綜合管廊中納入天然氣管道的設(shè)計(jì)思考

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司　蔡　瑩

綜合管廊中納入天然氣管道的設(shè)計(jì)思考

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司蔡瑩

隨著新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的頒布，綜合管廊的建設(shè)將迎來(lái)一個(gè)新的高峰。文章歸納了天然氣管道納入綜合管廊需進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)，并結(jié)合規(guī)劃階段的案例進(jìn)行針對(duì)性的分析，提出了一些設(shè)想。

綜合管廊天然氣管道納入

0　背景

綜合管廊作為在城市道路下建造的市政管線共用隧道，能將水、通信、電力等多種管線容納其中，便于管理和維護(hù)，不僅解決了城市發(fā)展過(guò)程中的道路反復(fù)挖掘問(wèn)題，也有利于集約利用城市地下空間。

2015年6月1日，《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)正式實(shí)施，相比2012版增加了天然氣管道采用綜合管廊方式敷設(shè)時(shí)的技術(shù)規(guī)定。本文結(jié)合上述規(guī)范，對(duì)天然氣管道納入綜合管廊的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1　天然氣管道納入綜合管廊需進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)

(1)獨(dú)立艙室設(shè)計(jì)：根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》4.3.4條：天然氣管道應(yīng)在獨(dú)立艙室內(nèi)敷設(shè)。獨(dú)立艙室的斷面需滿足安裝、檢修、維護(hù)作業(yè)所需空間；天然氣艙室逃生口(1 m×1 m)間距不宜大于200 m；天然氣艙室應(yīng)每隔200 m采用耐火極限不低于3.0 h的不燃性墻體進(jìn)行防火分隔。防火分隔門(mén)應(yīng)采用甲級(jí)防火門(mén)，管線穿越部位采用阻火包等措施密封；采用不發(fā)火花地坪等。

(2)管道設(shè)計(jì)：天然氣管道設(shè)計(jì)中需明確管道的壓力級(jí)制、口徑、管材，選擇合適的管道支墩形式、管道固定方式、焊接工藝、防腐方案、防差異沉降等。

(3)報(bào)警及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)：由于綜合管廊內(nèi)天然氣管道處于一個(gè)相對(duì)封閉的艙室內(nèi)，按照密閉空間處理，需設(shè)有燃?xì)鉂舛葯z測(cè)報(bào)警緊急切斷系統(tǒng)。燃?xì)鉂舛葯z測(cè)報(bào)警器必須與緊急切斷閥聯(lián)鎖，緊急切斷閥應(yīng)具有遠(yuǎn)程遙控功能。

(4)通風(fēng)設(shè)計(jì)：由于天然氣屬于易燃易爆氣體，其獨(dú)立艙室內(nèi)應(yīng)采用防爆風(fēng)機(jī)，且設(shè)置獨(dú)立的送、排風(fēng)系統(tǒng)。燃?xì)饩o急切斷閥必須與獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，排風(fēng)系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，燃?xì)庀到y(tǒng)也不允許工作。

(5)供電設(shè)計(jì)：天然氣管道艙內(nèi)的電氣設(shè)備、接地系統(tǒng)均應(yīng)符合《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50058—2014)有關(guān)爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)的防爆規(guī)定，檢修插座應(yīng)滿足防爆要求，且應(yīng)在檢修環(huán)境安全的狀態(tài)下送電。

(6)照明設(shè)計(jì)：天然氣管道艙內(nèi)應(yīng)選擇防爆燈具，照明線路應(yīng)采用低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管配線，并進(jìn)行隔離密封防爆處理。

(7)消防設(shè)計(jì)：消防設(shè)計(jì)中除了之前提到的防火分隔、燃?xì)庑孤┨綔y(cè)及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)外，還需配置排煙系統(tǒng)及滅火器。排煙系統(tǒng)可以及時(shí)排出火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣，由于每個(gè)防火分隔內(nèi)各設(shè)一個(gè)機(jī)械進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)口，可將排風(fēng)系統(tǒng)兼做火災(zāi)時(shí)的排煙系統(tǒng)。

(8)排水設(shè)計(jì)：天然氣管道艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的集水坑。一般設(shè)置于檢修人員出入口兼出廊口、進(jìn)料口處低點(diǎn)等位置，每個(gè)集水坑內(nèi)布置兩臺(tái)潛水泵(一用一備)，主要收集結(jié)構(gòu)滲漏水火災(zāi)時(shí)的消防積水等。

2　案例分析

《某智慧城燃?xì)庀到y(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃(修編)》中擬在基地內(nèi)設(shè)置區(qū)域高中壓調(diào)壓站1座及分布式能源站專用調(diào)壓站3座(設(shè)計(jì)規(guī)模均為20 000 m3/h)。燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中擬沿古浪路—真南路向西敷設(shè)DN500次高壓天然氣管道至各高中壓調(diào)壓站，詳見(jiàn)圖1。

用戶考慮在新辟桃惠路(古浪路北側(cè)平行道路)上建造綜合管廊，工程范圍為真南路—景泰路，長(zhǎng)度約1.5 km。設(shè)想將古浪路規(guī)劃DN500次高壓天然氣管道也納入桃惠路綜合管廊，走向方案見(jiàn)圖2。下面就結(jié)合此案例對(duì)天然氣管道入廊的相關(guān)問(wèn)題一一進(jìn)行分析。

圖1　高壓天然氣管道納入綜合管廊走向方案(局部)

2.1納入綜合管廊的天然氣管道設(shè)計(jì)壓力

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)中6.4.3中列出了不大于1.6 MPa天然氣管道的焊縫檢測(cè)要求，是否可理解為綜合管廊內(nèi)天然氣管道設(shè)計(jì)壓力最大值為1.6 MPa。筆者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多城市現(xiàn)狀共同溝資料的梳理，發(fā)現(xiàn)對(duì)管道壓力有明確描述的只有2005年建成的深圳大梅沙—鹽田坳共同溝，其中納入了一根0.4 MPa的DN400天然氣高壓管道。本案例設(shè)計(jì)的天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，納入綜合管廊應(yīng)該可行。

2.2納入綜合管廊的天然氣管道材質(zhì)

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性條文6.4.2條：天然氣管道應(yīng)采用無(wú)縫鋼管。目前上海燃?xì)馐斜变N售有限公司僅小口徑管道(DN100及以下規(guī)格)采用無(wú)縫鋼管，燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中次高壓(設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa)氣源管道口徑為DN500，直埋敷設(shè)中通常采用D529×10螺旋縫埋弧焊鋼管。若建設(shè)天然氣獨(dú)立艙室，則需選用《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(GB/T 9711—2011)中推薦的D530×10無(wú)縫鋼管(L245材質(zhì))，此規(guī)格鋼管需燃?xì)夤玖硇胁少?gòu)。

2.3鋼管焊接

燃?xì)夤こ态F(xiàn)場(chǎng)宜選用J507堿性焊條，氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的焊接方法焊接。所有焊縫應(yīng)進(jìn)行100%全周長(zhǎng)超聲波探傷及100%全周長(zhǎng)X射線檢驗(yàn)。超聲波檢驗(yàn)符合《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》(GB/T 11345—2013)中的Ⅰ級(jí)質(zhì)量要求。射線照相檢驗(yàn)符合《無(wú)損檢測(cè) 金屬管道熔化焊環(huán)向?qū)咏宇^射線照相檢測(cè)方法》(GB/T 12605—2008)中的Ⅱ級(jí)質(zhì)量要求。無(wú)法進(jìn)行射線照相的部位應(yīng)采用磁粉法或滲透法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.4管道防腐處理

綜合管廊雖建造于地下，但管道架設(shè)于管廊空間內(nèi)，防腐處理需經(jīng)過(guò)甄選。目前通用的埋地管道外防腐涂層有熔結(jié)環(huán)氧粉末外防腐層和擠壓聚乙烯防腐層。熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層具有優(yōu)異的防腐性能，但耐磨性不好，表面處理要求及極高，且要求施工各環(huán)節(jié)都十分小心，否則施工過(guò)程中造成的補(bǔ)傷工作量太大；其透水率高，不太適合于地下水較高的地區(qū)。擠壓聚乙烯防腐層三層結(jié)構(gòu)又稱復(fù)合涂層，是由熔結(jié)環(huán)氧粉末、共聚物膠和聚乙烯組成，其粘接力強(qiáng)，耐水阻氧性好，使用壽命可達(dá)50年；優(yōu)異的機(jī)械性能，使其抗施工損傷能力強(qiáng)；極高的絕緣電阻，使其抗相互干擾能力強(qiáng)?；诰C合管廊屬于地下空間，從防潮及經(jīng)濟(jì)性考慮，本案例建議采用擠壓聚乙烯防腐層三層結(jié)構(gòu)。

2.5閥門(mén)設(shè)置

天然氣管道分支處應(yīng)設(shè)置閥門(mén)，閥門(mén)設(shè)置在綜合管廊外部，需考慮閥門(mén)井的防沉降措施。

2.6緊急切斷閥設(shè)置

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》6.4.8條：天然氣管道進(jìn)出綜合管廊時(shí)應(yīng)設(shè)置具有遠(yuǎn)程關(guān)閉功能的緊急切斷閥。本研究中設(shè)計(jì)的次高壓管道為DN500口徑，如此大口徑的緊急切斷閥需燃?xì)夤玖硇胁少?gòu)。另外需在地面上合適位置同步安裝控制柜，將緊急切斷閥的信號(hào)匯集后遠(yuǎn)傳至燃?xì)夤菊{(diào)度中心；同時(shí)上傳一路監(jiān)視信號(hào)至管廊控制中心。

結(jié)合“天然氣艙室應(yīng)每隔200 m采用耐火極限不低于3.0 h的不燃性墻體進(jìn)行防火分隔”的規(guī)范要求，建議可每隔200 m設(shè)置一組緊急切斷閥，這樣當(dāng)一個(gè)防火分隔內(nèi)發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)可迅速切斷其相鄰兩側(cè)防火分隔內(nèi)的緊急切斷閥，盡可能減少燃?xì)庑孤┝考坝绊懛秶?/p>

2.7天然氣獨(dú)立艙室燃?xì)庑孤┨綔y(cè)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)共同溝內(nèi)燃?xì)鈹U(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬分析，由于天然氣的主要成分甲烷較空氣輕在擴(kuò)散過(guò)程中甲烷首先向最高空間擴(kuò)散，同時(shí)艙室的橫截面寬度尺寸不大，使得甲烷在同一豎向高度的摩爾組分濃度幾乎相同。因此天然氣的泄漏報(bào)警探測(cè)器布置在艙室的頂壁即可。

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)鈭?bào)警控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 146—2011)，應(yīng)每隔15 m設(shè)置一個(gè)探測(cè)器，且探測(cè)器距任一釋放源的距離不應(yīng)大于4 m。據(jù)此測(cè)算，每個(gè)防火分隔內(nèi)至少需布置14個(gè)探測(cè)器。

此外，燃?xì)庑孤┨綔y(cè)器使用年限一般為3至5年，而燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)年限一般為30年。故在管道使用年限內(nèi)燃?xì)庑孤┨綔y(cè)器需多次更新，更換成本較大。

2.8天然氣獨(dú)立艙室通風(fēng)

天然氣艙室中采用機(jī)械排風(fēng)方式，正常工況下6次/h，事故工況下12次/h。

由于天然氣鋼管需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，建議設(shè)置獨(dú)立的送排風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)及排風(fēng)口位于各焊點(diǎn)附近。由于燃?xì)猬F(xiàn)場(chǎng)多采用氬弧焊打底，對(duì)獨(dú)立送排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速也有一定的要求，既要避免保護(hù)氣體被大風(fēng)帶走，又要保證有害氣體及煙塵的及時(shí)排出。共同溝通風(fēng)量的確定可參考日本《共同溝設(shè)計(jì)指針》。

2.9天然氣獨(dú)立艙室的斷面尺寸

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)于綜合管廊斷面設(shè)計(jì)的要求，本方案中DN500天然氣艙室的尺寸不應(yīng)小于1.9×1.8 m。

防火門(mén)的尺寸大小及阻火包的大小也會(huì)影響到艙室的尺寸，這部分也要考慮周到。

吊裝口的凈尺寸應(yīng)滿足管線、設(shè)備、人員進(jìn)出的最小允許限界要求。天然氣獨(dú)立艙室斷面還應(yīng)考慮更換管道時(shí)的吊裝空間(最短切割成6 m 1根)。

綜合管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，而燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)使用年限一般為30年?？紤]到未來(lái)發(fā)展的不可預(yù)見(jiàn)性，天然氣艙室內(nèi)應(yīng)考慮設(shè)置一個(gè)預(yù)留管位。對(duì)于需要額外預(yù)留一個(gè)管位的天然氣艙室，為方便今后從吊裝口檢修，應(yīng)在艙室兩側(cè)設(shè)置管道，檢修通道位于當(dāng)中，這種情況下艙室的尺寸也要相應(yīng)變大。

2.10不同管道交叉及支管接出

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性條文5.4.7：天然氣管道艙室的各類孔口不得與其他艙室連通，并應(yīng)設(shè)置明顯的安全警示標(biāo)識(shí)。

實(shí)際中各類管道的支管接出在所難免，如何避免其他管道不穿天然氣艙室或者天然氣管道穿其他艙室，應(yīng)在艙體設(shè)計(jì)中著重考慮。

在支管接出處，綜合管廊局部需進(jìn)行加高加寬處理，控制接出支管埋深在1~2 m；管廊拓寬1.3 m，便于管線從側(cè)面上升引出艙室。圖2為支管接出示意圖。本方案中涉及到向南側(cè)的1#、3#分布式供能專用調(diào)壓站預(yù)留支管。

圖2　天然氣支管接出處橫斷面示意

2.11天然氣獨(dú)立艙室與周邊建構(gòu)筑物等安全間距

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》5.1.6條：天然氣管道艙室與周邊建(構(gòu))筑物間距應(yīng)符合《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)。0.8 MPa天然氣管道艙室與建筑物外墻面的最小水平凈距不得小于5.0 m。而根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《城市煤氣、天然氣管道工程技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08—10—2004)，0.8 MPa天然氣管道艙室與建筑物外墻面的最小水平凈距不得小于6.0 m，根據(jù)從嚴(yán)選取的要求，本案例選取6.0 m為天然氣獨(dú)立艙室與周邊建構(gòu)筑物的最小安全間距。

2.12綜合管廊的管理及維護(hù)

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中要求：綜合管廊建成后，應(yīng)由專業(yè)單位進(jìn)行日常管理。

綜合管廊管理公司對(duì)綜合管廊內(nèi)的管線只負(fù)責(zé)監(jiān)管運(yùn)行；各專業(yè)管線單位負(fù)責(zé)自身管線的敷設(shè)和維修，并向管理公司支付綜合管廊使用費(fèi)和維護(hù)費(fèi)。

相比傳統(tǒng)的開(kāi)挖直埋敷設(shè)方式，專業(yè)管線納入綜合管廊后需額外支付管廊使用費(fèi)及維護(hù)費(fèi)，這對(duì)于市政公用管線單位來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一筆不小的開(kāi)銷。如果沒(méi)有國(guó)家或地方政府的鼓勵(lì)政策，以及相關(guān)法律法規(guī)的支持，綜合管廊的運(yùn)營(yíng)將會(huì)矛盾輩出。

再者，綜合管廊的運(yùn)行管理離不開(kāi)信息技術(shù)的支持。綜合管廊日常管理單位信息平臺(tái)的構(gòu)建、各專用管線單位信息平臺(tái)的構(gòu)建、兩者之間數(shù)據(jù)的傳輸與共享等，可見(jiàn)信息平臺(tái)的建設(shè)量不容小視。

3　其他設(shè)想

3.1套管方案

根據(jù)天然氣管道艙室每隔200 m進(jìn)行防火分隔設(shè)計(jì)的思路，天然氣管道以200 m為單元進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，每個(gè)單元之間用工作井分隔，艙室內(nèi)設(shè)置鋼套管，燃?xì)庵鞴?即芯管)設(shè)置于套管內(nèi)。這樣設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面便于通過(guò)兩側(cè)工作井抽出更換芯管，另一方面安裝套管后天然氣管道艙室內(nèi)的泄漏報(bào)警探頭設(shè)置數(shù)量可以適當(dāng)減少。但是套管方案只適合于綜合管廊筆直的情形，對(duì)于彎曲道路下的綜合管廊，艙體尺寸還應(yīng)考慮到管道轉(zhuǎn)彎的角度，偏差控制在成品彎管2°以內(nèi)。

3.2天然氣艙室內(nèi)燃?xì)夤艿啦馁|(zhì)選取

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性條文6.4.2：天然氣管道應(yīng)采用無(wú)縫鋼管。實(shí)際中可能存在以下困難：吊裝口的設(shè)置受限、鋼管焊接過(guò)程的排煙設(shè)置等。

由于綜合管廊工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，對(duì)于納入其中的管道而言，有必要選擇一種使用壽命長(zhǎng)的管道，延長(zhǎng)管網(wǎng)的改造周期。目前鋼管的使用年限約為20~30年，而聚乙烯管的使用壽命可達(dá)到50年。聚乙烯管不需要防腐處理，這與鋼管相比具有很好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，聚乙烯管本身的柔韌性好，可以蛇形敷設(shè)；它的抗沖擊性也比鋼管好，能較好地抵御地震等自然災(zāi)害的影響；聚乙烯管的連接方式有電熔和熱熔兩種，施工起來(lái)相比鋼管焊接容易；相同壓力等級(jí)要求的管材，單位重量更輕，搬運(yùn)方便，施工過(guò)程中無(wú)須大型機(jī)械設(shè)備的在線配合作業(yè)。

不足的是，聚乙烯管在抗銳器直接破壞方面較差，工作溫度在-20~40℃之間，且其良好的絕緣性容易產(chǎn)生靜電積聚導(dǎo)致危險(xiǎn)，以及塑料本身的易燃性都可能成為使用過(guò)程中的安全隱患。

由此可見(jiàn)，通過(guò)在施工中采取有效的防護(hù)措施、安裝支架經(jīng)過(guò)特殊處理、對(duì)靜電采取接地處理、控制艙體內(nèi)的溫度在一定范圍內(nèi)，以及良好的消防噴淋設(shè)施跟進(jìn)等，在綜合管廊內(nèi)是有可能采用聚乙烯管的。

隨著聚乙烯管道的快速發(fā)展，管道的使用壓力在不斷提高，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，聚乙烯管道應(yīng)用在綜合管廊還是有巨大潛力的。屆時(shí)，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范也需及時(shí)修編。

4　結(jié)語(yǔ)

天然氣管道入廊設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要眾多專業(yè)的配合研究。隨著國(guó)內(nèi)綜合管廊建設(shè)工程的逐步實(shí)踐，以及相關(guān)法律法規(guī)及政策的出臺(tái)，天然氣管道入廊必將得到推廣。

Design Considerations for the Inclusion of Natural Gas Pipelines in the Utility Tunnel

Shanghai Gas Engineering Design and Research Co., Ltd.Cai Ying

With the issue of new national standards, the construction of the utility tunnel will up to a new peak. This paper induces linked design of natural gas pipeline in utility tunnel, and analyzes cases in the planning stage, and gives some suggestion.

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