1、1 引言北京市引进陕甘宁天然气市内工程中公路一环 Dn700 天然气管线的设计压力已达 25MPa。超高压燃气管道设计(16MPa) ，不同于一般的高压燃气管道设计。城镇燃气设计规范规定，敷设设计压力大于 16MPa 的燃气管道时，其设计应按现行的输气管道工程设计规范执行。而输气管道工程设计规范以油、气田至目的地的长输管线为主要对象，其中涉及到的厂站也以油、气田厂、站建设为主，不适用于城镇燃气输配系统中的管线和厂、站建设。那么在城镇敷设超高压燃气管道时，其设计应如何执行城镇燃气设计规范及输气管道工程设计规范并将它们有机地结合起来就成为一个现实问题。随着国内天然气事业的发展，城镇天然气输配系统的
2、设计规模也越来越大，为了保证项目的经济性和可实施性，势必要提高输配系统的设计压力。目前，北京市由我院设计并已经敷设的超高压天然气管线已接近 200Km，还有几十公里的超高压管线正在敷设之中。下面结合我院所做的公路一环 Dn700 天然气管线工程的设计和实施情况，就城镇超高压天然气管线工程设计中的几个重点问题进行研究和总结，以利于更进一步提高工程的设计质量。2 工程概况北京市引进陕甘宁天然气市内工程是陕甘宁盆地天然气外输工程中规模最大的下游工程，也是当前国内规模最大的城市天然气输配工程。工程主要内容包括一座城市门站、三座储配站、五座调压站、200 多公里输配干线、一套输配调度自动化系统及生产配套
3、设施等。该工程在 1991 年至 1994 年中完成了项目的预可行性研究和可行性研究，1994 年开始十个子项目的初步设计，1995 年开始各子项目的施工图设计。为筹措资金北京市政府在 1993 年将本项目列为“北京环境改善项目”中的一个子项目而申请亚洲开发银行贷款，并于1994 年初通过亚洲开发银行的审查。高压管线工程(第三子项)是陕甘宁天然气进京工程下游工程中的主体工程之一。超高压天然气管线基本沿公路一环敷设，长 45Km，管径 Dn700，设计压力 25MPa。工程沿线穿越铁路 5 处，地铁 l处，现状及规划立交 11 处，河流 15 处，穿石山坡一处。工程总投资(含部分 1OMPa 管
4、线及配套工程 )64069 万元人民币( 其中美元12496 万美元)，其中工程费 21821 万元人民币。3 问题研究(1) 设计规范的选用及设计原则公路一环天然气管线工程设计压力为 25MPa，已超出城镇燃气设计规范中高压 A 级管道 16MPa 输送压力范围。依照 城镇燃气设计规范规定，应采用现行输气管道工程设计规范。输气管道工程设计规范以控制管道自身的安全性为原则，与城镇燃气设计规范的安全性原则不完全一致。但两本设计规范的条文说明都指出，长期的实践经验及燃气管道漏气引起的爆炸和中毒事故的统计资料表明，燃气事故的发生在一定范围内并不与燃气管道与建筑物的距离有必然联系。加大管道与建筑的距离
5、并不能完全避免事故的发生，相反会增加设计时管位选择的困难或使工程费用增加。因此，城镇燃气设计规范中所规定的地下燃气管道与建、构筑物之间的水平净距是考虑了施工和检修间距并适当考虑燃气输送压力的影响，规范的修编也倾向于减弱考虑燃气输送压力的影响。输气管道工程设计规范是以为城市输送燃气的长输干线为主要对象。该规范以提高管道自身的强度安全作为输气管道的设计原则，参照美国国家标准 ANSIB318，采用地区等级划分确定强度设计系数，再进行管道强度计算，管道与建、构筑物之间的水平净距在规范中并没有具体规定。设计中具体体现在以不同地区等级，采用不同的强度设计系数，进行管道强度计，来保证管道周围建构筑物的安全
6、。地区等级是以沿管道中心线两侧各 200 米范围内，任意划分成长度为 2km 的若干地段，按划定地段内的户数确定的。一级地区：户数在 15 户或以下的区段；二级地区：户数在 15 户以上、100 户以下的区段：三级地区：户数在 100 户或以上的区段，包括市郊居住区、商业区、工业区、发展区以及不够四级地区条件的人口稠密区；四级地区：系指四层及四层以上楼房(不计地下室层数) 普遍集中、交通频繁、地下设施多的地段。城镇供气区一般应为四级地区。各级地区强度设计系数见下表。地区等级 强度设计系数(F) 一级地区 072二级地区 06三级地区 05四级地区 04城镇燃气输配系统既要保证系统的整体合理性，
7、还应满足相应设计规范的要求。输气管道工程设计规范中虽然未确定管道与建、构筑物之间的水平净距，但并不等于不需要净距，最起码应考虑施工和检修间距。同时，高一级压力的管道总不应比低一级压力的管道距建、构筑物更近，应考虑燃气输送压力的影响。因此，在与规划、消防及上级主管部门充分酝酿、讨论的基础上，我院决定采用输气管道工程设计规范“以控制管道自身的安全性为原则” 的原则进行管道强度计算，为保证规范执行的连续性，线路选择则按照城镇燃气设计规范532 条高压 A 级管道与建、构筑物之间6 米的水平净距的规定进行。这样，两本规范并用，不仅为在城区选择超高压天然气管线路由提供了可行性，而且，采用“以控制管道自身
8、的安全性为原则”的原则，从设计上也保证了在城区敷设超高压管线的安全可靠性。同时，开创了在城区敷设超高压天然气管线的先例，为今后同类型的工程设计树立了典范。(2)管材的选取管道强度计算在进行超高压燃气管道设计时，因管线与其它建、构筑物水平净距的确定始终是以强调管道自身的安全性为前提的，因此在进行压力大于 16MPa 的燃气管道设计时，必须对管道、弯头、弯管的壁厚进行计算。根据输气管道工程设计规范512 条规定，管道强度计算采用如下公式：PD= 2sFt式中： -钢管计算壁厚(cm)；P 设计压力 (MPa)；D 钢管外径(cm)；s 钢管的最小屈服强度(MPa)；F-强度设计系数；-焊缝系数；t
9、温度折减系数；当温度小于 120时，t 值取 1.0。在以往的燃气管道强度计算时，由于制管水平、施工焊接等缺乏严格的要求，在计算中要考虑一个小于 1 的焊接系数以确保输气安全，这实际上就增加了管道工程的钢材用量。当前，我国制管技术已有较大的提高，新的钢管标准如石油天然气输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管，是参照美国 APISpec 5L 的标准制定的，技术要求基本一致。在输气管道工程设计规范中对管道的施工、焊接和检验也提出了严格的要求，以确保管道的安全运行。故在进行管道的强度计算时，不再考虑由于焊接所降低钢材的设计应力，规定焊接系数为 1。另外，输气管道工程设计规范中规定在进行管道强度计算时，不考虑增
10、加管壁的腐蚀裕量。这是因为规范中明确提出了输气管道防腐设计必须符合国家现行标准钢质管道及储罐防腐蚀工程设计规范和埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范的有关规定。而这两本规范是根据国内外的实践经验制定的，规范中提出了防止管道外腐蚀的有效办法。在输送满足规范要求的天然气时，管子内壁一般不会产生腐蚀。同时，由于工程造价、金属耗量等经济原因，一般不允许采用增加腐蚀裕量的方法来解决管壁内腐蚀问题。因此，管道采取防腐措施后，确定管壁厚度时可不考虑腐蚀裕量。对几种常用管材进行计算，结果如下表：Q235B 20 号钢 SM41B X42 16Mn X52最小屈服强度(MPa)235 245 245 290 3
11、40 358设计压力 (Mpa)2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5钢管计算壁厚 DN700 0957 0918 0918 0776 0662 0628(cm) DN500 0703 0675 0675 0570 0486 0462DN400 0566 0543 0543 046l 0393 0372DN300 0432 0415 0415 0350 0299 0284注：表中钢管计算壁厚值均是以 、t 为 1，F 为 04 情况下得出的。在对管道进行强度计算的同时，燃气管道的壁厚还不得小于最小公称管壁厚度。在承受内压较小时计算的壁厚可能很小，为满足运输、吊装铺管和修理的要求，还应根
12、据各种荷载条件下予以校核。一般认为 D/140 时，才会在正常的运输、敷设、埋管情况下出现圆截面的失稳。下表列出几种常用管径的最小公称壁厚。最小公称壁厚钢管公称直径(mm) 公称壁厚(mm)DN300 4.5DN350 DN400 DN450 5.0DN500 DN550 6.0DN600 DN650 DN700 6.5综上所述对于管道壁厚的确定，除了对管道强度计算的同时，还要满足最小公称管壁厚度，此外还要适当考虑在制管、运输、施工过程中人员的素质、目前的管理水平等因素可能对管道造成的损伤，适当增大管道管壁厚度。管材选择原则 技术原则根据输气管道工程设计规范，所选用钢管应符合国家现行标准石油天
13、然气输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管等的有关规定，若选用标准以外的管材，其材质应是镇静钢，并应满足下列基本要求：屈服强度与抗拉强度之比不应大于 085；含碳量不应大于 025，碳当量不应大于 045；材料熔炼分析含硫量不应大于 0035；含磷量不应大于004。 经济原则对于相同管径的管材，其运输及施工费用基本相同，焊接材料的价格对工程投资的影响较小，经济性方面仅考虑管材价格因素。 施工和运行管理原则管材的选取应有利于管材定货、施工焊接、带气接线、事故抢修和运行管理等方面。管材确定根据以上选材原则及管道强度计算，既满足技术标准，又方便施工和运行管理，并且兼顾经济性，DN700 管道几种常用材质分析对比
14、如下表： 管材材质 Q235B SM41B X42 16Mn管材单价 A(元t) 4070 4130 4130 4300施焊要求 低 中 中 高设计预选壁厚(cm) 1.03 0.95 0.79 0.79单长管重B(Kgm) 177.98 164.34 136.97 136.97A1000*B (元m) 724.4 678.7 565.7 589.0注：1壁厚系列采用 APISpec 5L 标准系列。2确定设计预选壁厚时，计算壁厚向上靠至最小普通重量级管线管壁厚。3表中单价为本工程初设阶段某管厂按 SY503683 提供管材的出厂报价，按 APl 标准提供管材时，每吨增加 10001500 元
15、。运杂费另增 10。从以上管材的对比分析可以看出，针对 DN700 钢管，选择最小屈服强度低的管材，则管壁较厚，不但增加了管材重量和费用，而且为运输和施工也带来许多不便：如果选择最小屈服强度更高的管材，可以减小壁厚，但受最小公称壁厚及施工因素的限制，设计壁厚要大计算壁厚较多，高强度管材的单价又高于低强度管材，势必造成管材强度的浪费和费用的提高，而且，高强度管材在施工焊接等方面也有更高的要求。因此，DN700 管线选用 X42 是最佳方案。同样，其它管径管材的选取也可以通过上述对比分析方法来确定。小结本工程首次在国内城镇燃气输配系统中采用 APISpec 5LX42 管材。该管材的选用是在原北京市天然气公司提供的四种保证货源的管材的基础上，经过技术分析、经济对比并考虑管材购置、焊接质量、方便施工和运行管理等多种因素优选的结果。选用较高强度的管材，既解决了城镇超高压天然气管道的管材选择问题，又节省了工程投资，一举多得。(3) 防腐和电保护系统
