探討城市天然氣工程管道設計要點分析

摘要：居民的生活水平、社會發展以及城市建設在很大程度上受到天然氣管網工程設計水平的影響。所以，進行天然氣工程設計時，應該以長時間安全穩定運行、設備和材料的可靠性以及技術成熟等相關因素為前提條件。同時，確保能夠達到安全要求相關標準的基礎下，盡量采取科學的設計線路，降低變更設計的可能。促進城市天然氣管工程在實際使用過程中能夠實現經濟性、安全性以及可靠性。

關鍵詞：高壓天然氣；管道設計；敷設

1 天然氣管道工程的設計

1.1 天然氣管道工程設計思想

工程建設中設計占據著關鍵位置，要確保能夠達到安全的要求去設計高壓天然氣管道，保證工程造價的經濟性以及工程實施的可行性。

1.2 天然氣管道工程設計基本準則

設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度，并且對該工程長時間發展的需求要充分考慮，合理地投資天然氣管道工程建設，促進工程的社會效益以及經濟效益得到全面的發展。

設計天然氣工程時要選擇合理的線路走向，先進的管材，保證管線能夠安全可靠地運行，同時方便管線的管理維護。

1.3 高壓天然氣管道設計要點

由于高壓天然氣管道多在城區外敷設，管道安全運行的外部環境更加復雜，為了維護公共安全，設計中有必要進一步強化管道保護措施，建立更加有效的管道安全體系。

從國內和國外的實踐看，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氣管道事故的比例高達40%，在高壓天然氣管道設計中尤其值得注意。高壓天然氣管道設計可從以下幾個方面進行多重防護，提高安全度：

a）降低許用應力值，強度設計系數取值不大于0.3，增加管道壁厚，以強度確保管道自身的安全；

b）管道到建（構）筑物的安全距離嚴格遵循規范要求，當發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方式，或沿燃氣管道上方設置加強鋼筋混凝土板，盡量避免管道受第三方破壞；

e）采用先進的自控系統，分段閥門采用遠程自動控制；合理設置線路截斷閥，當管道發生事故時，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。

2 高壓天然氣管道的路線選擇

2.1 劃分地區等級

高壓天然氣管道在進行地區等級劃分時應該遵循以下準則：

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

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

c）在劃分地區等級時應該要為長遠的發展進行考慮。

2.2 控制天然氣管道間的安全距離

天然氣管道的距離應該要參照相關規范的具體要求，地區不相同的情況下，建筑結構與天然氣管道之間的水平距離應該如表1 所示。

表1 建筑結構與天然氣管道之間的水平距離

3 高壓天然氣管道的管材選擇及壁厚計算

3.1 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。HFW鋼管生產速度快、成本低，也是常被選用的管線鋼管之一。通常可提供規格直徑為152 mm～660 mm（6 in～26 in）。近年來，由于嚴格的質量控制和檢驗，鋼管質量有了很大提高，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鋼管生產的成型、焊接、冷擴徑有了技術改進，預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，改善了焊接質量；SSAW 鋼管管端擴徑，使管端幾何尺寸精度提高很多。

3.2 高壓天然氣管道壁厚計算

3.2.1 直管段強度計算及選擇

根據《輸氣管道工程設計規范》（GB50251- 2003）的規定，鋼管壁厚與設計壓力、鋼管外徑、鋼管的強度等級、強度設計系數及溫度折減系數有關，鋼管壁厚按下式計算：

δ= PD/2σS φFt，（1）

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

3.2.2 線路彎管壁厚選擇

熱煨彎管的管壁厚度按下式計算：

δb=δ·m，（2）

m= 4R-D/4R-2D，（3）

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；R 為彎管的曲率半徑，mm，R=6D；D為彎管的外直徑，mm。

4 高壓天然氣管道的敷設

4.1 管道敷設原則

管道敷設遵循以下原則：

a）盡量靠近或沿現有公路敷設，以便于現場施工和后期運行管理；

b）針對沿線不同的地形地貌以及不同的地質災害進行水工保護和處理措施的設計；

c）對沿線穿越黃土塌陷地形應采取保護措施；

d）穿越管段兩端地面，應根據地基土層的穩定性和密實性采取措施，防止塌陷；

e）與地下管道、光纜及其它設施凈距應滿足相關規范要求。

4.2 管道敷設方法

一般地段管道敷設采用埋地彈性敷設方式進行。管道的埋設深度應符合相關規范要求，同時結合管道所經地區最大凍土深度的極值及以往工程經驗確定，倘若天然氣管道在施工過程中遇到公路以及河流等環境時，則應該根據相關標準埋設管道。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。管道在敷設時要重視處理管道的轉角位置，選擇彈性敷設進行管道轉角的處理，如果施工受到現場的影響，彈性敷設不能達到轉角的相關規定，那么應該根據具體情況選擇冷彎彎管或者熱煨彎管，圖1 為處理管道轉角位置具體方式。

圖1 管道轉角位置處理方式

5 天然氣管道附屬設施的設計

5.1 線路截斷閥室

5.1.1 閥室設置原則

a）閥室的設置應符合相關規定的要求，在現場地形、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整；

b）管道通過自然保護區、風景名勝區以及濕地保護區等環境敏感區和地震斷裂帶兩端宜設置閥室；

c）在河流、湖泊、水庫等大型穿跨越和人口密集地區的管道兩端宜設置閥室；

d）在確定閥室位置時，應同時兼顧考慮線路陰極保護站、泄漏檢測要求、通信系統要求，合理確定。

5.1.2 閥室間距規定

按照不同的地區等級，截斷閥最大間距應符合下列規定：

a）以一級地區為主的管段不宜大于32 km；

b）以二級地區為主的管段不大于24 km；

c）以三級地區為主的管段不大于16 km；

d）以四級地區為主的管段不大于8 km。

上述規定的閥門間距可以稍作調整，使閥門安裝在更容易接近的地方。

5.2 管道標志樁測試樁警示牌及特殊安全保護設施

里程樁：管道每千米設置1 個，可與陰極保護測試樁合用。

轉角樁：在管道水平方向改變位置，應設置轉角樁，轉角樁上要標明管道里程、轉角角度等。

穿跨越樁：當管道穿（跨）越大中型河流、鐵路、Ⅲ級以上公路、水渠時，應在兩側設置穿跨越樁，穿跨越樁應標明管道名稱、鐵路、公路或河流的名稱，線路里程，穿跨越長度，有套管的應注明套管長度、規格和材質等。

交叉樁：凡是與地下管道、電（光）纜交叉的位置，應設置交叉樁。交叉樁上應注明線路里程、交叉物名稱、與交叉物的關系等。

結構樁：當管道外防腐層或管壁發生長距離變化時，在變化位置處設置結構樁，樁上要標明線路里程及變化前后的結構屬性等。

設施樁：當管道上有特殊設施時應設置設施樁，樁上要標明管道里程、設施的名稱及規格。

警示牌：管道在以下地點設置警示牌：a）易發生或已多次發生危及管道安全的行為的區域；b）管道靠近人口集中居住區、工業建設地段等需加強管道安全保護的地方；

c）管道穿越公路、河流、鐵路等處，除設置警示牌標記外，還應按交通部門相關規定設置警告標志。

6 管道防腐

高壓天然氣管道的防腐設計分為管道的外防腐以及陰極保護設計。

6.1 管道的外防腐層選擇

目前國、內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 結構和熔結環氧粉末類結構。其中環氧粉末類結構又分為單層熔結環氧粉末（FBE）和雙層熔結環氧粉末（DPS 或DPS）。單層熔結環氧粉末涂層（FBE）最大的優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；使用壽命約40 a；并且抗土壤應力強，能夠適用于高鹽、高堿、寒冷等大多數嚴酷的腐蝕環境；與陰極保護兼容，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格。雙層環氧粉末涂層（DPS）抗沖擊性能優異、抗劃傷性能卓越，其設計壽命達到50 a。主要缺點是它的抗沖擊性比聚乙烯三層復合結構差，同時由于環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，目前主要應用在熱煨彎管的防腐。

聚乙烯三層復合結構（3LPE）兼有環氧粉末優異的防腐性能、粘接性能、抗陰極剝離性能和聚乙烯優良的機械性能、絕緣性能及強抗滲透性，是當今綜合性能優異的常用涂層，越來越多地用于侵蝕性地區、山區等條件苛刻地區。該防腐層的缺點是補口質量受施工機具及施工人員技術素質影響較大，從而影響到整體防腐性能。常用防腐層對比見表2。

表2 常用防腐層對比

6.2 管道的陰極保護

管線的陰極保護方法通常有強制電流法和犧牲陽極法，兩種方法各有優缺點和應用范圍。

6.2.1 犧牲陽極法

優點：不需要外部電源、對鄰近金屬構筑物無干擾或干擾很小、保護電流分布均勻、工程規模越小越經濟等。缺點：保護年限短、且易失效，不宜在高電阻率環境下使用、保護電流的大小不易調節等。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，如城鎮燃氣管道。

6.2.2 強制電流法

優點：輸出電流連續可調、保護范圍大、不受環境電阻率的限制、保護裝置壽命長、可靠性高、工程規模越大越經濟等。缺點：需要外部電源、維護管理工作量較大，且可能會對鄰近金屬構筑物造成干擾。適用范圍：管徑較大且距離較長的管道等，如長輸管道。

7 結語

居民的生活水平、社會發展以及城市建設在很大程度上受到天然氣管網工程設計水平的影響。所以，進行天然氣工程的設計時應該以長時間安全穩定運行、設備以及材料的可靠性以及技術成熟等相關因素為前提條件。