同濟大學機械與能源工程學院 周偉國 陳迪波

0 概述

綜合管廊是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施，其將電力、通信、給水、排水、燃氣、熱力等多種市政管線集中在一體，實行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”，以做到地下空間的綜合利用和資源共享。隨著綜合管廊建設(shè)的高速發(fā)展，城市燃氣管道入廊也受到越來越多的重視，但是燃氣管道入廊存在較大的安全風險，需要尋求更好的管理模式來有效降低風險。

管道完整性是指管道處于安全可靠的服役狀態(tài)，包括管道在結(jié)構(gòu)和功能的完整；管道處于風險可控的狀態(tài)；管道的安全狀態(tài)可滿足當前運行要求。入廊燃氣管道作為城市燃氣管網(wǎng)的一部分，采用完整性管理模式可以根據(jù)不斷變化的外界因素，對管道運行中面臨的風險進行評價，制定相應(yīng)的對策降低風險，通過采用合適的監(jiān)測及檢測手段，對管道的完整性進行評估，預(yù)防事故的發(fā)生，最終達到入廊燃氣管的的安全運行。

1 燃氣管道入廊優(yōu)缺點及入廊實例

1.1 燃氣管道入綜合管廊優(yōu)點

(1)導致燃氣泄露的主要原因有第三方破壞和腐蝕。第三方破壞包括周邊設(shè)施施工或鉆探作業(yè)而破壞地下管道、地表荷載如建筑物壓力引起的變形破裂、土壤與管道產(chǎn)生相對運動如地表沉降導致管道破損，腐蝕主要包括管道外防腐層破壞、雜散電流影響等造成的管道外腐蝕和由于管道內(nèi)存在腐蝕介質(zhì)導致的內(nèi)腐蝕。燃氣管道敷設(shè)于管廊艙內(nèi)，可以減少管道常見破壞方式如土壤腐蝕、第三方施工破壞的影響。

(2)綜合管廊內(nèi)消防、通風、監(jiān)控與報警等附屬設(shè)施技術(shù)要求較高，可以依靠綜合管廊內(nèi)先進的監(jiān)控系統(tǒng)和燃氣泄漏報警系統(tǒng)，隨時掌握管廊內(nèi)燃氣管線運行狀況。

(3)避免出現(xiàn)埋地管道在更新維護時引起的道路反復(fù)開挖所帶來的經(jīng)濟損失和交通擁堵等問題。

1.2 燃氣管道入綜合管廊缺點

(1)經(jīng)濟性問題。對比于傳統(tǒng)方式，施工難度及工程造價高。燃氣管道納入綜合管廊后需要設(shè)置通風、監(jiān)測、防爆的附屬設(shè)施要求高，同時需額外支付入廊費、租賃費、管溝維護費等費用。根據(jù)陳元洪等人的《城市燃氣管道入綜合管廊問題及對策研究》，部分燃氣管道入廊預(yù)計分攤的綜合管廊建設(shè)費用將是直埋方式造價的7倍以上。

(2)安全性問題。天然氣的主要成分為甲烷，爆炸極限是5%～15%，綜合管廊是一個較為密閉的地下空間，一旦燃氣泄露導致爆炸易在管廊內(nèi)擴散，也將直接威脅到管廊內(nèi)其它管線的安全運行。同時綜合管廊大多數(shù)建在不允許重新開挖的交通繁忙地段，事故發(fā)生將會導致較大的社會、經(jīng)濟風險。

1.3 國內(nèi)外燃氣管道入廊實例

燃氣管道是否應(yīng)該納入綜合管廊從理論上來講并沒有絕對的結(jié)論，它和城市的經(jīng)濟發(fā)展水平、地下空間的利用效率、技術(shù)的發(fā)展水平以及風險承受能力等等有著一定的關(guān)系。

在日本、英國、德國、俄羅斯等國家，燃氣入廊得到了實施，且并未出現(xiàn)重大的安全事故，國外燃氣管線入廊主要有兩種形式，一種是燃氣管道和電力、污水、自來水等管道共同敷設(shè)，另一種是將燃氣管道單獨設(shè)置在一個艙室內(nèi)。以日本為例，日本于 1963年制訂了《關(guān)于建設(shè)共同溝的特別措施法》，1986年制訂了《綜合管廊設(shè)計準則》，燃氣管道入廊在日本是有明確法律和規(guī)范依據(jù)的，要求燃氣管道宜設(shè)置在單獨艙，若與其他設(shè)施同艙，應(yīng)設(shè)隔板隔開。近些年來我國也有燃氣管道入廊的相關(guān)實例見表1。

表1 我國燃氣管道納入綜合管廊情況

對于經(jīng)濟性問題，雖然管道入廊帶來工程造價提升，但是據(jù)郭瑩等人的《市政綜合廊道費用——效益分析方法和實例研究》，若考慮社會效益、環(huán)境效益與防減災(zāi)效益等外部效益，與分散直埋形式相比，市政綜合廊道的外部效益與其成本比起來是相當可觀的，效費比集中在1.5～2.5之間。

對于安全性問題，借鑒管道完整性管理模式，形成適合于入廊燃氣管道的完整性管理方案將可以減少安全風險。

2 入廊燃氣管道完整性管理流程及原則

2.1 完整性管理流程

入廊燃氣管道的完整性管理是一個周而復(fù)始的過程(見圖1)，主要包括五大項目：

(1)數(shù)據(jù)的采集與整合分析，包括管道及綜合管廊設(shè)計建造的原始數(shù)據(jù)、管道運行過程中的數(shù)據(jù)、管道維修數(shù)據(jù)等。

(2)風險評價，通過風險評價確定相關(guān)檢測的優(yōu)先級。

(3)基于風險的檢測及日常監(jiān)測，對于高風險管段，及時采取合適的技術(shù)手段檢測，同時注重管廊內(nèi)管道的日常監(jiān)測。

(4)完整性評價，通過監(jiān)測及檢測對管道的完整性進行評價，確定管道適用性。

(5)對完整性評價的響應(yīng)措施，及時檢修和維護不適用管段。完整性管理的整個流程的數(shù)據(jù)需要納入到數(shù)據(jù)庫中，作為全生命周期管理的一部分，確保入廊管道的安全運行。

圖1 入廊燃氣管道完整性管理流程

2.2 完整性管理原則

入廊燃氣管道的完整性管理是一個隨著時間推進的持續(xù)過程，腐蝕、老化、機械損傷等可以導致管道失效的多種因素都隨著時間的流逝不斷的影響管道的完整性。所以第一原則是必須持續(xù)不斷的對管道進行風險評價、監(jiān)測檢測、完整性評價、維修維護等動態(tài)管理。另外，對于已確定將燃氣管道納入綜合管廊的項目，在設(shè)計、建設(shè)時就應(yīng)該融入管道完整性管理的理念和做法，并且在隨著科技不斷進步的同時及時引入新的技術(shù)。

3 入廊燃氣管道完整性管理實施關(guān)鍵點分析

管道完整性管理是一個覆蓋燃氣管道設(shè)計、施工、運營、維護等全周期的過程。入廊燃氣管道與埋地燃氣管道的差異主要在其敷設(shè)環(huán)境。對于入廊燃氣管道在完整性管理主要考慮以下幾個關(guān)鍵點：

3.1 建立完善的數(shù)據(jù)庫

完善的數(shù)據(jù)庫是管道完整性管理的核心基礎(chǔ)。管道完整性數(shù)據(jù)庫不僅包含管道本身數(shù)據(jù)，還涵蓋了管道完整性管理全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)以及管廊相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)來源主要包括以下幾個方面：

(1)特征數(shù)據(jù)：管道原始數(shù)據(jù)、敷設(shè)環(huán)境數(shù)據(jù)、管廊相關(guān)數(shù)據(jù)等。

(2)設(shè)計施工數(shù)據(jù)：設(shè)計安裝日期、管道連接方法、防腐層情況、陰極保護、管廊的消防、照明、通風、報警、排水等的設(shè)計施工數(shù)據(jù)等。

(3)運行操作數(shù)據(jù)：作業(yè)人員操作記錄、管內(nèi)流量、調(diào)壓泄壓等。

(4)檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)：管廊內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)、管道防腐層檢測、陰極保護檢測、附屬設(shè)施檢查等。

(5)事故和風險數(shù)據(jù)：事故發(fā)生記錄、風險評價數(shù)據(jù)等。對于入廊燃氣管道而言，綜合管廊是在近幾年開始新興發(fā)展，管道原始資料可得性較好，但是企業(yè)也應(yīng)注意全周期中保存好相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，建立完善的數(shù)據(jù)庫。

3.2 選擇合適的風險評價方法

管道完整性管理的風險評價目的是根據(jù)風險評價的結(jié)果將管理的優(yōu)先級合理排序，降低管道管理運行成本。一般的風險評估方法有專家打分法、相對評價法、情景評價法和概率評價法。專家打分法是定性分析方法，以專家經(jīng)驗判斷為主；相對評價法是半定量方法，是根據(jù)管理經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的評價手段；情景評價法和概率評價法是定量評價方法，所需要的數(shù)據(jù)較多。

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)，明確規(guī)定天然氣管道應(yīng)在獨立艙室內(nèi)敷設(shè)，所以除了可以采用常規(guī)風險評價方法外，是可以通過軟件模擬的方式對艙室內(nèi)的燃氣管道進行風險評估的。相關(guān)企業(yè)有采用二維PHAST軟件進行火災(zāi)模擬分析，采用三維 FLACS軟件進行爆炸模擬分析的案例，通過假設(shè)不同的工況進行爆炸及火災(zāi)后果的對比分析確定管道入廊風險。采用軟件模擬的方式相較于其他評價方法更加直觀，所以對于入廊燃氣管道建議結(jié)合模擬的方式進行風險評價。

3.3 選擇合適的檢測及監(jiān)測技術(shù)

管道檢測技術(shù)是完整性管理的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的管道完整性檢測技術(shù)主要包括管道內(nèi)檢測、外檢測和其他檢測，見圖2。

圖2 常見的管道檢測技術(shù)

管道內(nèi)檢測技術(shù)是指檢測儀器進入管道內(nèi)部，儀器沿管道進行實施檢測，記錄測量結(jié)果經(jīng)處理后輸出一整套數(shù)據(jù)來反應(yīng)管道狀態(tài)。管道內(nèi)檢測需要停氣，城市燃氣管道停氣的社會影響較大，一般不進行運營期的內(nèi)檢測。皮爾遜(Pearson)檢測法、直流電位梯度(DCVG)檢測法、多頻管中電流(PCM/PCM+)檢測法、密間隔電位(CIPS)檢測法等需要土壤介質(zhì)來判斷破損點在土壤形成的電勢場或電流從破損點流入土壤后的變化，一般適用于埋地燃氣管道的防腐層破損點的檢測。

對于入廊燃氣管道，建議可以采用超聲導波檢測技術(shù)，超聲導波在管的內(nèi)、外表面和中部都有質(zhì)點的振動,聲場遍及整個壁厚,既可以檢測管道的內(nèi)部缺陷也可以檢測管道的表面缺陷。另外入廊管道焊縫檢測還要求次高壓管道為100%射線、100%超聲波檢驗，中壓管道為100%射線檢驗或100%超聲波檢驗。對于管道的接口、閥門等連接處也要作為重點檢查對象，加密檢查頻次。根據(jù)規(guī)范，天然氣管道艙應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測報警系統(tǒng)。入廊燃氣管道除了定期檢測外，更重要的是進行日常的監(jiān)測。綜合管廊監(jiān)測的系統(tǒng)功能包含兩部分：

(1)環(huán)境監(jiān)測。對于燃氣管道而言主要是對管廊艙內(nèi)可燃氣體的監(jiān)測，當管廊內(nèi)的可燃氣體濃度出現(xiàn)異常時及時切斷閥門。

(2)管廊自身變形監(jiān)測。在管廊內(nèi)壁墻壁內(nèi)埋設(shè)多點位移計、傾斜儀等傳感器，管廊本身出現(xiàn)異常也應(yīng)及時切斷閥門。

3.4 基于完整性評價制定及時的響應(yīng)措施

根據(jù)風險評價和完整性評價的結(jié)果，對發(fā)現(xiàn)影響管道安全運行的隱患，應(yīng)及時采取各種措施來進行消除或減緩，通過維修或更換使管道的缺陷到下個完整性檢測周期不會發(fā)展成高危險性缺陷。另外，由于綜合管廊存在多家單位的設(shè)施運行，對于燃氣管道的責任單位要積極協(xié)調(diào)，同時制定燃氣管道設(shè)施應(yīng)急預(yù)案，明確應(yīng)急措施，要求作業(yè)人員熟悉綜合管廊及其相關(guān)附屬設(shè)施的位置，特別是控制閥門和綜合管廊逃生口的位置，確保一旦出現(xiàn)險情，可以迅速響應(yīng)。

4 結(jié)語

燃氣管道隨著技術(shù)的進步及地下空間利用的要求會越來越多地進入綜合管廊。而管道完整性管理可以實現(xiàn)入廊燃氣管道運行管理由事后響應(yīng)變事前檢測預(yù)防，防止管道失效或事故發(fā)生，降低運營風險，使管道始終處于受控狀態(tài)，在一定程度上體現(xiàn)了入廊管道的管理水平提升，從而達到管道安全運行的目的。