天然气管道进入城市综合管廊安全技术探讨

张学妙, 张 林

(1.青岛能源设计研究院有限公司，山东青岛266073；2.山东建筑大学热能工程学院， 山东济南250101)

1 工程概况

安顺路位于青岛市火车北站东侧交通商务区，南北走向，距离胶州湾约400 m，地震设防烈度为7度，地下水位较高，冬夏季环境湿度较大，该路段地质是回填土，安顺路是青岛市规划的重要交通干道，双向八车道，绿线宽60 m。汾阳路至滨海路之间采用综合管廊，热力、电力、通信、给水、污水、天然气等管线全部入综合管廊。

安顺路综合管廊内天然气管道设计压力为中压A，压力为0.4 MPa，管材为无缝钢管，管道外径为323.9 mm，壁厚为7 mm,全长为2 100 m。天然气舱室净尺寸宽1.9 m，高2.4 m。

2 天然气管道入综合管廊的问题分析

① 综合管廊墙体裂缝

综合管廊的基础位于松软及高水位的地质上，极易出现不均匀沉降[1]。本工程地质报告显示，综合管廊位置为回填土，较为松软，同时地下水位较高，易出现不均匀沉降，严重时会发生综合管廊墙体裂缝，需要对地基进行特殊处理。一旦天然气管道产生破损漏气，天然气则会通过综合管廊墙体裂缝进入相邻舱室，会出现严重安全事故。

② 管道腐蚀

为不影响道路建设及绿化，综合管廊顶覆土一般为2～3 m。由于安顺路处于高水位地区，对施工要求高，如果防水做不好，综合管廊内湿度将显著增大，在管道外壁上会出现水滴。

安顺路距海边不足400 m,属于沿海潮湿地区，夏季温度较高，在对综合管廊通风换气时，较高温度的潮湿空气进入综合管廊内，遇到较低温度的管道，便会出现结露现象。

上述两种现象均会造成钢质管道防腐漆破坏而腐蚀，严重时易造成漏气事故。

③ 局部防腐层破坏

本项目天然气管道在舱室内架空敷设，每隔10 m设置一个支架，支架分滑动支架、导向支架、固定支架。根据国家标准GB 50838—2015第7.1.6条，天然气管道舱的舱室每隔200 m需要采用防火分隔。主管道需要穿越防火隔墙，支管需要穿越舱室顶板或侧墙。在安装管道支架时和以后的运行过程中，支架和穿墙体套管对管道防腐层损伤较大，防腐层一旦损坏，由于操作空间的原因极难修补，从而造成局部管道腐蚀。

④ 管道膨胀

GB 50838—2015第7.2.2条规定，天然气管道舱室正常通风换气次数不应小于6次/h。进入综合管廊的空气冬夏季节昼夜温度变化较大，对较长的直线段燃气管道变形较大，如果不采取有效措施，易造成管道破坏。

⑤ 管道漂浮

在安顺路地下水位较高的地方，综合管廊若不做好抗浮设计，易产生漂浮。综合管廊若渗水或通过井口、安装口进入雨水，天然气管道也易产生漂浮现象。

3 天然气管道入管廊的安全技术措施

① 优化管廊结构

根据GB 50838—2015第4.3.4条要求，天然气管道应在独立舱室内敷设。采取如下措施，优化综合管廊结构，解决综合管廊地基不均匀沉降而导致综合管廊墙体裂缝问题。

a.综合管廊地基施工时严格按设计要求进行开挖，换填的褥垫层采用水泥稳定石屑(6%水泥用量),增强换填材料的胶凝性，使得换填材料形成整体，垫层采用20 cm厚的钢筋混凝土，在底部形成水平的支撑[1]。

b.天然气舱室结构设计使用年限为100 a，结构安全等级为一级；按乙级建筑物进行抗震设计。

c.将天然气舱室壁与邻近舱室壁分开设置，之间设置沉降缝，即使综合管廊基础产生不均匀沉降，天然气舱和邻近舱室墙体同时同一地点产生裂缝的概率大大变小，综合管廊沉降缝断面见图1。

图1 综合管廊沉降缝断面

② 管道防腐采用加强级3PE防腐层

针对综合管廊内湿度大，管道外壁上易附着水滴和结露现象，综合分析涂刷防锈漆及挤压聚乙烯防腐层(分二层和三层两种)、熔结环氧粉末防腐层、聚乙烯胶带防腐层、石油沥青防腐层、环氧煤沥青防腐层、氯磺化聚乙烯防腐层等防腐材料，本工程管道外防腐层优选加强级3PE防腐层。

加强级3PE防腐层最内层结构为环氧粉末涂层，厚度大于等于120 μm，具有力学性能好、耐腐蚀性能好、抗剥离强等优点；中间为胶粘剂层，最外层为加强级聚乙烯层，具有抗腐蚀性、抗水气渗透性等优点。

直管段加强级3PE防腐层采取工厂内加工生产，补口补伤现场操作，补口补伤材料应使用与原防腐层相容的材料。

焊口部位补口采用环氧树脂底漆和辐射交联聚乙烯热收缩套。对长度小于或等于30 mm的损伤，采用辐射交联聚乙烯补伤片进行修补。补伤片的性能应达到对收缩套(带)的规定，补伤片对聚乙烯的剥离强度应不低于50 N/cm，补伤片的大小应保证其边缘距聚乙烯层的孔洞边缘不小于100 mm。对于长度大于30 mm的损伤,贴补伤片后应在补伤处包覆一条热收缩带，包覆宽度应比补伤片的两边至少各大于50 mm。

③ 对局部防腐层采用光固化保护套防护

为避免支架和穿墙体套管对管道防腐层的损伤，本项目在支架和穿墙处对钢管的外防腐层加设光固化保护套对防腐层进行防护。

光固化保护套原材料是由聚氨酯、玻璃纤维、工程塑料、绝缘骨料等组成的复合材料，此材料附着于钢管防腐层上，形成具有很高的绝缘性能和抗机械损伤强度的保护套，特点是软化点高、耐热、耐磨损、电绝缘性好、有自熄性、无毒、耐候性好，能在高温、高湿的条件下工作。

经过对支架和穿墙体部位钢管防腐层进行光固化保护套保护处理后，钢管使用寿命可大大延长。

④ 设置方形补偿器

天然气管道入舱室架空敷设，部分直线管段较长，约为200 m，由于冬夏季昼夜温差较大，约为20 ℃，需要进行补偿。为避免补偿器产生漏气现象，天然气管道舱室内不采用套筒式补偿器、波纹管补偿器。如果综合管廊有上下变坡，或水平有不同角度变向的，一般应采取自然补偿的方式，在自然补偿不能满足要求时，则应进行计算，根据变形量设置方形补偿器[2]。

管道因温度差引起的轴向变形量，应按式(1)计算：

ΔL=αLΔt

(1)

式中 ΔL——管道变形量，m

α——钢管线膨胀系数，K-1,取12×10-6K-1

L——计算管段长度，m，取200 m

Δt——管道安装温度与最低或最高环境温度之差，℃，取20 ℃

根据计算结果，200 m长的管道变形量为48 mm，需要采用方形补偿器进行补偿。方形补偿器的外径325 mm，壁厚7 mm，高1.944 m，长4.211 m，曲率半径为2.5D(D为管道外径)，最大补偿量为119 mm。

经计算，采用方形补偿器后，DN 200 mm及以下的天然气管道需要综合管廊舱室的高度为2.4 m，DN 300 mm的天然气管道需要综合管廊舱室的高度为3.0 m。安顺路中压管道天然气舱室高度需要由2.4 m增高到3.0 m。为减少投资，只在设置方形补偿器的位置，将天然气舱室局部增高。

⑤ 抗漂浮设计

由于管廊建成后有可能准备入廊的管线还没有安装，因此，在计算时，不计入综合管廊内管线和设备的重量，根据计算结果确定综合管廊结构的抗漂浮稳定设计。综合管廊应按不低于二级的要求做好防水设计。为解决管道漂浮问题，本项目采用固定管卡将管道固定好。

⑥ 天然气舱室防火、防爆

a.紧急自动切断阀

在天然气管道进出综合管廊的位置设置紧急自动切断阀，每隔1 km设置分段阀门一个，分段阀门采用紧急自动切断阀；紧急自动切断阀采用全焊接全通径电液联动防爆锻钢球阀[2]，该切断阀具有防火性能和远程控制功能。

b.穿越防火隔墙

天然气舱室每隔200 m设防火隔墙进行分隔，防火隔墙处的门应使用甲级防火门，天然气管道穿越防火隔墙时必须采用阻火包等防火封堵措施进行严密封堵，防止窜火现象。管道穿防火隔墙阻火包封堵见图2。

图2 管道穿防火隔墙阻火包封堵

c.报警、通风系统

为确保天然气舱室内的天然气体积分数始终在其爆炸下限的20%以下，本项目设置防爆型通风设备，风机应确保24 h不间断运行，正常情况下，天然气舱室内通风换气次数不应小于6次/h；事故状态下，天然气舱室内通风换气次数不应小于12次/h。在没有阀门的天然气舱室内正常情况下的通风换气次数可以适当减少，但不应小于3次/h。

d.电气照明系统

天然气舱室电气防爆等级按GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中“1区”设计的规定进行电气设施设计。

e.优选泄漏报警探头

综合管廊内湿度大，催化燃烧式泄漏报警器易发生误报。激光燃气泄漏报警器适用的相对湿度为5%～95%，更适应综合管廊内潮湿的环境[3]。因此，本项目泄漏报警探头采用激光天然气泄漏报警探头。