1引言北京市引進(jìn)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(jì)壓力已達(dá)2．5MPa。超高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)(>1．6MPa)，不同于一般的高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)?！冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，敷設(shè)設(shè)計(jì)壓力大于1．6MPa的燃?xì)夤艿罆r(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)按現(xiàn)行的《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。而《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》以油、氣田至目的地的長(zhǎng)輸管線為主要對(duì)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?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的管線和廠、站建設(shè)。那么在城鎮(zhèn)敷設(shè)超高壓燃?xì)夤艿罆r(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)如何執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》及《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》并將它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)就成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。隨著國(guó)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(jì)規(guī)模也越來(lái)越大，為了保證項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，勢(shì)必要提高輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。目前，北京市由我院設(shè)計(jì)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(jì)和實(shí)施情況，就城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究和總結(jié)，以利于更進(jìn)一步提高工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。2工程概況北京市引進(jìn)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(guó)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(mén)站、三座儲(chǔ)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(dòng)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(xiàng)目的預(yù)可行性研究和可行性研究，1994年開(kāi)始十個(gè)子項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)，1995年開(kāi)始各子項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)。為籌措資金北京市政府在1993年將本項(xiàng)目列為“北京環(huán)境改善項(xiàng)目”中的一個(gè)子項(xiàng)目而申請(qǐng)亞洲開(kāi)發(fā)銀行貸款，并于1994年初通過(guò)亞洲開(kāi)發(fā)銀行的審查。高壓管線工程(第三子項(xiàng))是陜甘寧天然氣進(jìn)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(zhǎng)45Km，管徑Dn700，設(shè)計(jì)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(wàn)元人民幣(其中美元124．96萬(wàn)美元)，其中工程費(fèi)21821萬(wàn)元人民幣。3問(wèn)題研究(1) 設(shè)計(jì)規(guī)范的選用及設(shè)計(jì)原則公路一環(huán)天然氣管線工程設(shè)計(jì)壓力為2．5MPa，已超出《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中高壓A級(jí)管道1．6MPa輸送壓力范圍。依照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)采用現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》?！遁敋夤艿拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》以控制管道自身的安全性為原則，與《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的安全性原則不完全一致。但兩本設(shè)計(jì)規(guī)范的條文說(shuō)明都指出，長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及燃?xì)夤艿缆庖鸬谋ê椭卸臼鹿实慕y(tǒng)計(jì)資料表明，燃?xì)馐鹿实陌l(fā)生在一定范圍內(nèi)并不與燃?xì)夤艿琅c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(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)管位選擇的困難或使工程費(fèi)用增加。因此，《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中所規(guī)定的地下燃?xì)夤艿琅c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?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊?，?guī)范的修編也傾向于減弱考慮燃?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊?。[!--empirenews.page--]《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》是以為城市輸送燃?xì)獾拈L(zhǎng)輸干線為主要對(duì)象。該規(guī)范以提高管道自身的強(qiáng)度安全作為輸氣管道的設(shè)計(jì)原則，參照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSIB31．8，采用地區(qū)等級(jí)劃分確定強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，再進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算，管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距在規(guī)范中并沒(méi)有具體規(guī)定。設(shè)計(jì)中具體體現(xiàn)在以不同地區(qū)等級(jí)，采用不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)，來(lái)保證管道周圍建構(gòu)筑物的安全。地區(qū)等級(jí)是以沿管道中心線兩側(cè)各200米范圍內(nèi)，任意劃分成長(zhǎng)度為2km的若干地段，按劃定地段內(nèi)的戶數(shù)確定的。一級(jí)地區(qū)：戶數(shù)在15戶或以下的區(qū)段；二級(jí)地區(qū)：戶數(shù)在15戶以上、100戶以下的區(qū)段：三級(jí)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(jí)地區(qū)條件的人口稠密區(qū)；四級(jí)地區(qū)：系指四層及四層以上樓房(不計(jì)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(jí)地區(qū)。各級(jí)地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)見(jiàn)下表。地區(qū)等級(jí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)(F) 一級(jí)地區(qū)0．72二級(jí)地區(qū)0．6三級(jí)地區(qū)0．5四級(jí)地區(qū)0．4城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(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(jì)規(guī)范的要求。《輸氣管道工程設(shè)計(jì)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(shí)，高一級(jí)壓力的管道總不應(yīng)比低一級(jí)壓力的管道距建、構(gòu)筑物更近，應(yīng)考慮燃?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊?。因此，在與規(guī)劃、消防及上級(jí)主管部門(mén)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(jì)規(guī)范》“以控制管道自身的安全性為原則”的原則進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)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?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》5．3．2條高壓A級(jí)管道與建、構(gòu)筑物之間6米的水平凈距的規(guī)定進(jìn)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(jì)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(shí)，開(kāi)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(jì)樹(shù)立了典范。(2)管材的選取①管道強(qiáng)度計(jì)算在進(jìn)行超高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)，因管線與其它建、構(gòu)筑物水平凈距的確定始終是以強(qiáng)調(diào)管道自身的安全性為前提的，因此在進(jìn)行壓力大于1．6MPa的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)管道、彎頭、彎管的壁厚進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》5．1．2條規(guī)定，管道強(qiáng)度計(jì)算采用如下公式：　　　　　　　PD　　δ= ----　　　　　　　2σsψFt式中： δ---鋼管計(jì)算壁厚(cm)；　　　　P ---設(shè)計(jì)壓力(MPa)；　　　　D ---鋼管外徑(cm)；　　　　σs --鋼管的最小屈服強(qiáng)度(MPa)；　　　　F---強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)，t值取1.0。在以往的燃?xì)夤艿缽?qiáng)度計(jì)算時(shí)，由于制管水平、施工焊接等缺乏嚴(yán)格的要求，在計(jì)算中要考慮一個(gè)小于1的焊接系數(shù)以確保輸氣安全，這實(shí)際上就增加了管道工程的鋼材用量。當(dāng)前，我國(guó)制管技術(shù)已有較大的提高，新的鋼管標(biāo)準(zhǔn)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(yè)?????????????????? 管》，是參照美國(guó)APISpec 5L的標(biāo)準(zhǔn)制定的，技術(shù)要求基本一致。在《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)管道的施工、焊接和檢驗(yàn)也提出了嚴(yán)格的要求，以確保管道的安全運(yùn)行。故在進(jìn)行管道的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不再考慮由于焊接所降低鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力，規(guī)定焊接系數(shù)為1。另外，《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定在進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不考慮增加管壁的腐蝕裕量。這是因?yàn)橐?guī)范中明確提出了輸氣管道防腐設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐防腐蝕工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。而這兩本規(guī)范是根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shí)，管子內(nèi)壁一般不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。同時(shí)，由于工程造價(jià)、金屬耗量等經(jīng)濟(jì)原因，一般不允許采用增加腐蝕裕量的方法來(lái)解決管壁內(nèi)腐蝕問(wèn)題。因此，管道采取防腐措施后，確定管壁厚度時(shí)可不考慮腐蝕裕量。對(duì)幾種常用管材進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下表：? Q235B20號(hào)鋼SM41BX4216MnX52最小屈服強(qiáng)度(MPa) ≥235≥245≥245≥290≥340≥358設(shè)計(jì)壓力 (Mpa) 2.52.52.52.52.52.5鋼管計(jì)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(jì)算壁厚值均是以ψ、t為1，F(xiàn)為0．4情況下得出的。在對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的同時(shí)，燃?xì)夤艿赖谋诤襁€不得小于最小公稱管壁厚度。在承受內(nèi)壓較小時(shí)計(jì)算的壁厚可能很小，為滿足運(yùn)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(rèn)為D/δ>140時(shí)，才會(huì)在正常的運(yùn)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)DN3004.5DN350 DN400 DN4505.0DN500 DN5506.0DN600 DN650 DN7006.5綜上所述對(duì)于管道壁厚的確定，除了對(duì)管道強(qiáng)度計(jì)算的同時(shí)，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(yùn)輸、施工過(guò)程中人員的素質(zhì)、目前的管理水平等因素可能對(duì)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(jì)規(guī)范》，所選用鋼管應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《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(zhǔn)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(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(jì)原則對(duì)于相同管徑的管材，其運(yùn)輸及施工費(fèi)用基本相同，焊接材料的價(jià)格對(duì)工程投資的影響較小，經(jīng)濟(jì)性方面僅考慮管材價(jià)格因素。[!--empirenews.page--]★ 施工和運(yùn)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(yùn)行管理等方面。⑧管材確定根據(jù)以上選材原則及管道強(qiáng)度計(jì)算，既滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，又方便施工和運(yùn)行管理，并且兼顧經(jīng)濟(jì)性，DN700管道幾種常用材質(zhì)分析對(duì)比如下表： 管材材質(zhì)Q235BSM41BX4216Mn管材單價(jià)A(元／t)4070413041304300施焊要求低中中高設(shè)計(jì)預(yù)選壁厚(cm)1.030.950.790.79單長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)系列。2．確定設(shè)計(jì)預(yù)選壁厚時(shí)，計(jì)算壁厚向上靠至最小普通重量級(jí)管線管壁厚。3．表中單價(jià)為本工程初設(shè)階段某管廠按SY5036-83提供管材的出廠報(bào)價(jià)，按APl標(biāo)準(zhǔn)提供管材時(shí)，每噸增加1000～1500元。運(yùn)雜費(fèi)另增10％。從以上管材的對(duì)比分析可以看出，針對(duì)DN700鋼管，選擇最小屈服強(qiáng)度低的管材，則管壁較厚，不但增加了管材重量和費(fèi)用，而且為運(yùn)輸和施工也帶來(lái)許多不便：如果選擇最小屈服強(qiáng)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(jì)壁厚要大計(jì)算壁厚較多，高強(qiáng)度管材的單價(jià)又高于低強(qiáng)度管材，勢(shì)必造成管材強(qiáng)度的浪費(fèi)和費(fèi)用的提高，而且，高強(qiáng)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(guò)上述對(duì)比分析方法來(lái)確定。④小結(jié)本工程首次在國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(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(guò)技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)對(duì)比并考慮管材購(gòu)置、焊接質(zhì)量、方便施工和運(yùn)行管理等多種因素優(yōu)選的結(jié)果。選用較高強(qiáng)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(wèn)題，又節(jié)省了工程投資，一舉多得。(3) 防腐和電保護(hù)系統(tǒng)超高壓天然氣管線運(yùn)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(yùn)行是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則。而《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于確保管道的安全可靠運(yùn)行是建立在嚴(yán)把管材質(zhì)量關(guān)、防蝕質(zhì)量關(guān)和嚴(yán)把管道的施工、焊接和檢驗(yàn)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(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。埋地管道采用外防腐層與電法保護(hù)是延長(zhǎng)管道運(yùn)行壽命、減少管道運(yùn)行故障的有效手段。七十年代初，自美國(guó)首次立法開(kāi)始，一些國(guó)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(hù)的雙重保護(hù)措施。防腐涂層是對(duì)埋地管道外壁的面保護(hù)，主要是針對(duì)均勻腐蝕而言，陰極保護(hù)則主要以點(diǎn)保護(hù)為主，是針對(duì)防腐涂層的漏損處。一條管道，可能由于一個(gè)點(diǎn)蝕而造成整條管道癱瘓而不能正常運(yùn)行。近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)埋地管道的雙重保護(hù)問(wèn)題日漸重視，各地就埋地管道的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題多次召開(kāi)各種專題研討會(huì)，并對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)的必要性和可行性進(jìn)行了深入細(xì)致的研討。本高壓管線工程的管道保護(hù)方案即采用單層熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂外防腐和犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)的雙重保護(hù)技術(shù)。①外防腐近十年來(lái)北京市埋地燃?xì)夤艿啦捎玫耐夥栏瘜又饕ㄒ韵聨追N：[!--empirenews.page--]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(wú)機(jī)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?xì)夤艿赖姆栏?。環(huán)氧煤瀝青在防止細(xì)菌腐蝕和植物根系方面比石油瀝青性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境污染也較小，使用較普遍。但由于操作溫度和固化時(shí)間的限制，冬季施工困難較多。