天然氣管道進入城市綜合管廊安全技術探討

張學妙, 張 林

(1.青島能源設計研究院有限公司，山東青島266073；2.山東建筑大學熱能工程學院， 山東濟南250101)

1 工程概況

安順路位于青島市火車北站東側(cè)交通商務區(qū)，南北走向，距離膠州灣約400 m，地震設防烈度為7度，地下水位較高，冬夏季環(huán)境濕度較大，該路段地質(zhì)是回填土，安順路是青島市規(guī)劃的重要交通干道，雙向八車道，綠線寬60 m。汾陽路至濱海路之間采用綜合管廊，熱力、電力、通信、給水、污水、天然氣等管線全部入綜合管廊。

安順路綜合管廊內(nèi)天然氣管道設計壓力為中壓A，壓力為0.4 MPa，管材為無縫鋼管，管道外徑為323.9 mm，壁厚為7 mm,全長為2 100 m。天然氣艙室凈尺寸寬1.9 m，高2.4 m。

2 天然氣管道入綜合管廊的問題分析

① 綜合管廊墻體裂縫

綜合管廊的基礎位于松軟及高水位的地質(zhì)上，極易出現(xiàn)不均勻沉降[1]。本工程地質(zhì)報告顯示，綜合管廊位置為回填土，較為松軟，同時地下水位較高，易出現(xiàn)不均勻沉降，嚴重時會發(fā)生綜合管廊墻體裂縫，需要對地基進行特殊處理。一旦天然氣管道產(chǎn)生破損漏氣，天然氣則會通過綜合管廊墻體裂縫進入相鄰艙室，會出現(xiàn)嚴重安全事故。

② 管道腐蝕

為不影響道路建設及綠化，綜合管廊頂覆土一般為2～3 m。由于安順路處于高水位地區(qū)，對施工要求高，如果防水做不好，綜合管廊內(nèi)濕度將顯著增大，在管道外壁上會出現(xiàn)水滴。

安順路距海邊不足400 m,屬于沿海潮濕地區(qū)，夏季溫度較高，在對綜合管廊通風換氣時，較高溫度的潮濕空氣進入綜合管廊內(nèi)，遇到較低溫度的管道，便會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

上述兩種現(xiàn)象均會造成鋼質(zhì)管道防腐漆破壞而腐蝕，嚴重時易造成漏氣事故。

③ 局部防腐層破壞

本項目天然氣管道在艙室內(nèi)架空敷設，每隔10 m設置一個支架，支架分滑動支架、導向支架、固定支架。根據(jù)國家標準GB 50838—2015第7.1.6條，天然氣管道艙的艙室每隔200 m需要采用防火分隔。主管道需要穿越防火隔墻，支管需要穿越艙室頂板或側(cè)墻。在安裝管道支架時和以后的運行過程中，支架和穿墻體套管對管道防腐層損傷較大，防腐層一旦損壞，由于操作空間的原因極難修補，從而造成局部管道腐蝕。

④ 管道膨脹

GB 50838—2015第7.2.2條規(guī)定，天然氣管道艙室正常通風換氣次數(shù)不應小于6次/h。進入綜合管廊的空氣冬夏季節(jié)晝夜溫度變化較大，對較長的直線段燃氣管道變形較大，如果不采取有效措施，易造成管道破壞。

⑤ 管道漂浮

在安順路地下水位較高的地方，綜合管廊若不做好抗浮設計，易產(chǎn)生漂浮。綜合管廊若滲水或通過井口、安裝口進入雨水，天然氣管道也易產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象。

3 天然氣管道入管廊的安全技術措施

① 優(yōu)化管廊結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB 50838—2015第4.3.4條要求，天然氣管道應在獨立艙室內(nèi)敷設。采取如下措施，優(yōu)化綜合管廊結(jié)構(gòu)，解決綜合管廊地基不均勻沉降而導致綜合管廊墻體裂縫問題。

a.綜合管廊地基施工時嚴格按設計要求進行開挖，換填的褥墊層采用水泥穩(wěn)定石屑(6%水泥用量),增強換填材料的膠凝性，使得換填材料形成整體，墊層采用20 cm厚的鋼筋混凝土，在底部形成水平的支撐[1]。

b.天然氣艙室結(jié)構(gòu)設計使用年限為100 a，結(jié)構(gòu)安全等級為一級；按乙級建筑物進行抗震設計。

c.將天然氣艙室壁與鄰近艙室壁分開設置，之間設置沉降縫，即使綜合管廊基礎產(chǎn)生不均勻沉降，天然氣艙和鄰近艙室墻體同時同一地點產(chǎn)生裂縫的概率大大變小，綜合管廊沉降縫斷面見圖1。

圖1 綜合管廊沉降縫斷面

② 管道防腐采用加強級3PE防腐層

針對綜合管廊內(nèi)濕度大，管道外壁上易附著水滴和結(jié)露現(xiàn)象，綜合分析涂刷防銹漆及擠壓聚乙烯防腐層(分二層和三層兩種)、熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層、聚乙烯膠帶防腐層、石油瀝青防腐層、環(huán)氧煤瀝青防腐層、氯磺化聚乙烯防腐層等防腐材料，本工程管道外防腐層優(yōu)選加強級3PE防腐層。

加強級3PE防腐層最內(nèi)層結(jié)構(gòu)為環(huán)氧粉末涂層，厚度大于等于120 μm，具有力學性能好、耐腐蝕性能好、抗剝離強等優(yōu)點；中間為膠粘劑層，最外層為加強級聚乙烯層，具有抗腐蝕性、抗水氣滲透性等優(yōu)點。

直管段加強級3PE防腐層采取工廠內(nèi)加工生產(chǎn)，補口補傷現(xiàn)場操作，補口補傷材料應使用與原防腐層相容的材料。

焊口部位補口采用環(huán)氧樹脂底漆和輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套。對長度小于或等于30 mm的損傷，采用輻射交聯(lián)聚乙烯補傷片進行修補。補傷片的性能應達到對收縮套(帶)的規(guī)定，補傷片對聚乙烯的剝離強度應不低于50 N/cm，補傷片的大小應保證其邊緣距聚乙烯層的孔洞邊緣不小于100 mm。對于長度大于30 mm的損傷,貼補傷片后應在補傷處包覆一條熱收縮帶，包覆寬度應比補傷片的兩邊至少各大于50 mm。

③ 對局部防腐層采用光固化保護套防護

為避免支架和穿墻體套管對管道防腐層的損傷，本項目在支架和穿墻處對鋼管的外防腐層加設光固化保護套對防腐層進行防護。

光固化保護套原材料是由聚氨酯、玻璃纖維、工程塑料、絕緣骨料等組成的復合材料，此材料附著于鋼管防腐層上，形成具有很高的絕緣性能和抗機械損傷強度的保護套，特點是軟化點高、耐熱、耐磨損、電絕緣性好、有自熄性、無毒、耐候性好，能在高溫、高濕的條件下工作。

經(jīng)過對支架和穿墻體部位鋼管防腐層進行光固化保護套保護處理后，鋼管使用壽命可大大延長。

④ 設置方形補償器

天然氣管道入艙室架空敷設，部分直線管段較長，約為200 m，由于冬夏季晝夜溫差較大，約為20 ℃，需要進行補償。為避免補償器產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，天然氣管道艙室內(nèi)不采用套筒式補償器、波紋管補償器。如果綜合管廊有上下變坡，或水平有不同角度變向的，一般應采取自然補償?shù)姆绞?，在自然補償不能滿足要求時，則應進行計算，根據(jù)變形量設置方形補償器[2]。

管道因溫度差引起的軸向變形量，應按式(1)計算：

ΔL=αLΔt

(1)

式中 ΔL——管道變形量，m

α——鋼管線膨脹系數(shù)，K-1,取12×10-6K-1

L——計算管段長度，m，取200 m

Δt——管道安裝溫度與最低或最高環(huán)境溫度之差，℃，取20 ℃

根據(jù)計算結(jié)果，200 m長的管道變形量為48 mm，需要采用方形補償器進行補償。方形補償器的外徑325 mm，壁厚7 mm，高1.944 m，長4.211 m，曲率半徑為2.5D(D為管道外徑)，最大補償量為119 mm。

經(jīng)計算，采用方形補償器后，DN 200 mm及以下的天然氣管道需要綜合管廊艙室的高度為2.4 m，DN 300 mm的天然氣管道需要綜合管廊艙室的高度為3.0 m。安順路中壓管道天然氣艙室高度需要由2.4 m增高到3.0 m。為減少投資，只在設置方形補償器的位置，將天然氣艙室局部增高。

⑤ 抗漂浮設計

由于管廊建成后有可能準備入廊的管線還沒有安裝，因此，在計算時，不計入綜合管廊內(nèi)管線和設備的重量，根據(jù)計算結(jié)果確定綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗漂浮穩(wěn)定設計。綜合管廊應按不低于二級的要求做好防水設計。為解決管道漂浮問題，本項目采用固定管卡將管道固定好。

⑥ 天然氣艙室防火、防爆

a.緊急自動切斷閥

在天然氣管道進出綜合管廊的位置設置緊急自動切斷閥，每隔1 km設置分段閥門一個，分段閥門采用緊急自動切斷閥；緊急自動切斷閥采用全焊接全通徑電液聯(lián)動防爆鍛鋼球閥[2]，該切斷閥具有防火性能和遠程控制功能。

b.穿越防火隔墻

天然氣艙室每隔200 m設防火隔墻進行分隔，防火隔墻處的門應使用甲級防火門，天然氣管道穿越防火隔墻時必須采用阻火包等防火封堵措施進行嚴密封堵，防止竄火現(xiàn)象。管道穿防火隔墻阻火包封堵見圖2。

圖2 管道穿防火隔墻阻火包封堵

c.報警、通風系統(tǒng)

為確保天然氣艙室內(nèi)的天然氣體積分數(shù)始終在其爆炸下限的20%以下，本項目設置防爆型通風設備，風機應確保24 h不間斷運行，正常情況下，天然氣艙室內(nèi)通風換氣次數(shù)不應小于6次/h；事故狀態(tài)下，天然氣艙室內(nèi)通風換氣次數(shù)不應小于12次/h。在沒有閥門的天然氣艙室內(nèi)正常情況下的通風換氣次數(shù)可以適當減少，但不應小于3次/h。

d.電氣照明系統(tǒng)

天然氣艙室電氣防爆等級按GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》中“1區(qū)”設計的規(guī)定進行電氣設施設計。

e.優(yōu)選泄漏報警探頭

綜合管廊內(nèi)濕度大，催化燃燒式泄漏報警器易發(fā)生誤報。激光燃氣泄漏報警器適用的相對濕度為5%～95%，更適應綜合管廊內(nèi)潮濕的環(huán)境[3]。因此，本項目泄漏報警探頭采用激光天然氣泄漏報警探頭。