浅谈LNG输气管道的水域穿越及管材选择

刘司佳， 刘香格

(1.山西四诚工程技术咨询有限公司，山西 太原 030000;2.秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066100)

天然气运输主要依靠管道输送，河流穿越在输气管道的建设中至关重要。总结管道的水域穿越方法，论证各穿越方法的方案及适用范围，研究管材的选择计算方法，确定LNG输气管道的水域穿越方案。

LNG管道；水域；穿越；钢管

天然气是一种低碳、高效的清洁能源。随着“一带一路”对天然气的大量需求，“十三五”期间，我国将新建4万公里天然气主干及配套管线，“十三五”末总里程达到10.4万公里。天然气管道在通过水域时多采用穿越的方式[1-2]。本文就LNG输气管道的水域穿越及管道材料计算进行介绍。

1 LNG管道的水域穿越

1.1 水域穿越的原则

管道穿越工程在保证安全的前提下，尽量选择技术先进、工程量少、工期较短、投资较合理的方案；局部走向随穿越位置，穿越位置随总体走向，并尽量与线路合理连接；合理规划穿越工程与城市建设的衔接，确保输气管道和地方布局的协调共建；遵循相关国家标准[3-5]。

1.2 水域穿越工程等级与洪水频率

水域穿越工程应正确划分工程等级，并应采用与工程等级相应的设计洪水频率，见表1。

1.3 管道的水域穿越方法

LNG管道河流穿越常用方法有：大开挖沟埋穿越、水平定向钻穿越、隧道法穿越(基岩钻爆法隧道、顶管法隧道和盾构法隧道)。

1.3.1 大开挖沟埋穿越

大开挖沟埋穿越要开挖水下管，利用挖泥船、长臂挖掘机、导流或围堰等方式，将管道置于河床冲淤变化稳定层下一定深度[6]。适宜于有水上大开挖机具施工条件、施工对河道和航道影响不大、堤防允许开挖的水域(开挖施工宜在枯水期进行)。

表1 水域穿越工程等级与洪水频率

1.3.2 水平定向钻

定向钻是非开挖的一种施工方法，根据设计提出的入土、出土点坐标和管线设计轨迹，用定向钻钻导向孔(特殊地层还需逐节加入套管)。钻杆在对岸出土后，连接扩孔器，扩孔器大小及扩孔级数根据穿越管段直径和地层确定。同时，管道在出土岸进行分段或整体组装，检验、试压和防腐，合格后接上拖管头利用钻机拉动扩孔器和穿越管段回拖，直至穿越管道完全敷设于扩大的孔内，拖管头在钻杆入土处露出[7]。

定向钻穿越一般适用于航运繁忙、水域较宽、流量流速较大、冲刷较深、河流变迁剧烈，以及地质条件允许的水域穿越。不适宜在流砂层、粒径大含量高的卵(砾)石地层，以及抗压强度较大硬质岩层。

该方法主要优点是工期短、投资较少、施工不受季节限制；缺点是管道无法检修、敷设备用管道费用较高、对施工场地和地层有一定要求。

1.3.3 钻爆法基岩隧道

该方法采用矿山法结合新奥法施工，需要有足够良好的基岩岩体特性及隔水顶板厚度，较好的无潜在地质隐患的洞口位置及弃渣堆砌场地。在隧道方案中，该方法单位造价较低，利于检修和扩容，缺点是施工期较长，存在一定的安全风险。

1.3.4 顶管法隧道

顶管施工利用切削刀盘切割和破碎土体，通过泥浆循环平衡外面水压、润滑工作面以及排除切割和破碎后的土体，再利用工作井内的液压千斤顶将钢筋混凝土套管或钢管逐根顶入，使之在江底下一定深度形成稳定洞室。

顶管穿越对各种地层的适应性较强，尤其适用于黏土、粉土、砂土、含砾沙土(砾石含量一般宜小于30%，砾径小于20 mm)。

该方法适用于小管径、短距离和土质较软的地方，否则投资太大。

1.3.5 盾构法隧道

盾构法隧道是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进，并用环片拼装成洞室，这个钢质组件被称为盾构。

盾构隧道适用于砂质、土质或岩石等多种地层穿越，适用地层范围广、施工技术先进、机械化程度高、施工不受季节影响，设备及人员施工风险较低；适宜于长隧道施工；周围环境不受盾构施工干扰；但盾构机械造价较昂贵，工程造价高，工期长，对施工技术和管理水平要求较高。

盾构法较适宜于大口径、长距离且一般不具备定向钻穿越条件的水域穿越。

2 管道材料与壁厚选择

2.1 管道材料与壁厚选择原则

LNG输气管道水域穿越工程的钢管，应符合国家现行标准有关规定。对于管径小于DN300，设计压力小于4.0 MPa的输气钢管，可采用现行国家标准要求的无缝钢管。

2.2 管材的强度系数

输气钢管应力的计算公式见式(1)：

[σ]=Fφtσs

(1)

式中：[σ]为输送钢管的许用应力，MPa；σs为钢管规定的最小屈服强度，MPa；φ为钢管焊缝系数，一般取1.0；t为温度折减系数，当设计温度小于120 ℃时，t值取1.0；F为强度设计系数，按强度设计系数表(见表2)取值。

表2 强度设计系数表

2.3 钢管的直径与壁厚

穿越钢管的直径与壁厚之比应小于100，并满足各种穿越条件下的管道径向稳定要求，壁厚的计算公式见式(2)：

(2)

式中：δ为钢管计算壁厚，mm；P为输送介质设计内压力，MPa；D为钢管外直径，mm；[σ]为输送钢管许用压力，MPa。

3 结语

LNG输气管道的水域穿越方法主要有大开挖沟埋穿越、水平定向钻、钻爆法基岩隧道、顶管法隧道、盾构法隧道，穿越方案设计要在安全生产前提下，选择工程量小、投资少的方案；管道材料与壁厚的选择要遵守现行的国家标准，按计算公式计算得出。

[1] 王桂龙.长燃气管道穿越河流工程的设计[J].煤气与热力，2002，22(3)：266-268.

[2] 阎庆华.长输管道河流穿跨越方案选择[J].石油工程建设，2011，37(3)：1-6.

[3] 钱国梁.定向钻穿越在管道工程中的应用[J].石油和化工设备，2013，16(6)：35-37.

[4] 邢玺亮，汤存峰，张凤楼.长输管道建设新工艺技术[J].中国新技术新产品，2014(15)：65.

[5] 杨欧修，于丽丽.天然气管道河流穿越方案的设计[J].当代化工，2014，12(43)：2606-2611.

[6] 任一鸣.浅析天然气管道穿越方式[J].化工管理，2015(25)：156-157.

[7] 李银平.长输油气管道定向钻穿越方案的比选及优越性[J].中国石油石化，2017(12)：297-299.