上海燃氣工程設計研究有限公司　蔡　瑩

綜合管廊中納入天然氣管道的設計思考

上海燃氣工程設計研究有限公司蔡瑩

隨著新國家標準的頒布，綜合管廊的建設將迎來一個新的高峰。文章歸納了天然氣管道納入綜合管廊需進行的相關設計，并結合規(guī)劃階段的案例進行針對性的分析，提出了一些設想。

綜合管廊天然氣管道納入

0　背景

綜合管廊作為在城市道路下建造的市政管線共用隧道，能將水、通信、電力等多種管線容納其中，便于管理和維護，不僅解決了城市發(fā)展過程中的道路反復挖掘問題，也有利于集約利用城市地下空間。

2015年6月1日，《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838—2015)正式實施，相比2012版增加了天然氣管道采用綜合管廊方式敷設時的技術規(guī)定。本文結合上述規(guī)范，對天然氣管道納入綜合管廊的相關問題進行研究。

1　天然氣管道納入綜合管廊需進行的相關設計

(1)獨立艙室設計：根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》4.3.4條：天然氣管道應在獨立艙室內(nèi)敷設。獨立艙室的斷面需滿足安裝、檢修、維護作業(yè)所需空間；天然氣艙室逃生口(1 m×1 m)間距不宜大于200 m；天然氣艙室應每隔200 m采用耐火極限不低于3.0 h的不燃性墻體進行防火分隔。防火分隔門應采用甲級防火門，管線穿越部位采用阻火包等措施密封；采用不發(fā)火花地坪等。

(2)管道設計：天然氣管道設計中需明確管道的壓力級制、口徑、管材，選擇合適的管道支墩形式、管道固定方式、焊接工藝、防腐方案、防差異沉降等。

(3)報警及監(jiān)控系統(tǒng)設計：由于綜合管廊內(nèi)天然氣管道處于一個相對封閉的艙室內(nèi)，按照密閉空間處理，需設有燃氣濃度檢測報警緊急切斷系統(tǒng)。燃氣濃度檢測報警器必須與緊急切斷閥聯(lián)鎖，緊急切斷閥應具有遠程遙控功能。

(4)通風設計：由于天然氣屬于易燃易爆氣體，其獨立艙室內(nèi)應采用防爆風機，且設置獨立的送、排風系統(tǒng)。燃氣緊急切斷閥必須與獨立的排風系統(tǒng)聯(lián)動，排風系統(tǒng)不能正常工作時，燃氣系統(tǒng)也不允許工作。

(5)供電設計：天然氣管道艙內(nèi)的電氣設備、接地系統(tǒng)均應符合《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》(GB 50058—2014)有關爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)的防爆規(guī)定，檢修插座應滿足防爆要求，且應在檢修環(huán)境安全的狀態(tài)下送電。

(6)照明設計：天然氣管道艙內(nèi)應選擇防爆燈具，照明線路應采用低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管配線，并進行隔離密封防爆處理。

(7)消防設計：消防設計中除了之前提到的防火分隔、燃氣泄漏探測及自動報警系統(tǒng)外，還需配置排煙系統(tǒng)及滅火器。排煙系統(tǒng)可以及時排出火災產(chǎn)生的煙氣，由于每個防火分隔內(nèi)各設一個機械進風和機械排風口，可將排風系統(tǒng)兼做火災時的排煙系統(tǒng)。

(8)排水設計：天然氣管道艙內(nèi)應設置獨立的集水坑。一般設置于檢修人員出入口兼出廊口、進料口處低點等位置，每個集水坑內(nèi)布置兩臺潛水泵(一用一備)，主要收集結構滲漏水火災時的消防積水等。

2　案例分析

《某智慧城燃氣系統(tǒng)專項規(guī)劃(修編)》中擬在基地內(nèi)設置區(qū)域高中壓調(diào)壓站1座及分布式能源站專用調(diào)壓站3座(設計規(guī)模均為20 000 m3/h)。燃氣專項規(guī)劃中擬沿古浪路—真南路向西敷設DN500次高壓天然氣管道至各高中壓調(diào)壓站，詳見圖1。

用戶考慮在新辟桃惠路(古浪路北側平行道路)上建造綜合管廊，工程范圍為真南路—景泰路，長度約1.5 km。設想將古浪路規(guī)劃DN500次高壓天然氣管道也納入桃惠路綜合管廊，走向方案見圖2。下面就結合此案例對天然氣管道入廊的相關問題一一進行分析。

圖1　高壓天然氣管道納入綜合管廊走向方案(局部)

2.1納入綜合管廊的天然氣管道設計壓力

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838—2015)中6.4.3中列出了不大于1.6 MPa天然氣管道的焊縫檢測要求，是否可理解為綜合管廊內(nèi)天然氣管道設計壓力最大值為1.6 MPa。筆者通過對國內(nèi)外眾多城市現(xiàn)狀共同溝資料的梳理，發(fā)現(xiàn)對管道壓力有明確描述的只有2005年建成的深圳大梅沙—鹽田坳共同溝，其中納入了一根0.4 MPa的DN400天然氣高壓管道。本案例設計的天然氣管道設計壓力為0.8 MPa，納入綜合管廊應該可行。

2.2納入綜合管廊的天然氣管道材質(zhì)

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》強制性條文6.4.2條：天然氣管道應采用無縫鋼管。目前上海燃氣市北銷售有限公司僅小口徑管道(DN100及以下規(guī)格)采用無縫鋼管，燃氣專項規(guī)劃中次高壓(設計壓力0.8 MPa)氣源管道口徑為DN500，直埋敷設中通常采用D529×10螺旋縫埋弧焊鋼管。若建設天然氣獨立艙室，則需選用《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》(GB/T 9711—2011)中推薦的D530×10無縫鋼管(L245材質(zhì))，此規(guī)格鋼管需燃氣公司另行采購。

2.3鋼管焊接

燃氣工程現(xiàn)場宜選用J507堿性焊條，氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的焊接方法焊接。所有焊縫應進行100%全周長超聲波探傷及100%全周長X射線檢驗。超聲波檢驗符合《焊縫無損檢測 超聲檢測技術、檢測等級和評定》(GB/T 11345—2013)中的Ⅰ級質(zhì)量要求。射線照相檢驗符合《無損檢測 金屬管道熔化焊環(huán)向?qū)咏宇^射線照相檢測方法》(GB/T 12605—2008)中的Ⅱ級質(zhì)量要求。無法進行射線照相的部位應采用磁粉法或滲透法進行檢驗。

2.4管道防腐處理

綜合管廊雖建造于地下，但管道架設于管廊空間內(nèi)，防腐處理需經(jīng)過甄選。目前通用的埋地管道外防腐涂層有熔結環(huán)氧粉末外防腐層和擠壓聚乙烯防腐層。熔結環(huán)氧粉末外涂層具有優(yōu)異的防腐性能，但耐磨性不好，表面處理要求及極高，且要求施工各環(huán)節(jié)都十分小心，否則施工過程中造成的補傷工作量太大；其透水率高，不太適合于地下水較高的地區(qū)。擠壓聚乙烯防腐層三層結構又稱復合涂層，是由熔結環(huán)氧粉末、共聚物膠和聚乙烯組成，其粘接力強，耐水阻氧性好，使用壽命可達50年；優(yōu)異的機械性能，使其抗施工損傷能力強；極高的絕緣電阻，使其抗相互干擾能力強?；诰C合管廊屬于地下空間，從防潮及經(jīng)濟性考慮，本案例建議采用擠壓聚乙烯防腐層三層結構。

2.5閥門設置

天然氣管道分支處應設置閥門，閥門設置在綜合管廊外部，需考慮閥門井的防沉降措施。

2.6緊急切斷閥設置

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》6.4.8條：天然氣管道進出綜合管廊時應設置具有遠程關閉功能的緊急切斷閥。本研究中設計的次高壓管道為DN500口徑，如此大口徑的緊急切斷閥需燃氣公司另行采購。另外需在地面上合適位置同步安裝控制柜，將緊急切斷閥的信號匯集后遠傳至燃氣公司調(diào)度中心；同時上傳一路監(jiān)視信號至管廊控制中心。

結合“天然氣艙室應每隔200 m采用耐火極限不低于3.0 h的不燃性墻體進行防火分隔”的規(guī)范要求，建議可每隔200 m設置一組緊急切斷閥，這樣當一個防火分隔內(nèi)發(fā)生燃氣泄漏時可迅速切斷其相鄰兩側防火分隔內(nèi)的緊急切斷閥，盡可能減少燃氣泄漏量及影響范圍。

2.7天然氣獨立艙室燃氣泄漏探測

根據(jù)相關文獻對共同溝內(nèi)燃氣擴散規(guī)律的數(shù)值模擬分析，由于天然氣的主要成分甲烷較空氣輕在擴散過程中甲烷首先向最高空間擴散，同時艙室的橫截面寬度尺寸不大，使得甲烷在同一豎向高度的摩爾組分濃度幾乎相同。因此天然氣的泄漏報警探測器布置在艙室的頂壁即可。

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣報警控制系統(tǒng)技術規(guī)程》(CJJ/T 146—2011)，應每隔15 m設置一個探測器，且探測器距任一釋放源的距離不應大于4 m。據(jù)此測算，每個防火分隔內(nèi)至少需布置14個探測器。

此外，燃氣泄漏探測器使用年限一般為3至5年，而燃氣管道的設計年限一般為30年。故在管道使用年限內(nèi)燃氣泄漏探測器需多次更新，更換成本較大。

2.8天然氣獨立艙室通風

天然氣艙室中采用機械排風方式，正常工況下6次/h，事故工況下12次/h。

由于天然氣鋼管需進行現(xiàn)場焊接，建議設置獨立的送排風系統(tǒng)，送風及排風口位于各焊點附近。由于燃氣現(xiàn)場多采用氬弧焊打底，對獨立送排風系統(tǒng)的風速也有一定的要求，既要避免保護氣體被大風帶走，又要保證有害氣體及煙塵的及時排出。共同溝通風量的確定可參考日本《共同溝設計指針》。

2.9天然氣獨立艙室的斷面尺寸

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》對于綜合管廊斷面設計的要求，本方案中DN500天然氣艙室的尺寸不應小于1.9×1.8 m。

防火門的尺寸大小及阻火包的大小也會影響到艙室的尺寸，這部分也要考慮周到。

吊裝口的凈尺寸應滿足管線、設備、人員進出的最小允許限界要求。天然氣獨立艙室斷面還應考慮更換管道時的吊裝空間(最短切割成6 m 1根)。

綜合管廊結構的設計使用年限為100年，而燃氣管道設計使用年限一般為30年?？紤]到未來發(fā)展的不可預見性，天然氣艙室內(nèi)應考慮設置一個預留管位。對于需要額外預留一個管位的天然氣艙室，為方便今后從吊裝口檢修，應在艙室兩側設置管道，檢修通道位于當中，這種情況下艙室的尺寸也要相應變大。

2.10不同管道交叉及支管接出

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》強制性條文5.4.7：天然氣管道艙室的各類孔口不得與其他艙室連通，并應設置明顯的安全警示標識。

實際中各類管道的支管接出在所難免，如何避免其他管道不穿天然氣艙室或者天然氣管道穿其他艙室，應在艙體設計中著重考慮。

在支管接出處，綜合管廊局部需進行加高加寬處理，控制接出支管埋深在1~2 m；管廊拓寬1.3 m，便于管線從側面上升引出艙室。圖2為支管接出示意圖。本方案中涉及到向南側的1#、3#分布式供能專用調(diào)壓站預留支管。

圖2　天然氣支管接出處橫斷面示意

2.11天然氣獨立艙室與周邊建構筑物等安全間距

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》5.1.6條：天然氣管道艙室與周邊建(構)筑物間距應符合《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB 50028—2006)。0.8 MPa天然氣管道艙室與建筑物外墻面的最小水平凈距不得小于5.0 m。而根據(jù)上海市工程建設規(guī)范《城市煤氣、天然氣管道工程技術規(guī)程》(DGJ 08—10—2004)，0.8 MPa天然氣管道艙室與建筑物外墻面的最小水平凈距不得小于6.0 m，根據(jù)從嚴選取的要求，本案例選取6.0 m為天然氣獨立艙室與周邊建構筑物的最小安全間距。

2.12綜合管廊的管理及維護

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》中要求：綜合管廊建成后，應由專業(yè)單位進行日常管理。

綜合管廊管理公司對綜合管廊內(nèi)的管線只負責監(jiān)管運行；各專業(yè)管線單位負責自身管線的敷設和維修，并向管理公司支付綜合管廊使用費和維護費。

相比傳統(tǒng)的開挖直埋敷設方式，專業(yè)管線納入綜合管廊后需額外支付管廊使用費及維護費，這對于市政公用管線單位來說無疑是一筆不小的開銷。如果沒有國家或地方政府的鼓勵政策，以及相關法律法規(guī)的支持，綜合管廊的運營將會矛盾輩出。

再者，綜合管廊的運行管理離不開信息技術的支持。綜合管廊日常管理單位信息平臺的構建、各專用管線單位信息平臺的構建、兩者之間數(shù)據(jù)的傳輸與共享等，可見信息平臺的建設量不容小視。

3　其他設想

3.1套管方案

根據(jù)天然氣管道艙室每隔200 m進行防火分隔設計的思路，天然氣管道以200 m為單元進行分段設計，每個單元之間用工作井分隔，艙室內(nèi)設置鋼套管，燃氣主管(即芯管)設置于套管內(nèi)。這樣設計有以下優(yōu)點：一方面便于通過兩側工作井抽出更換芯管，另一方面安裝套管后天然氣管道艙室內(nèi)的泄漏報警探頭設置數(shù)量可以適當減少。但是套管方案只適合于綜合管廊筆直的情形，對于彎曲道路下的綜合管廊，艙體尺寸還應考慮到管道轉彎的角度，偏差控制在成品彎管2°以內(nèi)。

3.2天然氣艙室內(nèi)燃氣管道材質(zhì)選取

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》強制性條文6.4.2：天然氣管道應采用無縫鋼管。實際中可能存在以下困難：吊裝口的設置受限、鋼管焊接過程的排煙設置等。

由于綜合管廊工程的結構設計使用年限為100年，對于納入其中的管道而言，有必要選擇一種使用壽命長的管道，延長管網(wǎng)的改造周期。目前鋼管的使用年限約為20~30年，而聚乙烯管的使用壽命可達到50年。聚乙烯管不需要防腐處理，這與鋼管相比具有很好的經(jīng)濟性。同時，聚乙烯管本身的柔韌性好，可以蛇形敷設；它的抗沖擊性也比鋼管好，能較好地抵御地震等自然災害的影響；聚乙烯管的連接方式有電熔和熱熔兩種，施工起來相比鋼管焊接容易；相同壓力等級要求的管材，單位重量更輕，搬運方便，施工過程中無須大型機械設備的在線配合作業(yè)。

不足的是，聚乙烯管在抗銳器直接破壞方面較差，工作溫度在-20~40℃之間，且其良好的絕緣性容易產(chǎn)生靜電積聚導致危險，以及塑料本身的易燃性都可能成為使用過程中的安全隱患。

由此可見，通過在施工中采取有效的防護措施、安裝支架經(jīng)過特殊處理、對靜電采取接地處理、控制艙體內(nèi)的溫度在一定范圍內(nèi)，以及良好的消防噴淋設施跟進等，在綜合管廊內(nèi)是有可能采用聚乙烯管的。

隨著聚乙烯管道的快速發(fā)展，管道的使用壓力在不斷提高，可以預見在不久的將來，聚乙烯管道應用在綜合管廊還是有巨大潛力的。屆時，在廣泛調(diào)研的基礎上，相關的設計規(guī)范也需及時修編。

4　結語

天然氣管道入廊設計是一個復雜的過程，需要眾多專業(yè)的配合研究。隨著國內(nèi)綜合管廊建設工程的逐步實踐，以及相關法律法規(guī)及政策的出臺，天然氣管道入廊必將得到推廣。

Design Considerations for the Inclusion of Natural Gas Pipelines in the Utility Tunnel

Shanghai Gas Engineering Design and Research Co., Ltd.Cai Ying

With the issue of new national standards, the construction of the utility tunnel will up to a new peak. This paper induces linked design of natural gas pipeline in utility tunnel, and analyzes cases in the planning stage, and gives some suggestion.

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