為了維護(hù)公共安全，設(shè)計中有必要進(jìn)一步強(qiáng)化管道保護(hù)措施，建立更加有效的管道安全體系。

從國內(nèi)和國外的實踐看，造成管道事故的主要原因是：外力作用下的損壞，管材、設(shè)備及焊接缺陷，管道腐蝕，操作失誤及其它原因，等。其中，管道受第三方破壞近幾年在燃?xì)夤艿朗鹿实谋壤哌_(dá)40%，在高壓天然氣管道設(shè)計中尤其值得注意。高壓天然氣管道設(shè)計可從以下幾個方面進(jìn)行多重防護(hù)，提高安全度：

a）降低許用應(yīng)力值，強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)取值不大于0.3，增加管道壁厚，以強(qiáng)度確保管道自身的安全；

b）管道到建（構(gòu)）筑物的安全距離嚴(yán)格遵循規(guī)范要求，當(dāng)發(fā)生事故時降低影響面；

c）選擇合適的管材，提高防腐等級；

d）增加管道覆土深度或采用定向鉆等非開挖敷設(shè)方式，或沿燃?xì)夤艿郎戏皆O(shè)置加強(qiáng)鋼筋混凝土板，盡量避免管道受第三方破壞；

e）采用先進(jìn)的自控系統(tǒng)，分段閥門采用遠(yuǎn)程自動控制；合理設(shè)置線路截斷閥，當(dāng)管道發(fā)生事故時，能通過控制線路截斷閥的啟閉，從而把危害及損失降低到最低限度。

二、高壓天然氣管道的路線選擇

1.劃分地區(qū)等級

高壓天然氣管道在進(jìn)行地區(qū)等級劃分時應(yīng)該遵循以下準(zhǔn)則：

a）順著天然氣中心管道兩邊相隔200 m 的區(qū)域內(nèi)，將1.6 km 長距離的路段進(jìn)行隨意劃分，同時要確保屬于獨(dú)立建筑的區(qū)域，當(dāng)成分級單元的地區(qū)；

b）劃分等級時應(yīng)該通過了解天然氣管道通過地區(qū)的沿線建筑物的密集程度確定，同時要與相關(guān)規(guī)定互相符合；

c）在劃分地區(qū)等級時應(yīng)該要為長遠(yuǎn)的發(fā)展進(jìn)行考慮。

2.控制天然氣管道間的安全距離

天然氣管道的距離應(yīng)該要參照相關(guān)規(guī)范的具體要求，地區(qū)不相同的情況下，建筑結(jié)構(gòu)與天然氣管道之間的水平距離應(yīng)該如表1所示。

三、高壓天然氣管道的管材選擇及壁厚計算

1.高壓天然氣管道的型號選擇

目前，高壓天然氣管道管基本采用直縫高頻電阻焊（HFW）、螺旋縫埋弧焊（SSAW）、無縫的方法生產(chǎn)。HFW鋼管生產(chǎn)速度快、成本低，也是常被選用的管線鋼管之一。通?？商峁┮?guī)格直徑為152mm～660mm（6in～26in）。近年來，由于嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢驗，鋼管質(zhì)量有了很大提高，已廣泛用于輸氣管道工程中。

無縫鋼管通常使用規(guī)格直徑至405 mm。無縫鋼管價格較高，一般比HFW鋼管高15%～25%。鋼管的壁厚偏差大，表面質(zhì)量較差。

SSAW 鋼管也是輸氣管道常用的管型。近年來，SSAW鋼管生產(chǎn)的成型、焊接、冷擴(kuò)徑有了技術(shù)改進(jìn)，預(yù)精焊工藝把成型與焊接分離，使成型對焊接的影響基本消除，改善了焊接質(zhì)量；SSAW 鋼管管端擴(kuò)徑，使管端幾何尺寸精度提高很多。

2.高壓天然氣管道壁厚計算

2.1 直管段強(qiáng)度計算及選擇

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50251- 2003）的規(guī)定，鋼管壁厚與設(shè)計壓力、鋼管外徑、鋼管的強(qiáng)度等級、強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)及溫度折減系數(shù)有關(guān)，鋼管壁厚按下式計算：

式（1）中，δ為鋼管設(shè)計壁厚，mm；P為設(shè)計壓力，取6.3MPa；D為鋼管外徑，323.9mm；σS為鋼管的最小屈服強(qiáng)度；φ為鋼管焊縫系數(shù)，按《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》選取1.0；F為強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)，根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50251- 2003）確定，一級地區(qū)選用0.72，二級地區(qū)選用0.6，三級地區(qū)選用0.5；t為溫度折減系數(shù)，取1.0。

2.2 線路彎管壁厚選擇

熱煨彎管的管壁厚度按下式計算：

式（2）、（3）中，δb為彎管的管壁計算厚度，mm；δ為彎管所連接的直管段管壁計算厚度，mm；m為彎管壁厚增大系數(shù)；R為彎管的曲率半徑，mm，R=6D；D為彎管的外直徑，mm。

四、高壓天然氣管道的敷設(shè)

1.管道敷設(shè)原則

管道敷設(shè)遵循以下原則：

a）盡量靠近或沿現(xiàn)有公路敷設(shè)，以便于現(xiàn)場施工和后期運(yùn)行管理；

b）針對沿線不同的地形地貌以及不同的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行水工保護(hù)和處理措施的設(shè)計；

c）對沿線穿越黃土塌陷地形應(yīng)采取保護(hù)措施；

d）穿越管段兩端地面，應(yīng)根據(jù)地基土層的穩(wěn)定性和密實性采取措施，防止塌陷；

e）與地下管道、光纜及其它設(shè)施凈距應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.管道敷設(shè)方法

一般地段管道敷設(shè)采用埋地彈性敷設(shè)方式進(jìn)行。管道的埋設(shè)深度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，同時結(jié)合管道所經(jīng)地區(qū)最大凍土深度的極值及以往工程經(jīng)驗確定，倘若天然氣管道在施工過程中遇到公路以及河流等環(huán)境時，則應(yīng)該根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)埋設(shè)管道。管道在穿越大型河流、高等級公路等一些特殊地段可以選擇頂管以及定向鉆等方式通過。管道在敷設(shè)時要重視處理管道的轉(zhuǎn)角位置，選擇彈性敷設(shè)進(jìn)行管道轉(zhuǎn)角的處理，如果施工受到現(xiàn)場的影響，彈性敷設(shè)不能達(dá)到轉(zhuǎn)角的相關(guān)規(guī)定，那么應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇冷彎彎管或者熱煨彎管，圖1為處理管道轉(zhuǎn)角位置具體方式。

五、天然氣管道附屬設(shè)施的設(shè)計

1.線路截斷閥室

1.1 閥室設(shè)置原則

a）閥室的設(shè)置應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定的要求，在現(xiàn)場地形、地勢條件不利于選址或征地困難的前提下閥室間距允許稍做調(diào)整；

b）管道通過自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)以及濕地保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)和地震斷裂帶兩端宜設(shè)置閥室；

c）在河流、湖泊、水庫等大型穿跨越和人口密集地區(qū)的管道兩端宜設(shè)置閥室；

d）在確定閥室位置時，應(yīng)同時兼顧考慮線路陰極保護(hù)站、泄漏檢測要求、通信系統(tǒng)要求，合理確定。

1.2 閥室間距規(guī)定

按照不同的地區(qū)等級，截斷閥最大間距應(yīng)符合下列規(guī)定：

a）以一級地區(qū)為主的管段不宜大于32km；

b）以二級地區(qū)為主的管段不大于24km；

c）以三級地區(qū)為主的管段不大于16km；

d）以四級地區(qū)為主的管段不大于8km。

上述規(guī)定的閥門間距可以稍作調(diào)整，使閥門安裝在更容易接近的地方。

2、管道標(biāo)志樁測試樁警示牌及特殊安全保護(hù)設(shè)施

里程樁：管道每千米設(shè)置1個，可與陰極保護(hù)測試樁合用。

轉(zhuǎn)角樁：在管道水平方向改變位置，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)角樁，轉(zhuǎn)角樁上要標(biāo)明管道里程、轉(zhuǎn)角角度等。

穿跨越樁：當(dāng)管道穿（跨）越大中型河流、鐵路、Ⅲ級以上公路、水渠時，應(yīng)在兩側(cè)設(shè)置穿跨越樁，穿跨越樁應(yīng)標(biāo)明管道名稱、鐵路、公路或河流的名稱，線路里程，穿跨越長度，有套管的應(yīng)注明套管長度、規(guī)格和材質(zhì)等。

交叉樁：凡是與地下管道、電（光）纜交叉的位置，應(yīng)設(shè)置交叉樁。交叉樁上應(yīng)注明線路里程、交叉物名稱、與交叉物的關(guān)系等。

結(jié)構(gòu)樁：當(dāng)管道外防腐層或管壁發(fā)生長距離變化時，在變化位置處設(shè)置結(jié)構(gòu)樁，樁上要標(biāo)明線路里程及變化前后的結(jié)構(gòu)屬性等。

設(shè)施樁：當(dāng)管道上有特殊設(shè)施時應(yīng)設(shè)置設(shè)施樁，樁上要標(biāo)明管道里程、設(shè)施的名稱及規(guī)格。

警示牌：管道在以下地點設(shè)置警示牌：a）易發(fā)生或已多次發(fā)生危及管道安全的行為的區(qū)域；b）管道靠近人口集中居住區(qū)、工業(yè)建設(shè)地段等需加強(qiáng)管道安全保護(hù)的地方；c）管道穿越公路、河流、鐵路等處，除設(shè)置警示牌標(biāo)記外，還應(yīng)按交通部門相關(guān)規(guī)定設(shè)置警告標(biāo)志。

六、管道防腐

高壓天然氣管道的防腐設(shè)計分為管道的外防腐以及陰極保護(hù)設(shè)計。

1.管道的外防腐層選擇

目前國、內(nèi)外高壓天然氣管道工程最為成熟和普遍采用的防腐層為3LPE 結(jié)構(gòu)和熔結(jié)環(huán)氧粉末類結(jié)構(gòu)。其中環(huán)氧粉末類結(jié)構(gòu)又分為單層熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）和雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（DPS或DPS）。單層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層（FBE）最大的優(yōu)點是與金屬表面附著力大，粘接性能、耐陰極剝離性能好；防腐層損傷較容易修復(fù)；使用壽命約40a；并且抗土壤應(yīng)力強(qiáng)，能夠適用于高鹽、高堿、寒冷等大多數(shù)嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境；與陰極保護(hù)兼容，具有“失效安全性”。

FBE的主要缺點是涂層薄，易被沖擊破壞；吸水率較大，耐濕熱性能有限；對鋼管表面除銹要求嚴(yán)格。雙層環(huán)氧粉末涂層（DPS）抗沖擊性能優(yōu)異、抗劃傷性能卓越，其設(shè)計壽命達(dá)到50a。主要缺點是它的抗沖擊性比聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)差，同時由于環(huán)氧涂料分子組成的原因，不可避免地存在耐水性差的缺點。中國使用的時間較短，目前主要應(yīng)用在熱煨彎管的防腐。

聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)（3LPE）兼有環(huán)氧粉末優(yōu)異的防腐性能、粘接性能、抗陰極剝離性能和聚乙烯優(yōu)良的機(jī)械性能、絕緣性能及強(qiáng)抗?jié)B透性，是當(dāng)今綜合性能優(yōu)異的常用涂層，越來越多地用于侵蝕性地區(qū)、山區(qū)等條件苛刻地區(qū)。該防腐層的缺點是補(bǔ)口質(zhì)量受施工機(jī)具及施工人員技術(shù)素質(zhì)影響較大，從而影響到整體防腐性能。

2.管道的陰極保護(hù)

管線的陰極保護(hù)方法通常有強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法，兩種方法各有優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。

2.1 犧牲陽極法

優(yōu)點：不需要外部電源、對鄰近金屬構(gòu)筑物無干擾或干擾很小、保護(hù)電流分布均勻、工程規(guī)模越小越

經(jīng)濟(jì)等。缺點：保護(hù)年限短、且易失效，不宜在高電阻率環(huán)境下使用、保護(hù)電流的大小不易調(diào)節(jié)等。適用

范圍：主要適合用在管道直徑較小且有著較短距離的情況，如城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿馈?/p>

2.2 強(qiáng)制電流法

優(yōu)點：輸出電流連續(xù)可調(diào)、保護(hù)范圍大、不受環(huán)境電阻率的限制、保護(hù)裝置壽命長、可靠性高、工程規(guī)模越大越經(jīng)濟(jì)等。缺點：需要外部電源、維護(hù)管理工作量較大，且可能會對鄰近金屬構(gòu)筑物造成干擾。適用范圍：管徑較大且距離較長的管道等，如長輸管道。

七、結(jié)語

居民的生活水平、社會發(fā)展以及城市建設(shè)在很大程度上受到天然氣管網(wǎng)工程設(shè)計水平的影響。所以，進(jìn)行天然氣工程的設(shè)計時應(yīng)該以長時間安全穩(wěn)定運(yùn)行、設(shè)備以及材料的可靠性以及技術(shù)成熟等相關(guān)因素為前提條件。