石油化工項目給排水地下管網設計及施工研究

梁帥，陳家平，張雪巖

（中國建筑第二工程局有限公司，北京100071）

1 引言

給排水地下管網施工建設是石油化工生產中的必要環節，起到維護連續性生產，確保廠區環境安全的作用。 由于大部分排水管線埋設在地下，存在火災、爆炸等安全隱患，因此，本次研究在進行管網設計時，重點探討生產需求和消防需求，通過文獻調查、 案例分析等方法展開對石油化工項目給排水地下管網的設計，致力于實現全方位、標準化施工，力爭技術先進、符合環保指標、安全可靠。

2 項目簡介

某石油化工項目全長占地面積310 hm2，整體地勢表現為南高北低，最大差約37 m，從南至北1～3 臺階為裝置區，4 臺階甚至污水處理系統，5 臺階設置雨水監控池和消防水池，能夠通過重力實現污水自動處理。 地下管網設計主要包括供水系統、排水系統以及循環水系統。

3 地下給排水管網設計

3.1 設計范圍

石油化工項目給排水地下管網設計范圍：工藝裝置區、輔助生產區、公用工程設施區等界區紅線外區域的地下管網設計。

3.2 設計依據及準備階段

3.2.1 設計依據

本次工程設計主要依據廠區總平面圖布置圖、水平衡圖、氣象資料、豎向布置圖以及相關界區接管與水量范圍等資料，詳細分析石油化工廠區內地下室布局，以及電氣、通信、儀表等應用情況，規定地下施工占地與管道接線走向。

3.2.2 準備階段

從工程整體性角度思考，為避免二次開挖破路，本次工程選擇先建設管網的方案，提前做好以下準備工作。

1）搜集資料。 先與甲方進行溝通并做好數據資料對接，包括給水裝置位置、規模、接口管徑以及水壓等，再提供供水方案。

2）匯總建筑排污情況，根據石油化工廠的地形優勢做好污水和雨水排放模式，減少給排水壓力，降低能耗。

3）考察管線布置情況并大概設計給排水系統位置，與裝置設計部門和業主進行交流確認接管口徑以及水壓等信息，避免造成返修成本。

3.3 系統劃分

石油化工項目廠區的給排水管網包括給水和排水兩種。給水管線包括生產生活用水、消防水、回用水以及循環冷卻水的管線；排水管線包括雨水、生產生活污水以及清凈廢水等管線。根據GB/T 50934—2013《石油化工工程防滲技術規范》，需要重點關注污水管道，做好防污處理，并對管道材質、井滲漏、探傷比等進行科學控制。 本次工程通過難度分析后選擇在管廊上敷設生產污水管道的方案。

3.4 管道敷設原則及布置

3.4.1 管道敷設原則

針對石油化工項目廠區給排水管網的設計需要滿足以下幾點。

1）在進行管網平面布置時應當結合地形起伏情況提升管網設計環保性，綜合思考工程地質、管道材質、給排水負荷以及管道材質等條件。 管道布設還應做好主次區分，主管不可靠近水負荷大的裝置。

2）設計方面考慮分期建設，技術方面考慮水壓和水量，力求短距離建設降低成本。

3）豎向管道交叉部分秉持“小管讓大管、支管讓干管”的原則，且管道間凈距離控制在0.1 m 以上。

4）布設過程中需預留一定維修空間。

5）地下管網布設盡可能與廠區綠化帶位置一致，保證上下協調。

3.4.2 管道布置

根據SH 3034—2012 《石油化工給水排水管道設計規范》（以下簡稱《規范》）中內容規定，需要將管道敷設在道路兩側，交叉部分保證小管避讓大管， 壓力管避讓重力管。 根據GB 501610—2008《石油化工企業設計防火規范》（以下簡稱《防火規范》） 中要求在設計地下管網消防管道時采用環形布設方式，并保證管道與路邊距離2 m。 石油化工工廠內工程區部分消火栓間距控制在120 m 以內； 工藝裝置與罐區消火栓間距控制在60 m 以內，針對存儲罐、可燃氣體罐群以及設備群等，需要額外設置消防水炮。 循環水、生產生活給水、廢水需要連接不同接管點，線路以支狀布置。 針對DN800 以上的管徑管道設置檢修入孔，間距控制在500 m 以內，具體如圖1 所示[1]。雨水管道設置與穩高壓消防水管對應，與路邊間距2 m。 雨水管道設計在裝置接點位置，呈支狀分布，按照廠區位置的地勢情況，將雨水總管安裝在第4 臺階，再接入雨水控制池。 根據道路情況設置雨水口，間距控制在25～45 m，雨水口管長在25 m 以內。 針對生活污水和廢水的處理可采用回用單元，呈支狀布置管線。

圖1 循環水系統（單位：mm）

3.5 管徑設置

3.5.1 雨水管道管徑設計

為降低能耗，雨水排水管主要依靠重力流，此類管道需要利用石油化工廠區的地勢設計坡度，需要注意的是，重力流管道需要遠離道路并增加埋深。 石油化工工廠地下管線中雨水收集管道主要收集消防水、雨水以及界區紅線外的雨水，其中雨水和消防水量以廠區內裝置承載量為主， 界區紅線外則根據小匯水面積暴雨徑流公式計算：

式中，Q 為雨水設計流量，L/s；φ 為徑流系數，為徑流量與降雨量的比值，φ＜1；q 為設計暴雨強度，為L/（s·hm2）；F 為匯水面積，hm2。

3.5.2 循環水、生產生活給水以及回用水管道的管徑

此類管道管徑需要按照石油化工工廠水平衡安裝壓力裝置的要求而定， 管徑需要保證經濟流速， 根據Q/SH 0700—2008《給排水、消防管道配管設計規定》（以下簡稱《規定》）中的內容進行設計，詳見表1。

表1 壓力流管道管徑

3.5.3 穩高壓消防水管管徑設計

本次所研究的石油化工工廠占地面積為310 hm2，根據我國相關規定，廠區內罐區液化烴罐組消防水量為490 L/s，工藝裝置區為450 L/s，因此，消防水主管需按940 L/s 計算管徑，做好接管點壓力與經濟流速控制。

3.5.4 其余排水管道管徑設計

重力流管道布設應根據廠區道路坡度走向、 位置來確認排水管設計的走向，并注意相鄰管位置。 石油化工部分污水處理管道內存在有毒物質或易燃易爆風險，需要設置水封井，同時避免管線交叉碰撞。 排水管道設計需要結合水平衡圖，明確設計滿度和坡度，結合最大排水量進行計算，可參考《規定》，本次研究重點分析重力流管道設計， 其中排水管道排流計算采用式（2）計算：Q排=AV （2）式中，Q排為排水管道設計流量，m3/s；A 為水流斷面面積，m2；V為流速，m/s。

流速計算：

式中，R 為水力半徑，m；I 為水力降坡；m 為粗糙系數。

重力流管最小設計流速需要根據水管性質來設置，污水重力流管管道設計與雨水、 河流管的滿度下流速分別為0.6 m/s和0.75 m/s。 以最大設計充滿度為前提的管徑如表2 所示。

表2 最大設計充滿度

3.6 閥門設計

根據《規定》中對管道閥門設置的要求，需要對壓力管道的隆起部分和平直部分設置排氣閥，低點處設置泄水閥。 石油化工給排水地下管網設計可利用廠區地勢臺階高差完成排水行為，匯聚到雨水檢查井內[2]。 在設計泄水閥閥徑時應根據生活生產給水、循環水以及消防水管道的長度、管徑以及檢修時間進行計算。 本次工程所用的排氣閥安裝圖如圖2 所示，泄水閥安裝圖如圖3 所示。 消防水管道在石油化工地下給排水管網結構中為環形，為方便檢修，需要將環狀管道進行獨立管劃分，應用切斷閥，保證管道上消火栓數量在5 個以內，加強裝置接點處控制。 針對生產生活給水、循環水等管道，設計時需要滿足方便檢修這一條件，進口處設置切斷閥。

圖2 排氣閥剖面

圖3 泄水閥剖面

3.7 管道埋深

3.7.1 給水管埋深

生產生活給水和回用水管敷設需要滿足冰凍線要求，本次石油化工項目地下建設區域冰凍層深度1.2 m，在設計過程中需要將管道設置在冰凍層以下， 管道施工還需思考檢修難度和排氣閥設計難度[3]。相比之下，循環水不需要考慮冰凍線。穩高壓消防水管線設計也應在冰凍線以下，同時，還需設計檢修入孔、室外消火栓以及切斷閥。 針對消防水主管室外消火栓的安裝，根據本次工程施工數據，從冰凍線以下依次為支管法蘭、消防水干管、排氣閥、卵石，冰凍層以上依次為自卸水口、卵石（粒徑20～30 mm）、室外設計地坪、室外消火栓。

3.7.2 排水管埋深

冰凍線對雨水管道埋深的影響不大， 但本次石油化工項目地下網管工作在地上工程施工前建設， 需要考慮重型機械的破壞。因此，管道敷設后上土層厚度控制在0.7 m 以上，生產生活污水與清凈廢水排放管道敷設在冰凍線上方0.15 m 處，地上施工工作開展時， 需要在地表機械行動區域鋪設鋼板進行緩沖，降低對地下管道的傷害。

4 管道與井的保護措施

若在建設過程中存在管道或井過于密集的問題， 可根據情況建設雙聯井， 共用井壁但執行各自功能。 石油化工項目給排水地下管網的設計與施工應注意水封井設計， 降低事故影響。針對井材質的選擇，需要用鋼筋混凝土結構并安裝閥門井和泄水井，按照《規范》中的內容，井壁厚度控制在200 mm以上，混凝土強度等級在C30 以上，并在外壁涂抹環氧瀝青300 μm 用于外壁防腐。 管道保護措施主要包括鋼管連接、法蘭連接、 管道防腐。 其中， 管道防腐工作參考GB 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》中的內容。 地下敷設管線防腐工作用3 層聚乙烯、溶結環氧粉末等涂抹，或用PR 膠粘帶，厚度控制在1.6 mm。

5 結語

為降低石油化工項目給排水地下管網建設風險， 從給排水地下管網設計開始應加強平面圖等資料的收集， 做好生產區、設施區等各區給水、排水管線劃分的同時，明確工程建設難點。 工程采取在管廊上敷設生產污水管等方案，實現地下消防管網的環形布置，采用回用單元處理工業污廢水，并實現管線支狀布置，保證管網布置的科學性、合理性。 在方案實施階段，結合道路坡度、位置等確定管道走向，通過計算匯水面積暴雨徑流、最大排水量等參數完成各種管道管徑設計，并根據地勢條件等確定排氣閥和泄水閥位置。 在地下管網施工方面，則根據冰凍線和機械破壞問題確定管道埋深， 通過建設雙聯井等措施加強管網保護，保證管網可靠運行。