張學(xué)妙, 張 林

(1.青島能源設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東青島266073；2.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院， 山東濟(jì)南250101)

1 工程概況

安順路位于青島市火車北站東側(cè)交通商務(wù)區(qū)，南北走向，距離膠州灣約400 m，地震設(shè)防烈度為7度，地下水位較高，冬夏季環(huán)境濕度較大，該路段地質(zhì)是回填土，安順路是青島市規(guī)劃的重要交通干道，雙向八車道，綠線寬60 m。汾陽路至濱海路之間采用綜合管廊，熱力、電力、通信、給水、污水、天然氣等管線全部入綜合管廊。

安順路綜合管廊內(nèi)天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為中壓A，壓力為0.4 MPa，管材為無縫鋼管，管道外徑為323.9 mm，壁厚為7 mm,全長(zhǎng)為2 100 m。天然氣艙室凈尺寸寬1.9 m，高2.4 m。

2 天然氣管道入綜合管廊的問題分析

① 綜合管廊墻體裂縫

綜合管廊的基礎(chǔ)位于松軟及高水位的地質(zhì)上，極易出現(xiàn)不均勻沉降[1]。本工程地質(zhì)報(bào)告顯示，綜合管廊位置為回填土，較為松軟，同時(shí)地下水位較高，易出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生綜合管廊墻體裂縫，需要對(duì)地基進(jìn)行特殊處理。一旦天然氣管道產(chǎn)生破損漏氣，天然氣則會(huì)通過綜合管廊墻體裂縫進(jìn)入相鄰艙室，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重安全事故。

② 管道腐蝕

為不影響道路建設(shè)及綠化，綜合管廊頂覆土一般為2～3 m。由于安順路處于高水位地區(qū)，對(duì)施工要求高，如果防水做不好，綜合管廊內(nèi)濕度將顯著增大，在管道外壁上會(huì)出現(xiàn)水滴。

安順路距海邊不足400 m,屬于沿海潮濕地區(qū)，夏季溫度較高，在對(duì)綜合管廊通風(fēng)換氣時(shí)，較高溫度的潮濕空氣進(jìn)入綜合管廊內(nèi)，遇到較低溫度的管道，便會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

上述兩種現(xiàn)象均會(huì)造成鋼質(zhì)管道防腐漆破壞而腐蝕，嚴(yán)重時(shí)易造成漏氣事故。

③ 局部防腐層破壞

本項(xiàng)目天然氣管道在艙室內(nèi)架空敷設(shè)，每隔10 m設(shè)置一個(gè)支架，支架分滑動(dòng)支架、導(dǎo)向支架、固定支架。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50838—2015第7.1.6條，天然氣管道艙的艙室每隔200 m需要采用防火分隔。主管道需要穿越防火隔墻，支管需要穿越艙室頂板或側(cè)墻。在安裝管道支架時(shí)和以后的運(yùn)行過程中，支架和穿墻體套管對(duì)管道防腐層損傷較大，防腐層一旦損壞，由于操作空間的原因極難修補(bǔ)，從而造成局部管道腐蝕。

④ 管道膨脹

GB 50838—2015第7.2.2條規(guī)定，天然氣管道艙室正常通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于6次/h。進(jìn)入綜合管廊的空氣冬夏季節(jié)晝夜溫度變化較大，對(duì)較長(zhǎng)的直線段燃?xì)夤艿雷冃屋^大，如果不采取有效措施，易造成管道破壞。

⑤ 管道漂浮

在安順路地下水位較高的地方，綜合管廊若不做好抗浮設(shè)計(jì)，易產(chǎn)生漂浮。綜合管廊若滲水或通過井口、安裝口進(jìn)入雨水，天然氣管道也易產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象。

3 天然氣管道入管廊的安全技術(shù)措施

① 優(yōu)化管廊結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB 50838—2015第4.3.4條要求，天然氣管道應(yīng)在獨(dú)立艙室內(nèi)敷設(shè)。采取如下措施，優(yōu)化綜合管廊結(jié)構(gòu)，解決綜合管廊地基不均勻沉降而導(dǎo)致綜合管廊墻體裂縫問題。

a.綜合管廊地基施工時(shí)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開挖，換填的褥墊層采用水泥穩(wěn)定石屑(6%水泥用量),增強(qiáng)換填材料的膠凝性，使得換填材料形成整體，墊層采用20 cm厚的鋼筋混凝土，在底部形成水平的支撐[1]。

b.天然氣艙室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)；按乙級(jí)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

c.將天然氣艙室壁與鄰近艙室壁分開設(shè)置，之間設(shè)置沉降縫，即使綜合管廊基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，天然氣艙和鄰近艙室墻體同時(shí)同一地點(diǎn)產(chǎn)生裂縫的概率大大變小，綜合管廊沉降縫斷面見圖1。

圖1 綜合管廊沉降縫斷面

② 管道防腐采用加強(qiáng)級(jí)3PE防腐層

針對(duì)綜合管廊內(nèi)濕度大，管道外壁上易附著水滴和結(jié)露現(xiàn)象，綜合分析涂刷防銹漆及擠壓聚乙烯防腐層(分二層和三層兩種)、熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層、聚乙烯膠帶防腐層、石油瀝青防腐層、環(huán)氧煤瀝青防腐層、氯磺化聚乙烯防腐層等防腐材料，本工程管道外防腐層優(yōu)選加強(qiáng)級(jí)3PE防腐層。

加強(qiáng)級(jí)3PE防腐層最內(nèi)層結(jié)構(gòu)為環(huán)氧粉末涂層，厚度大于等于120 μm，具有力學(xué)性能好、耐腐蝕性能好、抗剝離強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；中間為膠粘劑層，最外層為加強(qiáng)級(jí)聚乙烯層，具有抗腐蝕性、抗水氣滲透性等優(yōu)點(diǎn)。

直管段加強(qiáng)級(jí)3PE防腐層采取工廠內(nèi)加工生產(chǎn)，補(bǔ)口補(bǔ)傷現(xiàn)場(chǎng)操作，補(bǔ)口補(bǔ)傷材料應(yīng)使用與原防腐層相容的材料。

焊口部位補(bǔ)口采用環(huán)氧樹脂底漆和輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套。對(duì)長(zhǎng)度小于或等于30 mm的損傷，采用輻射交聯(lián)聚乙烯補(bǔ)傷片進(jìn)行修補(bǔ)。補(bǔ)傷片的性能應(yīng)達(dá)到對(duì)收縮套(帶)的規(guī)定，補(bǔ)傷片對(duì)聚乙烯的剝離強(qiáng)度應(yīng)不低于50 N/cm，補(bǔ)傷片的大小應(yīng)保證其邊緣距聚乙烯層的孔洞邊緣不小于100 mm。對(duì)于長(zhǎng)度大于30 mm的損傷,貼補(bǔ)傷片后應(yīng)在補(bǔ)傷處包覆一條熱收縮帶，包覆寬度應(yīng)比補(bǔ)傷片的兩邊至少各大于50 mm。

③ 對(duì)局部防腐層采用光固化保護(hù)套防護(hù)

為避免支架和穿墻體套管對(duì)管道防腐層的損傷，本項(xiàng)目在支架和穿墻處對(duì)鋼管的外防腐層加設(shè)光固化保護(hù)套對(duì)防腐層進(jìn)行防護(hù)。

光固化保護(hù)套原材料是由聚氨酯、玻璃纖維、工程塑料、絕緣骨料等組成的復(fù)合材料，此材料附著于鋼管防腐層上，形成具有很高的絕緣性能和抗機(jī)械損傷強(qiáng)度的保護(hù)套，特點(diǎn)是軟化點(diǎn)高、耐熱、耐磨損、電絕緣性好、有自熄性、無毒、耐候性好，能在高溫、高濕的條件下工作。

經(jīng)過對(duì)支架和穿墻體部位鋼管防腐層進(jìn)行光固化保護(hù)套保護(hù)處理后，鋼管使用壽命可大大延長(zhǎng)。

④ 設(shè)置方形補(bǔ)償器

天然氣管道入艙室架空敷設(shè)，部分直線管段較長(zhǎng)，約為200 m，由于冬夏季晝夜溫差較大，約為20 ℃，需要進(jìn)行補(bǔ)償。為避免補(bǔ)償器產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，天然氣管道艙室內(nèi)不采用套筒式補(bǔ)償器、波紋管補(bǔ)償器。如果綜合管廊有上下變坡，或水平有不同角度變向的，一般應(yīng)采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞?，在自然補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)變形量設(shè)置方形補(bǔ)償器[2]。

管道因溫度差引起的軸向變形量，應(yīng)按式(1)計(jì)算：

ΔL=αLΔt

(1)

式中 ΔL——管道變形量，m

α——鋼管線膨脹系數(shù)，K-1,取12×10-6K-1

L——計(jì)算管段長(zhǎng)度，m，取200 m

Δt——管道安裝溫度與最低或最高環(huán)境溫度之差，℃，取20 ℃

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，200 m長(zhǎng)的管道變形量為48 mm，需要采用方形補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。方形補(bǔ)償器的外徑325 mm，壁厚7 mm，高1.944 m，長(zhǎng)4.211 m，曲率半徑為2.5D(D為管道外徑)，最大補(bǔ)償量為119 mm。

經(jīng)計(jì)算，采用方形補(bǔ)償器后，DN 200 mm及以下的天然氣管道需要綜合管廊艙室的高度為2.4 m，DN 300 mm的天然氣管道需要綜合管廊艙室的高度為3.0 m。安順路中壓管道天然氣艙室高度需要由2.4 m增高到3.0 m。為減少投資，只在設(shè)置方形補(bǔ)償器的位置，將天然氣艙室局部增高。

⑤ 抗漂浮設(shè)計(jì)

由于管廊建成后有可能準(zhǔn)備入廊的管線還沒有安裝，因此，在計(jì)算時(shí)，不計(jì)入綜合管廊內(nèi)管線和設(shè)備的重量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗漂浮穩(wěn)定設(shè)計(jì)。綜合管廊應(yīng)按不低于二級(jí)的要求做好防水設(shè)計(jì)。為解決管道漂浮問題，本項(xiàng)目采用固定管卡將管道固定好。

⑥ 天然氣艙室防火、防爆

a.緊急自動(dòng)切斷閥

在天然氣管道進(jìn)出綜合管廊的位置設(shè)置緊急自動(dòng)切斷閥，每隔1 km設(shè)置分段閥門一個(gè)，分段閥門采用緊急自動(dòng)切斷閥；緊急自動(dòng)切斷閥采用全焊接全通徑電液聯(lián)動(dòng)防爆鍛鋼球閥[2]，該切斷閥具有防火性能和遠(yuǎn)程控制功能。

b.穿越防火隔墻

天然氣艙室每隔200 m設(shè)防火隔墻進(jìn)行分隔，防火隔墻處的門應(yīng)使用甲級(jí)防火門，天然氣管道穿越防火隔墻時(shí)必須采用阻火包等防火封堵措施進(jìn)行嚴(yán)密封堵，防止竄火現(xiàn)象。管道穿防火隔墻阻火包封堵見圖2。

圖2 管道穿防火隔墻阻火包封堵

c.報(bào)警、通風(fēng)系統(tǒng)

為確保天然氣艙室內(nèi)的天然氣體積分?jǐn)?shù)始終在其爆炸下限的20%以下，本項(xiàng)目設(shè)置防爆型通風(fēng)設(shè)備，風(fēng)機(jī)應(yīng)確保24 h不間斷運(yùn)行，正常情況下，天然氣艙室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于6次/h；事故狀態(tài)下，天然氣艙室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于12次/h。在沒有閥門的天然氣艙室內(nèi)正常情況下的通風(fēng)換氣次數(shù)可以適當(dāng)減少，但不應(yīng)小于3次/h。

d.電氣照明系統(tǒng)

天然氣艙室電氣防爆等級(jí)按GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中“1區(qū)”設(shè)計(jì)的規(guī)定進(jìn)行電氣設(shè)施設(shè)計(jì)。

e.優(yōu)選泄漏報(bào)警探頭

綜合管廊內(nèi)濕度大，催化燃燒式泄漏報(bào)警器易發(fā)生誤報(bào)。激光燃?xì)庑孤﹫?bào)警器適用的相對(duì)濕度為5%～95%，更適應(yīng)綜合管廊內(nèi)潮濕的環(huán)境[3]。因此，本項(xiàng)目泄漏報(bào)警探頭采用激光天然氣泄漏報(bào)警探頭。