1引言北京市引進陜甘寧天然氣市內工程中公路一環Dn700天然氣管線的設計壓力已達2．5MPa。超高壓燃氣管道設計(>1．6MPa)，不同于一般的高壓燃氣管道設計?！冻擎側細庠O計規范》規定，敷設設計壓力大于1．6MPa的燃氣管道時，其設計應按現行的《輸氣管道工程設計規范》執行。而《輸氣管道工程設計規范》以油、氣田至目的地的長輸管線為主要對象，其中涉及到的廠站也以油、氣田廠、站建設為主，不適用于城鎮燃氣輸配系統中的管線和廠、站建設。那么在城鎮敷設超高壓燃氣管道時，其設計應如何執行《城鎮燃氣設計規范》及《輸氣管道工程設計規范》并將它們有機地結合起來就成為一個現實問題。隨著國內天然氣事業的發展，城鎮天然氣輸配系統的設計規模也越來越大，為了保證項目的經濟性和可實施性，勢必要提高輸配系統的設計壓力。目前，北京市由我院設計并已經敷設的超高壓天然氣管線已接近200Km，還有幾十公里的超高壓管線正在敷設之中。下面結合我院所做的公路一環Dn700天然氣管線工程的設計和實施情況，就城鎮超高壓天然氣管線工程設計中的幾個重點問題進行研究和總結，以利于更進一步提高工程的設計質量。2工程概況北京市引進陜甘寧天然氣市內工程是陜甘寧盆地天然氣外輸工程中規模最大的下游工程，也是當前國內規模最大的城市天然氣輸配工程。工程主要內容包括一座城市門站、三座儲配站、五座調壓站、200多公里輸配干線、一套輸配調度自動化系統及生產配套設施等。該工程在1991年至1994年中完成了項目的預可行性研究和可行性研究，1994年開始十個子項目的初步設計，1995年開始各子項目的施工圖設計。為籌措資金北京市政府在1993年將本項目列為“北京環境改善項目”中的一個子項目而申請亞洲開發銀行貸款，并于1994年初通過亞洲開發銀行的審查。高壓管線工程(第三子項)是陜甘寧天然氣進京工程下游工程中的主體工程之一。超高壓天然氣管線基本沿公路一環敷設，長45Km，管徑Dn700，設計壓力2．5MPa。工程沿線穿越鐵路5處，地鐵l處，現狀及規劃立交11處，河流15處，穿石山坡一處。工程總投資(含部分1．OMPa管線及配套工程)64069萬元人民幣(其中美元124．96萬美元)，其中工程費21821萬元人民幣。3問題研究(1) 設計規范的選用及設計原則公路一環天然氣管線工程設計壓力為2．5MPa，已超出《城鎮燃氣設計規范》中高壓A級管道1．6MPa輸送壓力范圍。依照《城鎮燃氣設計規范》規定，應采用現行《輸氣管道工程設計規范》?！遁敋夤艿拦こ淘O計規范》以控制管道自身的安全性為原則，與《城鎮燃氣設計規范》的安全性原則不完全一致。但兩本設計規范的條文說明都指出，長期的實踐經驗及燃氣管道漏氣引起的爆炸和中毒事故的統計資料表明，燃氣事故的發生在一定范圍內并不與燃氣管道與建筑物的距離有必然聯系。加大管道與建筑的距離并不能完全避免事故的發生，相反會增加設計時管位選擇的困難或使工程費用增加。因此，《城鎮燃氣設計規范》中所規定的地下燃氣管道與建、構筑物之間的水平凈距是考慮了施工和檢修間距并適當考慮燃氣輸送壓力的影響，規范的修編也傾向于減弱考慮燃氣輸送壓力的影響。[!--empirenews.page--]《輸氣管道工程設計規范》是以為城市輸送燃氣的長輸干線為主要對象。該規范以提高管道自身的強度安全作為輸氣管道的設計原則，參照美國國家標準ANSIB31．8，采用地區等級劃分確定強度設計系數，再進行管道強度計算，管道與建、構筑物之間的水平凈距在規范中并沒有具體規定。設計中具體體現在以不同地區等級，采用不同的強度設計系數，進行管道強度計，來保證管道周圍建構筑物的安全。地區等級是以沿管道中心線兩側各200米范圍內，任意劃分成長度為2km的若干地段，按劃定地段內的戶數確定的。一級地區：戶數在15戶或以下的區段；二級地區：戶數在15戶以上、100戶以下的區段：三級地區：戶數在100戶或以上的區段，包括市郊居住區、商業區、工業區、發展區以及不夠四級地區條件的人口稠密區；四級地區：系指四層及四層以上樓房(不計地下室層數)普遍集中、交通頻繁、地下設施多的地段。城鎮供氣區一般應為四級地區。各級地區強度設計系數見下表。地區等級強度設計系數(F) 一級地區0．72二級地區0．6三級地區0．5四級地區0．4城鎮燃氣輸配系統既要保證系統的整體合理性，還應滿足相應設計規范的要求。《輸氣管道工程設計規范》中雖然未確定管道與建、構筑物之間的水平凈距，但并不等于不需要凈距，最起碼應考慮施工和檢修間距。同時，高一級壓力的管道總不應比低一級壓力的管道距建、構筑物更近，應考慮燃氣輸送壓力的影響。因此，在與規劃、消防及上級主管部門充分醞釀、討論的基礎上，我院決定采用《輸氣管道工程設計規范》“以控制管道自身的安全性為原則”的原則進行管道強度計算，為保證規范執行的連續性，線路選擇則按照《城鎮燃氣設計規范》5．3．2條高壓A級管道與建、構筑物之間6米的水平凈距的規定進行。這樣，兩本規范并用，不僅為在城區選擇超高壓天然氣管線路由提供了可行性，而且，采用“以控制管道自身的安全性為原則”的原則，從設計上也保證了在城區敷設超高壓管線的安全可靠性。同時，開創了在城區敷設超高壓天然氣管線的先例，為今后同類型的工程設計樹立了典范。(2)管材的選取①管道強度計算在進行超高壓燃氣管道設計時，因管線與其它建、構筑物水平凈距的確定始終是以強調管道自身的安全性為前提的，因此在進行壓力大于1．6MPa的燃氣管道設計時，必須對管道、彎頭、彎管的壁厚進行計算。根據《輸氣管道工程設計規范》5．1．2條規定，管道強度計算采用如下公式：　　　　　　　PD　　δ= ----　　　　　　　2σsψFt式中： δ---鋼管計算壁厚(cm)；　　　　P ---設計壓力(MPa)；　　　　D ---鋼管外徑(cm)；　　　　σs --鋼管的最小屈服強度(MPa)；　　　　F---強度設計系數；　　　　ψ---焊縫系數；　　　　t---溫度折減系數；當溫度小于120℃時，t值取1.0。在以往的燃氣管道強度計算時，由于制管水平、施工焊接等缺乏嚴格的要求，在計算中要考慮一個小于1的焊接系數以確保輸氣安全，這實際上就增加了管道工程的鋼材用量。當前，我國制管技術已有較大的提高，新的鋼管標準如《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼[!--empirenews.page--][1][2][3][4][5]下一頁?????????????????? 管》，是參照美國APISpec 5L的標準制定的，技術要求基本一致。在《輸氣管道工程設計規范》中對管道的施工、焊接和檢驗也提出了嚴格的要求，以確保管道的安全運行。故在進行管道的強度計算時，不再考慮由于焊接所降低鋼材的設計應力，規定焊接系數為1。另外，《輸氣管道工程設計規范》中規定在進行管道強度計算時，不考慮增加管壁的腐蝕裕量。這是因為規范中明確提出了輸氣管道防腐設計必須符合國家現行標準《鋼質管道及儲罐防腐蝕工程設計規范》和《埋地鋼質管道強制電流陰極保護設計規范》的有關規定。而這兩本規范是根據國內外的實踐經驗制定的，規范中提出了防止管道外腐蝕的有效辦法。在輸送滿足規范要求的天然氣時，管子內壁一般不會產生腐蝕。同時，由于工程造價、金屬耗量等經濟原因，一般不允許采用增加腐蝕裕量的方法來解決管壁內腐蝕問題。因此，管道采取防腐措施后，確定管壁厚度時可不考慮腐蝕裕量。對幾種常用管材進行計算，結果如下表：? Q235B20號鋼SM41BX4216MnX52最小屈服強度(MPa) ≥235≥245≥245≥290≥340≥358設計壓力 (Mpa) 2.52.52.52.52.52.5鋼管計算壁厚DN7000．9570．9180．9180．7760．6620．628(cm)DN5000．7030．6750．6750．5700．4860．462 DN4000．5660．5430．5430．46l0．3930．372 DN3000．4320．4150．4150．3500．2990．284注：表中鋼管計算壁厚值均是以ψ、t為1，F為0．4情況下得出的。在對管道進行強度計算的同時，燃氣管道的壁厚還不得小于最小公稱管壁厚度。在承受內壓較小時計算的壁厚可能很小，為滿足運輸、吊裝鋪管和修理的要求，還應根據各種荷載條件下予以????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 校核。一般認為D/δ>140時，才會在正常的運輸、敷設、埋管情況下出現圓截面的失穩。下表列出幾種常用管徑的最小公稱壁厚。最小公稱壁厚鋼管公稱直徑(mm)公稱壁厚(mm)DN3004.5DN350 DN400 DN4505.0DN500 DN5506.0DN600 DN650 DN7006.5綜上所述對于管道壁厚的確定，除了對管道強度計算的同時，還要滿足最小公稱管壁厚度，此外還要適當考慮在制管、運輸、施工過程中人員的素質、目前的管理水平等因素可能對管道造成的損傷，適當增大管道管壁厚度。②管材選擇原則★ 技術原則根據《輸氣管道工程設計規范》，所選用鋼管應符合國家現行標準《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》等的有關規定，若選用標準以外的管材，其材質應是鎮靜鋼，并應滿足下列基本要求：　　--屈服強度與抗拉強度之比不應大于0．85；　　--含碳量不應大于0．25％，碳當量不應大于0．45％；　　--材料熔煉分析含硫量不應大于0．035％；含磷量不應大于0．04％?！?經濟原則對于相同管徑的管材，其運輸及施工費用基本相同，焊接材料的價格對工程投資的影響較小，經濟性方面僅考慮管材價格因素。[!--empirenews.page--]★ 施工和運行管理原則管材的選取應有利于管材定貨、施工焊接、帶氣接線、事故搶修和運行管理等方面。⑧管材確定根據以上選材原則及管道強度計算，既滿足技術標準，又方便施工和運行管理，并且兼顧經濟性，DN700管道幾種常用材質分析對比如下表： 管材材質Q235BSM41BX4216Mn管材單價A(元／t)4070413041304300施焊要求低中中高設計預選壁厚(cm)1.030.950.790.79單長管重B(Kg／m)177.98164.34136.97136.97A／1000*B (元／m)724.4678.7565.7589.0注：1．壁厚系列采用APISpec 5L標準系列。2．確定設計預選壁厚時，計算壁厚向上靠至最小普通重量級管線管壁厚。3．表中單價為本工程初設階段某管廠按SY5036-83提供管材的出廠報價，按APl標準提供管材時，每噸增加1000～1500元。運雜費另增10％。從以上管材的對比分析可以看出，針對DN700鋼管，選擇最小屈服強度低的管材，則管壁較厚，不但增加了管材重量和費用，而且為運輸和施工也帶來許多不便：如果選擇最小屈服強度更高的管材，可以減小壁厚，但受最小公稱壁厚及施工因素的限制，設計壁厚要大計算壁厚較多，高強度管材的單價又高于低強度管材，勢必造成管材強度的浪費和費用的提高，而且，高強度管材在施工焊接等方面也有更高的要求。因此，DN700管線選用X42是最佳方案。同樣，其它管徑管材的選取也可以通過上述對比分析方法來確定。④小結本工程首次在國內城鎮燃氣輸配系統中采用APISpec 5LX42管材。該管材的選用是在原北京市天然氣公司提供的四種保證貨源的管材的基礎上，經過技術分析、經濟對比并考慮管材購置、焊接質量、方便施工和運行管理等多種因素優選的結果。選用較高強度的管材，既解決了城鎮超高壓天然氣管道的管材選擇問題，又節省了工程投資，一舉多得。(3) 防腐和電保護系統超高壓天然氣管線運行壓力高，輸送能力大，一旦出現泄露事故，其危害性也大。因此，確保管線安全可靠運行是一個基本的設計原則。而《輸氣管道工程設計規范》對于確保管道的安全可靠運行是建立在嚴把管材質量關、防蝕質量關和嚴把管道的施工、焊接和檢驗質量關的基礎之上的。所以，管道的防腐方案和防腐質量是確保管道工程質量和管道安全可靠運行的關鍵因素之一。埋地管道采用外防腐層與電法保護是延長管道運行壽命、減少管道運行故障的有效手段。七十年代初，自美國首次立法開始，一些國家相繼立法，規定埋地管道必須采用防腐涂層與陰極保護的雙重保護措施。防腐涂層是對埋地管道外壁的面保護，主要是針對均勻腐蝕而言，陰極保護則主要以點保護為主，是針對防腐涂層的漏損處。一條管道，可能由于一個點蝕而造成整條管道癱瘓而不能正常運行。近十多年來，國內對埋地管道的雙重保護問題日漸重視，各地就埋地管道的腐蝕與防護問題多次召開各種專題研討會，并對管道進行陰極保護的必要性和可行性進行了深入細致的研討。本高壓管線工程的管道保護方案即采用單層熔結環氧粉末噴涂外防腐和犧牲陽極法陰極保護的雙重保護技術。①外防腐近十年來北京市埋地燃氣管道采用的外防腐層主要包括以下幾種：[!--empirenews.page--]a) 石油瀝青+玻璃布b) 環氧煤瀝青+玻璃布c) 塑化瀝青防蝕帶d) 無機富鋅+環氧煤瀝青+玻璃布e) 環氧粉末噴涂(+聚乙烯粘膠帶)石油瀝青、環氧煤瀝青及塑化瀝青防蝕帶主要用于城區中壓干線及小區中低壓燃氣管道的防腐。環氧煤瀝青在防止細菌腐蝕和植物根系方面比石油瀝青性能優越，對環境污染也較小，使用較普遍。但由于操作溫度和固化時間的限制，冬季施工困難較多。