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城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程設(shè)計中幾個重點問題的研究
1引言
北京市引進陜甘寧天然氣市內(nèi)工程中公路一環(huán)Dn700天然氣管線的設(shè)計壓力已達2．5MPa。超高壓燃氣管道設(shè)計(>1．6MPa)，不同于一般的高壓燃氣管道設(shè)計。《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，敷設(shè)設(shè)計壓力大于1．6MPa的燃氣管道時，其設(shè)計應(yīng)按現(xiàn)行的《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行。而《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)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(shè)為主，不適用于城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)中的管線和廠、站建設(shè)。那么在城鎮(zhèn)敷設(shè)超高壓燃氣管道時，其設(shè)計應(yīng)如何執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》及《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》并將它們有機地結(jié)合起來就成為一個現(xiàn)實問題。隨著國內(nèi)天然氣事業(yè)的發(fā)展，城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模也越來越大，為了保證項目的經(jīng)濟性和可實施性，勢必要提高輸配系統(tǒng)的設(shè)計壓力。目前，北京市由我院設(shè)計并已經(jīng)敷設(shè)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(shè)之中。下面結(jié)合我院所做的公路一環(huán)Dn700天然氣管線工程的設(shè)計和實施情況，就城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程設(shè)計中的幾個重點問題進行研究和總結(jié)，以利于更進一步提高工程的設(shè)計質(zhì)量。
2工程概況
北京市引進陜甘寧天然氣市內(nèi)工程是陜甘寧盆地天然氣外輸工程中規(guī)模最大的下游工程，也是當(dāng)前國內(nèi)規(guī)模最大的城市天然氣輸配工程。工程主要內(nèi)容包括一座城市門站、三座儲配站、五座調(diào)壓站、200多公里輸配干線、一套輸配調(diào)度自動化系統(tǒng)及生產(chǎn)配套設(shè)施等。該工程在1991年至1994年中完成了項目的預(yù)可行性研究和可行性研究，1994年開始十個子項目的初步設(shè)計，1995年開始各子項目的施工圖設(shè)計。為籌措資金北京市政府在1993年將本項目列為“北京環(huán)境改善項目”中的一個子項目而申請亞洲開發(fā)銀行貸款，并于1994年初通過亞洲開發(fā)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(huán)敷設(shè)，長45Km，管徑Dn700，設(shè)計壓力2．5MPa。工程沿線穿越鐵路5處，地鐵l處，現(xiàn)狀及規(guī)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(shè)計規(guī)范的選用及設(shè)計原則
公路一環(huán)天然氣管線工程設(shè)計壓力為2．5MPa，已超出《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》中高壓A級管道1．6MPa輸送壓力范圍。依照《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)采用現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》。《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》以控制管道自身的安全性為原則，與《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》的安全性原則不完全一致。但兩本設(shè)計規(guī)范的條文說明都指出，長期的實踐經(jīng)驗及燃氣管道漏氣引起的爆炸和中毒事故的統(tǒng)計資料表明，燃氣事故的發(fā)生在一定范圍內(nèi)并不與燃氣管道與建筑物的距離有必然聯(lián)系。加大管道與建筑的距離并不能完全避免事故的發(fā)生，相反會增加設(shè)計時管位選擇的困難或使工程費用增加。因此，《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的地下燃氣管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距是考慮了施工和檢修間距并適當(dāng)考慮燃氣輸送壓力的影響，規(guī)范的修編也傾向于減弱考慮燃氣輸送壓力的影響。
《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》是以為城市輸送燃氣的長輸干線為主要對象。該規(guī)范以提高管道自身的強度安全作為輸氣管道的設(shè)計原則，參照美國國家標(biāo)準ANSIB31．8，采用地區(qū)等級劃分確定強度設(shè)計系數(shù)，再進行管道強度計算，管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距在規(guī)范中并沒有具體規(guī)定。設(shè)計中具體體現(xiàn)在以不同地區(qū)等級，采用不同的強度設(shè)計系數(shù)，進行管道強度計，來保證管道周圍建構(gòu)筑物的安全。地區(qū)等級是以沿管道中心線兩側(cè)各200米范圍內(nèi)，任意劃分成長度為2km的若干地段，按劃定地段內(nèi)的戶數(shù)確定的。
一級地區(qū)：戶數(shù)在15戶或以下的區(qū)段；
二級地區(qū)：戶數(shù)在15戶以上、100戶以下的區(qū)段：
三級地區(qū)：戶數(shù)在100戶或以上的區(qū)段，包括市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、發(fā)展區(qū)以及不夠四級地區(qū)條件的人口稠密區(qū)；
四級地區(qū)：系指四層及四層以上樓房(不計地下室層數(shù))普遍集中、交通頻繁、地下設(shè)施多的地段。城鎮(zhèn)供氣區(qū)一般應(yīng)為四級地區(qū)。
各級地區(qū)強度設(shè)計系數(shù)見下表。
地區(qū)等級 強度設(shè)計系數(shù)(F) 一級地區(qū) 0．72 二級地區(qū) 0．6 三級地區(qū) 0．5 四級地區(qū) 0．4城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)既要保證系統(tǒng)的整體合理性，還應(yīng)滿足相應(yīng)設(shè)計規(guī)范的要求�！遁敋夤艿拦こ淘O(shè)計規(guī)范》中雖然未確定管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距，但并不等于不需要凈距，最起碼應(yīng)考慮施工和檢修間距。同時，高一級壓力的管道總不應(yīng)比低一級壓力的管道距建、構(gòu)筑物更近，應(yīng)考慮燃氣輸送壓力的影響。因此，在與規(guī)劃、消防及上級主管部門充分醞釀、討論的基礎(chǔ)上，我院決定采用《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)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(guī)范執(zhí)行的連續(xù)性，線路選擇則按照《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》5．3．2條高壓A級管道與建、構(gòu)筑物之間6米的水平凈距的規(guī)定進行。這樣，兩本規(guī)范并用，不僅為在城區(qū)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(shè)計上也保證了在城區(qū)敷設(shè)超高壓管線的安全可靠性。同時，開創(chuàng)了在城區(qū)敷設(shè)超高壓天然氣管線的先例，為今后同類型的工程設(shè)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(shè)計時，因管線與其它建、構(gòu)筑物水平凈距的確定始終是以強調(diào)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(shè)計時，必須對管道、彎頭、彎管的壁厚進行計算。
根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》5．1．2條規(guī)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(shè)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(shè)計系數(shù)；
ψ——-焊縫系數(shù)；
t———溫度折減系數(shù)；當(dāng)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(shù)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(dāng)前，我國制管技術(shù)已有較大的提高，新的鋼管標(biāo)準如《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》，是參照美國APISpec 5L的標(biāo)準制定的，技術(shù)要求基本一致。在《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)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(shè)計應(yīng)力，規(guī)定焊接系數(shù)為1。
另外，《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)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(guī)范中明確提出了輸氣管道防腐設(shè)計必須符合國家現(xiàn)行標(biāo)準《鋼質(zhì)管道及儲罐防腐蝕工程設(shè)計規(guī)范》和《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。而這兩本規(guī)范是根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗制定的，規(guī)范中提出了防止管道外腐蝕的有效辦法。在輸送滿足規(guī)范要求的天然氣時，管子內(nèi)壁一般不會產(chǎn)生腐蝕。同時，由于工程造價、金屬耗量等經(jīng)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(nèi)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(jié)果如下表：
Q235B 20號鋼 SM41B X42 16Mn X52 最小屈服強度(MPa) ≥235 ≥245 ≥245 ≥290 ≥340 ≥358 設(shè)計壓力 (Mpa) 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 鋼管計算壁厚 DN700 0．957 0．918 0．918 0．776 0．662 0．628 (cm) DN500 0．703 0．675 0．675 0．570 0．486 0．462 DN400 0．566 0．543 0．543 0．46l 0．393 0．372 DN300 0．432 0．415 0．415 0．350 0．299 0．284注：表中鋼管計算壁厚值均是以ψ、t為1，F(xiàn)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(nèi)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(yīng)根據(jù)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(shè)、埋管情況下出現(xiàn)圓截面的失穩(wěn)。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) DN300 4.5 DN350 DN400 DN450 5.0 DN500 DN550 6.0 DN600 DN650 DN700 6.5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(dāng)考慮在制管、運輸、施工過程中人員的素質(zhì)、目前的管理水平等因素可能對管道造成的損傷，適當(dāng)增大管道管壁厚度。
②管材選擇原則
★ 技術(shù)原則
根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，所選用鋼管應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》等的有關(guān)規(guī)定，若選用標(biāo)準以外的管材，其材質(zhì)應(yīng)是鎮(zhèn)靜鋼，并應(yīng)滿足下列基本要求：
——屈服強度與抗拉強度之比不應(yīng)大于0．85；
——含碳量不應(yīng)大于0．25％，碳當(dāng)量不應(yīng)大于0．45％；
——材料熔煉分析含硫量不應(yīng)大于0．035％；含磷量不應(yīng)大于0．04％。
★ 經(jīng)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(jīng)濟性方面僅考慮管材價格因素。
★ 施工和運行管理原則
管材的選取應(yīng)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(jù)以上選材原則及管道強度計算，既滿足技術(shù)標(biāo)準，又方便施工和運行管理，并且兼顧經(jīng)濟性，DN700管道幾種常用材質(zhì)分析對比如下表： 管材材質(zhì) Q235B SM41B X42 16Mn 管材單價A(元／t) 4070 4130 4130 4300 施焊要求 低 中 中 高 設(shè)計預(yù)選壁厚(cm) 1.03 0.95 0.79 0.79 單長管重B(Kg／m) 177.98 164.34 136.97 136.97 A／1000*B (元／m) 724.4 678.7 565.7 589.0
注：1．壁厚系列采用APISpec 5L標(biāo)準系列。
2．確定設(shè)計預(yù)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(shè)階段某管廠按SY5036—83提供管材的出廠報價，按APl標(biāo)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(shè)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(jié)
本工程首次在國內(nèi)城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)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(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)分析、經(jīng)濟對比并考慮管材購置、焊接質(zhì)量、方便施工和運行管理等多種因素優(yōu)選的結(jié)果。選用較高強度的管材，既解決了城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的管材選擇問題，又節(jié)省了工程投資，一舉多得。
(3) 防腐和電保護系統(tǒng)
超高壓天然氣管線運行壓力高，輸送能力大，一旦出現(xiàn)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(shè)計原則。而《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》對于確保管道的安全可靠運行是建立在嚴把管材質(zhì)量關(guān)、防蝕質(zhì)量關(guān)和嚴把管道的施工、焊接和檢驗質(zhì)量關(guān)的基礎(chǔ)之上的。所以，管道的防腐方案和防腐質(zhì)量是確保管道工程質(zhì)量和管道安全可靠運行的關(guān)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(guī)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(nèi)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(jié)環(huán)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(shù)。
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：
a) 石油瀝青+玻璃布
b) 環(huán)氧煤瀝青+玻璃布
c) 塑化瀝青防蝕帶
d) 無機富鋅+環(huán)氧煤瀝青+玻璃布
e) 環(huán)氧粉末噴涂(+聚乙烯粘膠帶)
石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青及塑化瀝青防蝕帶主要用于城區(qū)中壓干線及小區(qū)中低壓燃氣管道的防腐。環(huán)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(yōu)越，對環(huán)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。塑化瀝青防蝕帶近幾年才開始在北京市的燃氣管道上使用，且價格偏高，但隨著塑化瀝青防蝕帶的大面積推廣使用，其價格會適當(dāng)降低，而且其施工受環(huán)境溫度影響較小，己成為常用防腐方式的一種。
無機富鋅+環(huán)氧煤瀝青是隨著華北油田進京天然氣復(fù)線工程進入燃氣工程應(yīng)用領(lǐng)域的。主要用于1.0MPa高壓管線。原因是當(dāng)時燃氣管道的陰極保護得到重視，但實施管道陰極保護需要設(shè)置一定數(shù)量的檢測樁，而在城區(qū)交通干道上設(shè)置檢測樁(地上或地下)有一定的難度，并且，基于當(dāng)時工程技術(shù)人員陰極保護理論水平的限制，工程工期又緊，所以采用無機富鋅底漆做為管道雙重保護的一種措施。而且，在當(dāng)時條件下，對采用犧牲陽極或外加電流的陰極保護方案，從運行管理方面能否得到預(yù)期保護效果的疑慮，也是采用無機富鋅底漆的原因之一。實際上，采用無機富鋅做為金屬的防蝕保護措施是有其適用環(huán)境、條件和局限性的，對于埋地管道的長效保護，尤其是做為雙重保護措施，采用無機富鋅并非為一種好的選擇。單層熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐技術(shù)是目前國際上公認的高效防腐方式之一。該技術(shù)九十年代初在北京液化石油氣三油線上首次使用(埋地和架空)，從多年運行情況看效果良好。該防腐方式采用機械化、半自動化流水線作業(yè)，原料及作業(yè)工藝易于控制，有一套完整的管道附件和補口、補傷工藝方案和一套完整的質(zhì)量保障體系，性能指標(biāo)遠優(yōu)于其他常用方式，尤其采用雙重保護時更顯其優(yōu)越性，而且價格適中。
通過慎重分析，并與常規(guī)外防腐方式進行對比和研討，我們決定在本超高壓、大口徑天然氣干線工程設(shè)計中使用這種機械化、工廠化、高質(zhì)量、高速度、中等成本的防腐技術(shù)，同時為保證粉末涂層的噴涂質(zhì)量，環(huán)氧粉末指定采用美國3M公司產(chǎn)品。
選定了一種好的防腐方式并不就等于選擇了好的防腐工程質(zhì)量。每種防腐涂料都有其優(yōu)缺點，但它們有一個共同特點，就是對埋地管道給予保護。而它們對管道的保護效果又取決于從選料至管槽回填的各個工序質(zhì)量。如果在各個階段均按照標(biāo)準、規(guī)范的要求進行，那么無論哪種外防腐層、哪種陰極保護方案，都會對埋地管道起到應(yīng)有的保護作用。相反，不論多么優(yōu)質(zhì)的涂料，多么先進的防腐手段，花費多高的投入，也不能確保對埋地管道起到應(yīng)有的保護作用。只有在各個工序質(zhì)量控制過程中以認真、求實、科學(xué)的工作態(tài)度，嚴格執(zhí)行質(zhì)量標(biāo)準，才能確保防腐工程質(zhì)量。
環(huán)氧粉末噴涂防腐方式中，涂層質(zhì)量的三個關(guān)鍵指標(biāo)就是附著力、厚度和電火花檢測。這三個指標(biāo)也正是我院設(shè)計人員在涂層質(zhì)量跟蹤工作中的重點。在粉末質(zhì)量保證的前提下，涂層的附著力主要取決于鋼管表面的除油、除銹及除塵質(zhì)量和錨紋情況。這與鋼管的原始狀態(tài)，除銹用料的選擇和更換頻度又有直接關(guān)系。環(huán)氧粉末用料的多少則直接決定著該防腐方式的經(jīng)濟性。在涂層設(shè)計厚度確定的前提下，實際涂層薄，達不到設(shè)計要求；實際涂層厚，又造成不必要的浪費。
例如，在管材防腐過程中，曾因環(huán)氧粉末貨運周期與工程周期沖突，指定的美國3M環(huán)氧粉末一時斷貨，為確保工程進度，防腐廠經(jīng)設(shè)計單位及甲方同意臨時調(diào)換了另外一個廠家的環(huán)氧粉末。在工程質(zhì)量巡查過程中，我們加大了對更換環(huán)氧粉末的管材防腐涂層的檢查力度，及時發(fā)現(xiàn)了涂層的附著力問題。經(jīng)過分析討論，認為關(guān)鍵問題之一就是鋼管表面涂有防銹底漆，該問題起初并未引起防腐廠足夠的重視，除油效果不好，同時拋丸除銹用鋼砂又造成連鎖負效應(yīng)，使不帶底漆的鋼管造成污染。由此引起幾十根防腐好的鋼管重新返工。加強鋼管除油工作，又徹底更換了鋼砂之后，附著力問題得到徹底解決。該問題的及時糾正，雖然造成幾十根鋼管重新防腐，但卻減少了工程事故隱患，確保了防腐涂層的質(zhì)量。
再如，由于管材為螺旋縫管，螺旋焊縫根部在拋丸除銹時就不容易達到質(zhì)量要求，進而影響防腐涂層質(zhì)量。我院設(shè)計人員在防腐廠發(fā)現(xiàn)該問題后，及時反饋給工廠技術(shù)人員，改進了鋼砂的選料和配比后，不但圓滿解決了螺旋焊縫根部的除銹問題，而且，新選鋼砂由于使用壽命增加，同時也降低了除銹成本。
還有，如防腐涂層火花檢測標(biāo)準問題，為了嚴格監(jiān)督粉末質(zhì)量、噴涂工藝質(zhì)量、噴涂厚度以及施工過程中人為因素產(chǎn)生的破損問題，在質(zhì)量保證、規(guī)范允許的范圍內(nèi)，通過實踐、總結(jié)、再實踐、再總結(jié)，提出了正常管段5000V、現(xiàn)場補口10000V的火花檢測標(biāo)準，并在后續(xù)同類工程使用至今。
②帶狀鎂陽極的應(yīng)用
本工程首次在城鎮(zhèn)天然氣管道電保護系統(tǒng)設(shè)計中引入了帶狀鎂陽極。由于本工程的重要性，在工程設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，都要精心細致。過去，在頂管穿跨越工程中，由于套管的屏蔽作用，套管內(nèi)的管段除了工藝上采用加厚管壁、提高防腐等級等措施外，在電保護系統(tǒng)設(shè)計上并無更好的措施。另外，在犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)中，陽極的埋設(shè)位置及深度有一定的要求，同時，陽極周圍也應(yīng)有一個較好的導(dǎo)電環(huán)境。在本工程的穿山段，管道是敷設(shè)在采用爆破方式炸出的石頭管槽中的，如果仍舊采用塊狀犧牲陽極陰極保護方式，開挖陽極坑將非常困難，而且由于石頭地質(zhì)的導(dǎo)電環(huán)境較差，管道的陰極保護效果也不會十分理想。為了解決上述兩個問題，我們查閱了大量的工程技術(shù)資料，拜訪了多位學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域的防腐專家及工程技術(shù)人員，并進行了多次技術(shù)調(diào)研和研討，最終選擇了帶狀鎂陽極，并在一些專家的幫助下，進行了敷設(shè)方式和用量的選擇、計算和設(shè)計。從而解決了套管內(nèi)和惡劣工程地質(zhì)環(huán)境中燃氣管道的陰極保護問題。該工程竣工后的測試資料表明，采用帶狀鎂陽極完全達到了設(shè)計初衷，也為同類工程提供了切實可行的參考方案。
③直埋絕緣接頭的選取和布置
絕緣是埋地管道電保護系統(tǒng)中一項常規(guī)且重要的技術(shù)。沒有絕緣，就沒有電保護。過去，陰極保護的電絕緣一般是采用絕緣法蘭。而絕緣法蘭在絕緣性能、日常維護等方面有許多局限性，而且需要砌筑專用維護井。我們通過對國內(nèi)外絕緣裝置的性能、價格、施工和運行管理等方面的分析和比較，認為直埋絕緣接頭絕緣可靠性高、密封性能好、設(shè)計有防爆、防雷擊的放電火花間隙、施工簡單、各種性能均優(yōu)于絕緣法蘭，而且綜合費用低，性能價格比高。因此，我們在國內(nèi)城鎮(zhèn)燃氣系統(tǒng)首次確定和選用了德國大口徑、超高壓、整體直埋絕緣接頭專利產(chǎn)品，代替常規(guī)采用的安裝于地下小室內(nèi)的絕緣法蘭，既提高了天然氣管道的電保護效果，又減少了占地，方便了管道電保護系統(tǒng)的運行管理。自此開始，北京市燃氣系統(tǒng)大量采用直埋絕緣接頭。電保護系統(tǒng)設(shè)計中，絕緣裝置一般布置在管線的起、終點及分支口處。本高壓管線工程中，電保護系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)管道沿線的土壤腐蝕性調(diào)研和地質(zhì)情況，將管道沿線土壤腐蝕環(huán)境分為幾個典型地段，在干線上增設(shè)了多個分段絕緣接頭，把穿山及長距離與河流伴行等特殊地段的管段與其他管段實行電絕緣，以防止不同土壤腐蝕環(huán)境相互影響和由于工程地質(zhì)不同造成的宏觀電池腐蝕。
(4)焊接與檢驗
過去，城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)的設(shè)計壓力最高為0．8Mpa，鋼管管材大多選用碳素鋼，鋼管壁厚也是按照慣用壁厚系列選取，其強度遠高于管道強度計算結(jié)果。焊接工藝屬于常規(guī)工藝，焊縫的檢驗要求也比較低，抽檢比例不低于5％(城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范CJJ33—89中規(guī)定，當(dāng)設(shè)計文件無規(guī)定時，抽檢數(shù)量應(yīng)不少于焊縫總數(shù)的15％)、質(zhì)量不低于Ⅲ級即可，除非設(shè)計文件另有特殊要求。隨著城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)設(shè)計壓力的提高，管材的選用已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，開始采用高強低合金鋼，焊接材料的選用也因管材的改變而改變，燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性要求也更加突出，過去的老一套做法已不再適用。
針對超高壓天然氣管道的焊接要求，《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定，除設(shè)計文件應(yīng)標(biāo)明管道和管道附件母材及焊接材料的規(guī)格、焊縫和焊接接頭型式，提出焊接方法、焊前預(yù)熱、焊后熱處理及焊接檢驗等明確要求外，對施工單位也應(yīng)提出具體要求。施工單位在工程開工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件的要求，進行焊接工藝試驗，并根據(jù)焊接工藝試驗結(jié)果編制焊接工藝說明書。
針對城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)中的管道，應(yīng)按四級地區(qū)考慮，焊縫無損探傷檢驗數(shù)量和質(zhì)量等級為：
用射線照像檢驗時，應(yīng)對每個焊工當(dāng)天完成的全部焊縫中任意選取不少于75％的焊縫進行全周長檢驗。
對于管道壁厚大于或等于8mm的焊件，也可先用超聲波探傷儀對所有焊縫進行全周長100％檢驗，然后再用射線照像對所選取的焊縫全周長進行復(fù)驗，其復(fù)驗數(shù)量為每個焊工當(dāng)天完成的全部焊縫中任意選取不少于20％的焊縫。管道穿越水域、公路、鐵路的管道焊縫以及未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫，均應(yīng)進行100％的射線照像檢驗。用超聲波探傷檢驗的焊縫，其質(zhì)量的驗收標(biāo)準應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》執(zhí)行，I級為合格。
用射線照像檢驗的焊縫，其質(zhì)量的驗收標(biāo)準應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準《鋼熔化焊對接接頭射線照像和質(zhì)量分級》執(zhí)行，Ⅱ級為合格。設(shè)計文件中采用射線照像檢驗還是超聲波探傷加射線照像復(fù)驗則要取決于管道壁厚、工期以及兩種檢驗方式的質(zhì)量和速度。
陜京市內(nèi)工程由于施工周期要求緊迫，而采用X射線照像時需要的時間長，因此我們采用了100％超聲波探傷，加任意抽取全部焊縫的20％進行復(fù)驗的方式。對管線穿越鐵路、河流、大砂坑及重要交通干道等特殊地段的管道焊縫以及未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫則采用100％的射線照像檢驗，而且對未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫要求工級為合格。
近一年來，隨著Y射線源照像裝置的引進，射線照像檢驗所需的時間減短，其檢驗結(jié)果的可信度又高于現(xiàn)場定級的超聲波探傷方式，工程又開始采用純射線照像檢驗方式。
(5) 壓力試驗
管道的壓力試驗包括強度試驗和嚴密性試驗。
《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范))CJJ33—89(適用壓力不大于0．8MPa)中規(guī)定，燃氣管道的壓力試驗介質(zhì)宜采用壓縮空氣。燃氣管道的強度試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1．5倍，嚴密性試驗的試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1．15倍。
《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范))GB50251—94則根據(jù)地區(qū)分級，規(guī)定四級地區(qū)管道的強度試驗應(yīng)采用水作為試驗介質(zhì)，試驗壓力不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1．5倍；嚴密性試驗用氣體作為試驗介質(zhì)時，其試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力。
《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50235-97對壓力試驗的規(guī)定則為：壓力試驗應(yīng)以液體為試驗介，當(dāng)管道的設(shè)計壓力小于或等于0．6MPa時，也可采用氣體為試驗介質(zhì)，但應(yīng)采取有效的安全措施。當(dāng)管道的設(shè)計壓力大于0．6MPa時，必須有設(shè)計文件規(guī)定或經(jīng)建設(shè)單位同意，方可用氣體進行壓力試驗。氣壓試驗的試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1．15倍。輸送可燃流體的管道必須進行泄露性試驗，泄露。性試驗的試驗介質(zhì)宜采用空氣，泄露性試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力。從以上幾個正在執(zhí)行中的國標(biāo)、行標(biāo)的規(guī)定中可以看出，由于編制時間不同，應(yīng)用的范圍不同，對燃氣管道壓力試驗的要求也不盡相同。針對城鎮(zhèn)燃氣管道系統(tǒng)的壓力試驗，尤其是超高壓天然氣管道的壓力試驗，則應(yīng)在執(zhí)行國家標(biāo)準、行業(yè)標(biāo)準的同時，必須認真考慮壓力試驗的安全性、試驗介質(zhì)的來源與排放、試驗介質(zhì)對燃氣輸配系統(tǒng)的影響等因素。
城市天然氣供應(yīng)絕大多數(shù)輸送的是干天然氣，燃氣輸配系統(tǒng)也是按照干天然氣進行設(shè)計的。由于城市道路下市政管道多，管網(wǎng)綜合以有壓讓無壓為原則，燃氣管道的縱斷布置比較復(fù)雜。若采用水作為壓力試驗介質(zhì)，壓力試驗完成后，如何徹底地將水排除必然成為一個新的問題。如果水排除不干凈，勢必會對今后燃氣輸配系統(tǒng)的運行帶來麻煩。因此，在北京市引進陜甘寧天然氣市內(nèi)工程中，在征求建設(shè)單位同意、并且建設(shè)單位進行具體操作試驗的基礎(chǔ)上，我們在設(shè)計文件中規(guī)定，強度試驗采用空氣或惰性氣體為試驗介質(zhì)，但必須采取有效的安全措施，并應(yīng)報請主管部門批準。氣壓試驗的試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1．15倍。嚴密性試驗用空氣作為試驗介質(zhì)，其試驗壓力應(yīng)為設(shè)計壓力。
4 結(jié)束語
對于城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的設(shè)計，由于工程設(shè)計的全新性，許多技術(shù)方案和措施有待實踐檢驗，有些技術(shù)問題需要在實踐中摸索、總結(jié)和提高，既要堅持設(shè)計質(zhì)量的要求，又要滿足施工的需要，同時還要考慮節(jié)省工程投資。為此，我院設(shè)計人員把工程設(shè)計工作延續(xù)到了從鋼管在防腐廠防腐到施工現(xiàn)場管溝回填的全部過程，實施24小時的配合和服務(wù)，質(zhì)量第一，服務(wù)第一。除前面所述的一些例子外，還有大量的實例。比如我們在跟蹤鋼管防腐質(zhì)量時發(fā)現(xiàn)了個別管材表面的質(zhì)量問題，在跟蹤彎管防腐質(zhì)量時發(fā)現(xiàn)了彎管加工中存在的質(zhì)量問題，又如在施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)極個別管子防腐涂層厚度不勻問題，在電保護工程的質(zhì)量跟蹤過程中我們發(fā)現(xiàn)，由于對管道實施陰極保護而對管道防腐涂層的破壞沒有得到較好的恢復(fù)，還有在運輸和管溝回填過程中施工人員不注意管道防腐層的保護問題等。所有這些問題，都需要設(shè)計人員以高度的責(zé)任心、質(zhì)量意識和主人翁精神去跟蹤、反饋和解決。也只有這樣，才能使“以控制管道自身的安全性為原則”的原則落到實處，才能確實保證工程的設(shè)計質(zhì)量和工程質(zhì)量。
北京市引進陜甘寧天然氣市內(nèi)工程高壓管線工程97年已陸續(xù)經(jīng)竣工投運，參加驗收的各方都對本工程的質(zhì)量表示滿意和放心，這當(dāng)然離不開各施工隊伍的辛勤勞動，離不開各單位、各部門之間的團結(jié)、協(xié)作，我們認為，這其中必然也包含著我院設(shè)計人員的精心設(shè)計、全程服務(wù)、質(zhì)量意識、創(chuàng)優(yōu)意識、節(jié)約和創(chuàng)新精神。 通過幾年來城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程的設(shè)計實踐，我們積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗，也鍛煉和培養(yǎng)了一支敢打敢拼、技術(shù)過硬的設(shè)計隊伍，但畢竟城鎮(zhèn)超高壓天然氣工程的設(shè)計工作剛剛起步，有許多課題需要去深入研究和解決。比如城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的水力計算問題、應(yīng)力計算問題、壓力試驗過程中管道的加固問題、管線通過不良工程地質(zhì)地段的穩(wěn)管防護措施問題等。在工程配合和質(zhì)量跟蹤過程中，還會有一些新的問題出現(xiàn)。但是我們相信，解決超高壓天然氣工程的質(zhì)量問題和安全性問題，只要能夠參照和執(zhí)行“以控制管道自身的安全性為原則”的原則，許多棘手的工程實際問題將迎刃而解。v
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