淺析天然氣管道工程中套管的使用

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 林驍雋

埋地天然氣管道外設(shè)套管，是目前國(guó)內(nèi)天然氣管道工程中較為常用的一種對(duì)管道的保護(hù)措施。但由于套管會(huì)對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)套管的密封以及套管與芯管之間空間中介質(zhì)的不確定性，對(duì)判斷和解決這種影響造成了較大的困難。本文將通過(guò)對(duì)天然氣管道工程中套管使用現(xiàn)狀的介紹、套管與芯管之間空間狀況的分析、套管性能的對(duì)比以及管道上方載荷的計(jì)算，來(lái)淺析天然氣管道工程中套管使用的利弊，并提出相關(guān)建議以提高管道的使用壽命，降低管道運(yùn)維的難度。

1 套管使用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)天然氣管道工程中，一般在下列兩種情況中設(shè)置套管：一是管道敷設(shè)于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方；二是采用頂管穿越施工工藝的管道。

加設(shè)套管能夠保證管道的管位，在需要更換芯管時(shí)，施工不會(huì)影響現(xiàn)狀設(shè)施的正常運(yùn)行。此外，套管可承受較高的靜載和動(dòng)載，并防止第三方破壞。但同時(shí)套管帶來(lái)的管道腐蝕問(wèn)題也較為明顯，主要體現(xiàn)在套管會(huì)對(duì)天然氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生屏蔽作用。

天然氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示。

設(shè)置套管后，相當(dāng)于在原先的電解質(zhì)中增加了屏障，保護(hù)電流無(wú)法形成有效的回路，使套管內(nèi)芯管的陰極保護(hù)失效，產(chǎn)生腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。

針對(duì)該屏蔽問(wèn)題，目前較為常用的方法是在套管內(nèi)加深帶狀或鐲式的陽(yáng)極，從而在套管內(nèi)形成單獨(dú)的電流回路，對(duì)管道起到保護(hù)作用。但是套管與芯管之間的空間狀況較為復(fù)雜，常常會(huì)發(fā)生意想不到的情況導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果。

圖1 陰極保護(hù)系統(tǒng)工作原理

圖2 陰極保護(hù)電流被套管屏蔽示意

2 套管與芯管之間空間狀況分析

套管與芯管之間的空間狀況通常有以下六種。

2.1 套管與芯管之間為電氣隔離

該情況空間介質(zhì)為空氣，此時(shí)外部的陰極保護(hù)電流無(wú)法穿過(guò)套管與芯管之間的空間介質(zhì)，保護(hù)的對(duì)象其實(shí)為與土壤接觸的套管。內(nèi)部的陰極保護(hù)系統(tǒng)因?yàn)闊o(wú)電解質(zhì)存在而無(wú)法形成保護(hù)電流，故芯管處于完全未受到保護(hù)的狀態(tài)。

2.2 套管與芯管之間為金屬短路

該情況空間介質(zhì)為空氣，但套管與芯管之間發(fā)生了金屬短路(金屬短路的原因一般是芯管未設(shè)置絕緣支架、支架安裝不當(dāng)或失效，芯管出現(xiàn)移動(dòng)或沉降而與套管發(fā)生物理接觸)，此時(shí)外部的陰極保護(hù)電流雖然能夠通過(guò)短路處到達(dá)與土壤接觸的套管，但是只要防腐層漏點(diǎn)處不是發(fā)生短路處，那么該漏點(diǎn)無(wú)法得到保護(hù)。內(nèi)部的陰極保護(hù)因?yàn)闊o(wú)電解質(zhì)存在而無(wú)法形成保護(hù)電流，故芯管從理論上來(lái)說(shuō)處于未受到保護(hù)的狀態(tài)。

2.3 套管與芯管之間有部分電解質(zhì)，但未出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)下半部分為水，上半部分為空氣，此時(shí)與電解質(zhì)接觸的部分防腐層漏點(diǎn)能夠受到外部與內(nèi)部陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)，但由于電解質(zhì)由原先的土壤變?yōu)榱怂Ｗo(hù)電流無(wú)法確定，從而無(wú)法判斷保護(hù)效果。未與電解質(zhì)接觸的部分防腐層漏點(diǎn)則與上述2.1中的情況相同，處于未受到保護(hù)的狀態(tài)。

2.4 套管與芯管之間有部分電解質(zhì)，同時(shí)出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)下半部分為水，上半部分為空氣，同時(shí)套管與芯管之間發(fā)生了金屬短路，此時(shí)外部和內(nèi)部陰極保護(hù)電流都將通過(guò)短路處流出芯管，而不是從電解質(zhì)處流出，故芯管處于未受到保護(hù)的狀態(tài)，若與電解質(zhì)接觸部分的芯管存在防腐層缺陷，還將出現(xiàn)自然腐蝕，從而進(jìn)一步加深管道的腐蝕程度。

2.5 套管與芯管之間充滿電解質(zhì)，但未出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)為水，所有防腐層缺陷均能夠受到外部及內(nèi)部陰極保護(hù)電流的保護(hù)，但由于電解質(zhì)是水而不是土壤，故保護(hù)電流強(qiáng)度與常規(guī)不同，需另行計(jì)算。

2.6 套管與芯管之間充滿電解質(zhì)，同時(shí)出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)為水，同時(shí)管與芯管之間發(fā)生了金屬短路，此時(shí)的情況與上述2.4中的情況類似。且由于全部的芯管均與電解質(zhì)接觸，更進(jìn)一步加大了產(chǎn)生自然腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。這種腐蝕發(fā)生在芯管，而測(cè)試樁上的電位僅能夠體現(xiàn)套管的保護(hù)情況，故芯管的腐蝕完全處于未知的失控狀態(tài)。

目前管道的建設(shè)及運(yùn)維單位往往認(rèn)為使用套管能夠增強(qiáng)管道安全性。因?yàn)槭褂锰坠芎螅恍╇S著時(shí)間變化的威脅，如第三方挖掘破壞、外力損壞等風(fēng)險(xiǎn)因素基本上都被消除。但是通過(guò)對(duì)上述六種狀況的分析可以看出無(wú)論套管與芯管之間是完全電氣隔離，還是存在部分電解質(zhì)，或者充滿電解質(zhì)，以及是否出現(xiàn)金屬短路幾種情況的組合，芯管的陰極保護(hù)均處于失效或者未知的狀態(tài)，顯然套管的使用會(huì)使芯管外表面腐蝕的可能性增大，反而降低了管道本體的安全性。

若套管與芯管之間的環(huán)形空間內(nèi)沒(méi)有電流回路，常規(guī)的地面間接檢查工具對(duì)于套管是無(wú)效的。即使將電解質(zhì)引入環(huán)形空間，套管可能仍發(fā)揮著屏蔽作用，使得大部分有關(guān)陰極保護(hù)水平或防腐層狀態(tài)的間接檢查工具失去意義。

3 套管性能對(duì)比

目前，在燃?xì)夤艿拦こ讨羞\(yùn)用較為廣泛的套管為鋼套管及鋼筋混凝土套管。鋼套管與鋼筋混凝土套管的性能對(duì)比主要體現(xiàn)在以下五點(diǎn)。

3.1 套管強(qiáng)度

套管強(qiáng)度越強(qiáng)，能夠承受的推力就越大，在不加設(shè)中繼環(huán)的前提下能夠頂進(jìn)的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。

從管道本身的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，鋼套管優(yōu)于鋼筋混凝土套管。特別是在長(zhǎng)距離頂管工程中，在套管頂進(jìn)的后期，主千斤頂?shù)耐屏﹄S套管進(jìn)入的長(zhǎng)度而加大。當(dāng)該推力達(dá)到套管材質(zhì)所能承受的最大強(qiáng)度的80%時(shí)，必須采取加設(shè)中繼環(huán)的措施對(duì)套管進(jìn)行分段，避免過(guò)大的推力對(duì)套管本身造成破壞。

3.2 單管長(zhǎng)度

單管長(zhǎng)度將決定管道接口的數(shù)量，過(guò)多的接口數(shù)量將會(huì)降低管道的平順性，無(wú)論是對(duì)芯管的推進(jìn)還是套管本身整體的平順都會(huì)造成一定的影響。

目前，在燃?xì)夤艿拦こ讨袕V泛運(yùn)用的鋼筋混凝土管一般為2 m/根，鋼套管一般為10～12 m /根，鋼管廠能夠根據(jù)客戶需求對(duì)在頂管工程中所使用的鋼套管長(zhǎng)度進(jìn)行定制。在城鎮(zhèn)燃?xì)夤こ讨校敼苤胁捎玫匿撎坠芗靶竟芏酁?～6 m/根。

3.3 連接方式

鋼筋混凝土套管按管道接頭型式的不同，又可分為平口式管、承插式管和企口式管，具有連接便捷、施工難度低和施工周期短的特點(diǎn)。鋼套管的連接方式為焊接。

3.4 防腐性

作為埋地管道，防腐性能是影響管道使用壽命的一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)。

混凝土的材料特點(diǎn)即是具有極優(yōu)的防腐性能，當(dāng)采用鋼筋混凝土套管時(shí)，可不考慮套管的防腐措施。而采用鋼套管時(shí)，情況則完全相反。當(dāng)鋼管敷設(shè)于土壤中時(shí)，極易與土壤發(fā)生氧化反應(yīng)，也就是腐蝕，所以必須采取防腐措施。但因鋼套管在頂進(jìn)過(guò)程中會(huì)與土壤產(chǎn)生劇烈摩擦，無(wú)法在鋼套管外壁采用如其他埋地鋼管所包覆的 3PE等防腐層。目前，對(duì)鋼套管常用的防腐措施為設(shè)置犧牲陽(yáng)極保護(hù)包，以此來(lái)減緩鋼管套的氧化速度。即使如此，在大量燃?xì)夤艿拦こ掏懂a(chǎn)后的運(yùn)行過(guò)程中還是會(huì)發(fā)生鋼套管被腐蝕破壞的情況。

3.5 防水性

首先，從套管本身材質(zhì)來(lái)說(shuō)，鋼套管相比鋼筋混凝土套管具有更好的緊密性，在不考慮連接及兩端封口的前提下，鋼套管的材料特性能夠完全隔離外部水分，而鋼筋混凝土套管則往往會(huì)發(fā)生滲水的情況。

其次，從管道連接方式來(lái)說(shuō)，鋼管的焊接也比鋼筋混凈土管道的連接方式具有更好的防水性能。

但是考慮到埋地敷設(shè)這兩種材質(zhì)管道的腐蝕情況，鋼套管比鋼筋混凝土套管更容易發(fā)生腐蝕破壞，而一旦鋼套管被腐蝕穿透，上述的所有防水優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在，反而會(huì)成為其的劣勢(shì)。

工程實(shí)踐中，需要總體考慮以上兩種材質(zhì)的防水性。在竣工后較短的時(shí)間內(nèi)，鋼套管的防水性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋混凝土套管；而隨著時(shí)間的推移，鋼套管的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)則會(huì)逐漸減弱直至消逝。

綜上所述，鋼套管和鋼筋混凝土套管各自的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 鋼套管和鋼筋混凝土套管性能

通過(guò)對(duì)比可以看出，鋼套管及鋼筋混凝土套管各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程中需通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料、頂管深度、頂管長(zhǎng)度、工作井及接收井大小尺寸、施工作業(yè)場(chǎng)地條件等因素進(jìn)行綜合考慮后決定所采用的套管管材。

4 管道上方載荷計(jì)算

作用在管道上方的荷載，按性質(zhì)可以分為永久作用荷載和臨時(shí)作用荷載。永久作用荷載按照回填后管道上方的土體自重分布到管道上的豎向土壓進(jìn)行考慮，臨時(shí)作用荷載按照車(chē)輛傳遞到管道上方的荷載進(jìn)行考慮。

以 DN500管道為例來(lái)進(jìn)行管道上方荷載的計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，管道徑向穩(wěn)定校核應(yīng)符合下列表達(dá)式的要求，當(dāng)管道埋設(shè)較深或外荷載較大時(shí)，應(yīng)按無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)校核其穩(wěn)定性。

式中：△x——鋼管變形量，m；

Z——鋼管變形滯后系數(shù)，取1.5；

K——基床系數(shù)，取0.096；

W——作用在單位管長(zhǎng)上的總的豎向荷載，N/m；

D1——鋼管直徑，m；

E——鋼管彈性模量，取2.05×105MPa；

ES——土壤的變形模量，取3.8 MN/m2；

Fsv,k——單位管長(zhǎng)上的永久豎向荷載，取豎向土壓荷載；

qvk——地面可變荷載傳遞到管道上的荷載；

I——鋼管的慣性矩；

δn——鋼管的壁厚，m。

對(duì)開(kāi)槽的管道，管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

式中：Cd——開(kāi)槽施工土壓力系數(shù),一般取1.2計(jì)算；

rs——回填土的重量密度，kN/m3；

Hs——管頂?shù)皆O(shè)計(jì)地面的覆土高度，m；

Bc——管道的外緣寬度，m。圓管時(shí)以管道外徑代替。

地面車(chē)輛荷載傳遞到埋地管道上的豎向壓力值，可按下列方法確定：

（1）單個(gè)輪壓傳遞到管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

式中：μd——?jiǎng)恿ο禂?shù)，見(jiàn)表2；

H——車(chē)行地面至管頂?shù)母餐梁穸龋琺；

Qvi,k——i個(gè)車(chē)輛承擔(dān)的單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值，KN；

ai——i個(gè)車(chē)輪的著地分布長(zhǎng)度，m；

bi——i個(gè)車(chē)輪的著地分布寬度，m。

表2 動(dòng)力系數(shù)μd值

（2）多排輪壓綜合影響傳遞到管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式計(jì)算：

式中：ma——沿車(chē)輪著地分布寬度方向的車(chē)輪排數(shù)；

mb——沿車(chē)輪著地分布長(zhǎng)度方向的車(chē)輪排數(shù)；

daj——沿車(chē)輪著地分布寬度方向，相鄰兩個(gè)車(chē)輪間的凈距，m；

dbj——沿車(chē)輪著地分布長(zhǎng)度方向，相鄰兩個(gè)車(chē)輪間的凈距，m。

按回填后管道上方土體的不同厚度，車(chē)輛按照55 t進(jìn)行計(jì)算，可得管道變形量，如表3所示。

表3 管道變形量值

按照設(shè)計(jì)規(guī)范，管道的變形量應(yīng)小于0.03倍的鋼管外徑，即△x≤0.03D。常規(guī)使用的鋼管外徑D為508 mm，代入該公式計(jì)算后得出允許的變形量為0.015 2 m。對(duì)照表3中的變形量值，得出當(dāng)回填后管道上方覆土厚度≥1.8 m時(shí)，車(chē)輛荷載及土壤荷載傳遞到管道而導(dǎo)致管道產(chǎn)生的變形量滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的天然氣管道工程中，一般在管道敷設(shè)于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方以及采用頂管穿越施工工藝時(shí)都會(huì)涉及到套管的使用。

如遇管道敷設(shè)于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方時(shí)加設(shè)套管，建議加深管道埋深來(lái)減小作用在管道上方的載荷。通過(guò)前文的計(jì)算，并考慮推廣到各管徑的管道、預(yù)留一定的安全系數(shù)以及規(guī)劃道路將來(lái)實(shí)施的可行性，建議此種情況取消使用套管，并將管道上方覆土加深至不小于2.3 m。

對(duì)于頂管穿越時(shí)加設(shè)套管的情況，由于頂管工藝中套管的不可替代性，建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少頂管的設(shè)計(jì)，在必須采用頂管時(shí)應(yīng)根據(jù)土壤腐蝕性來(lái)考慮選取的套管材質(zhì)。原則上對(duì)于長(zhǎng)度小于等于100 m的頂管，采用鋼筋混凝土套管；對(duì)于長(zhǎng)度大于100 m的頂管，采用鋼套管。同時(shí)采取設(shè)置絕緣支架等措施避免套管與芯管發(fā)生金屬短路，并對(duì)套管與芯管之間的空間進(jìn)行填充，填充材質(zhì)可采用不含腐蝕性的介質(zhì)使套管與芯管之間電氣隔離，使得芯管即使存在防腐層漏點(diǎn)也不會(huì)發(fā)生腐蝕，或充滿與土壤性能類似的電解質(zhì)使外部陰極保護(hù)電流能夠產(chǎn)生效果。