上海燃氣工程設計研究有限公司 林驍雋

埋地天然氣管道外設套管，是目前國內(nèi)天然氣管道工程中較為常用的一種對管道的保護措施。但由于套管會對管道陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，同時套管的密封以及套管與芯管之間空間中介質(zhì)的不確定性，對判斷和解決這種影響造成了較大的困難。本文將通過對天然氣管道工程中套管使用現(xiàn)狀的介紹、套管與芯管之間空間狀況的分析、套管性能的對比以及管道上方載荷的計算，來淺析天然氣管道工程中套管使用的利弊，并提出相關建議以提高管道的使用壽命，降低管道運維的難度。

1 套管使用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)天然氣管道工程中，一般在下列兩種情況中設置套管：一是管道敷設于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方；二是采用頂管穿越施工工藝的管道。

加設套管能夠保證管道的管位，在需要更換芯管時，施工不會影響現(xiàn)狀設施的正常運行。此外，套管可承受較高的靜載和動載，并防止第三方破壞。但同時套管帶來的管道腐蝕問題也較為明顯，主要體現(xiàn)在套管會對天然氣管道陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生屏蔽作用。

天然氣管道陰極保護系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示。

設置套管后，相當于在原先的電解質(zhì)中增加了屏障，保護電流無法形成有效的回路，使套管內(nèi)芯管的陰極保護失效，產(chǎn)生腐蝕風險，如圖2所示。

針對該屏蔽問題，目前較為常用的方法是在套管內(nèi)加深帶狀或鐲式的陽極，從而在套管內(nèi)形成單獨的電流回路，對管道起到保護作用。但是套管與芯管之間的空間狀況較為復雜，常常會發(fā)生意想不到的情況導致無法達到預期的保護效果。

圖1 陰極保護系統(tǒng)工作原理

圖2 陰極保護電流被套管屏蔽示意

2 套管與芯管之間空間狀況分析

套管與芯管之間的空間狀況通常有以下六種。

2.1 套管與芯管之間為電氣隔離

該情況空間介質(zhì)為空氣，此時外部的陰極保護電流無法穿過套管與芯管之間的空間介質(zhì)，保護的對象其實為與土壤接觸的套管。內(nèi)部的陰極保護系統(tǒng)因為無電解質(zhì)存在而無法形成保護電流，故芯管處于完全未受到保護的狀態(tài)。

2.2 套管與芯管之間為金屬短路

該情況空間介質(zhì)為空氣，但套管與芯管之間發(fā)生了金屬短路(金屬短路的原因一般是芯管未設置絕緣支架、支架安裝不當或失效，芯管出現(xiàn)移動或沉降而與套管發(fā)生物理接觸)，此時外部的陰極保護電流雖然能夠通過短路處到達與土壤接觸的套管，但是只要防腐層漏點處不是發(fā)生短路處，那么該漏點無法得到保護。內(nèi)部的陰極保護因為無電解質(zhì)存在而無法形成保護電流，故芯管從理論上來說處于未受到保護的狀態(tài)。

2.3 套管與芯管之間有部分電解質(zhì)，但未出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)下半部分為水，上半部分為空氣，此時與電解質(zhì)接觸的部分防腐層漏點能夠受到外部與內(nèi)部陰極保護系統(tǒng)的保護，但由于電解質(zhì)由原先的土壤變?yōu)榱怂?，保護電流無法確定，從而無法判斷保護效果。未與電解質(zhì)接觸的部分防腐層漏點則與上述2.1中的情況相同，處于未受到保護的狀態(tài)。

2.4 套管與芯管之間有部分電解質(zhì)，同時出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)下半部分為水，上半部分為空氣，同時套管與芯管之間發(fā)生了金屬短路，此時外部和內(nèi)部陰極保護電流都將通過短路處流出芯管，而不是從電解質(zhì)處流出，故芯管處于未受到保護的狀態(tài)，若與電解質(zhì)接觸部分的芯管存在防腐層缺陷，還將出現(xiàn)自然腐蝕，從而進一步加深管道的腐蝕程度。

2.5 套管與芯管之間充滿電解質(zhì)，但未出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)為水，所有防腐層缺陷均能夠受到外部及內(nèi)部陰極保護電流的保護，但由于電解質(zhì)是水而不是土壤，故保護電流強度與常規(guī)不同，需另行計算。

2.6 套管與芯管之間充滿電解質(zhì)，同時出現(xiàn)金屬短路

該情況空間介質(zhì)為水，同時管與芯管之間發(fā)生了金屬短路，此時的情況與上述2.4中的情況類似。且由于全部的芯管均與電解質(zhì)接觸，更進一步加大了產(chǎn)生自然腐蝕的風險。這種腐蝕發(fā)生在芯管，而測試樁上的電位僅能夠體現(xiàn)套管的保護情況，故芯管的腐蝕完全處于未知的失控狀態(tài)。

目前管道的建設及運維單位往往認為使用套管能夠增強管道安全性。因為使用套管后，一些隨著時間變化的威脅，如第三方挖掘破壞、外力損壞等風險因素基本上都被消除。但是通過對上述六種狀況的分析可以看出無論套管與芯管之間是完全電氣隔離，還是存在部分電解質(zhì)，或者充滿電解質(zhì)，以及是否出現(xiàn)金屬短路幾種情況的組合，芯管的陰極保護均處于失效或者未知的狀態(tài)，顯然套管的使用會使芯管外表面腐蝕的可能性增大，反而降低了管道本體的安全性。

若套管與芯管之間的環(huán)形空間內(nèi)沒有電流回路，常規(guī)的地面間接檢查工具對于套管是無效的。即使將電解質(zhì)引入環(huán)形空間，套管可能仍發(fā)揮著屏蔽作用，使得大部分有關陰極保護水平或防腐層狀態(tài)的間接檢查工具失去意義。

3 套管性能對比

目前，在燃氣管道工程中運用較為廣泛的套管為鋼套管及鋼筋混凝土套管。鋼套管與鋼筋混凝土套管的性能對比主要體現(xiàn)在以下五點。

3.1 套管強度

套管強度越強，能夠承受的推力就越大，在不加設中繼環(huán)的前提下能夠頂進的長度也越長。

從管道本身的強度來說，鋼套管優(yōu)于鋼筋混凝土套管。特別是在長距離頂管工程中，在套管頂進的后期，主千斤頂?shù)耐屏﹄S套管進入的長度而加大。當該推力達到套管材質(zhì)所能承受的最大強度的80%時，必須采取加設中繼環(huán)的措施對套管進行分段，避免過大的推力對套管本身造成破壞。

3.2 單管長度

單管長度將決定管道接口的數(shù)量，過多的接口數(shù)量將會降低管道的平順性，無論是對芯管的推進還是套管本身整體的平順都會造成一定的影響。

目前，在燃氣管道工程中廣泛運用的鋼筋混凝土管一般為2 m/根，鋼套管一般為10～12 m /根，鋼管廠能夠根據(jù)客戶需求對在頂管工程中所使用的鋼套管長度進行定制。在城鎮(zhèn)燃氣工程中，頂管中采用的鋼套管及芯管多為5～6 m/根。

3.3 連接方式

鋼筋混凝土套管按管道接頭型式的不同，又可分為平口式管、承插式管和企口式管，具有連接便捷、施工難度低和施工周期短的特點。鋼套管的連接方式為焊接。

3.4 防腐性

作為埋地管道，防腐性能是影響管道使用壽命的一項極為重要的指標。

混凝土的材料特點即是具有極優(yōu)的防腐性能，當采用鋼筋混凝土套管時，可不考慮套管的防腐措施。而采用鋼套管時，情況則完全相反。當鋼管敷設于土壤中時，極易與土壤發(fā)生氧化反應，也就是腐蝕，所以必須采取防腐措施。但因鋼套管在頂進過程中會與土壤產(chǎn)生劇烈摩擦，無法在鋼套管外壁采用如其他埋地鋼管所包覆的 3PE等防腐層。目前，對鋼套管常用的防腐措施為設置犧牲陽極保護包，以此來減緩鋼管套的氧化速度。即使如此，在大量燃氣管道工程投產(chǎn)后的運行過程中還是會發(fā)生鋼套管被腐蝕破壞的情況。

3.5 防水性

首先，從套管本身材質(zhì)來說，鋼套管相比鋼筋混凝土套管具有更好的緊密性，在不考慮連接及兩端封口的前提下，鋼套管的材料特性能夠完全隔離外部水分，而鋼筋混凝土套管則往往會發(fā)生滲水的情況。

其次，從管道連接方式來說，鋼管的焊接也比鋼筋混凈土管道的連接方式具有更好的防水性能。

但是考慮到埋地敷設這兩種材質(zhì)管道的腐蝕情況，鋼套管比鋼筋混凝土套管更容易發(fā)生腐蝕破壞，而一旦鋼套管被腐蝕穿透，上述的所有防水優(yōu)勢將不復存在，反而會成為其的劣勢。

工程實踐中，需要總體考慮以上兩種材質(zhì)的防水性。在竣工后較短的時間內(nèi)，鋼套管的防水性能遠優(yōu)于鋼筋混凝土套管；而隨著時間的推移，鋼套管的這個優(yōu)點則會逐漸減弱直至消逝。

綜上所述，鋼套管和鋼筋混凝土套管各自的性能對比見表1。

表1 鋼套管和鋼筋混凝土套管性能

通過對比可以看出，鋼套管及鋼筋混凝土套管各有優(yōu)勢，在實際工程中需通過對現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料、頂管深度、頂管長度、工作井及接收井大小尺寸、施工作業(yè)場地條件等因素進行綜合考慮后決定所采用的套管管材。

4 管道上方載荷計算

作用在管道上方的荷載，按性質(zhì)可以分為永久作用荷載和臨時作用荷載。永久作用荷載按照回填后管道上方的土體自重分布到管道上的豎向土壓進行考慮，臨時作用荷載按照車輛傳遞到管道上方的荷載進行考慮。

以 DN500管道為例來進行管道上方荷載的計算。根據(jù)設計規(guī)范，管道徑向穩(wěn)定校核應符合下列表達式的要求，當管道埋設較深或外荷載較大時，應按無內(nèi)壓狀態(tài)校核其穩(wěn)定性。

式中：△x——鋼管變形量，m；

Z——鋼管變形滯后系數(shù)，取1.5；

K——基床系數(shù)，取0.096；

W——作用在單位管長上的總的豎向荷載，N/m；

D1——鋼管直徑，m；

E——鋼管彈性模量，取2.05×105MPa；

ES——土壤的變形模量，取3.8 MN/m2；

Fsv,k——單位管長上的永久豎向荷載，取豎向土壓荷載；

qvk——地面可變荷載傳遞到管道上的荷載；

I——鋼管的慣性矩；

δn——鋼管的壁厚，m。

對開槽的管道，管頂豎向土壓力標準值可按下式計算：

式中：Cd——開槽施工土壓力系數(shù),一般取1.2計算；

rs——回填土的重量密度，kN/m3；

Hs——管頂?shù)皆O計地面的覆土高度，m；

Bc——管道的外緣寬度，m。圓管時以管道外徑代替。

地面車輛荷載傳遞到埋地管道上的豎向壓力值，可按下列方法確定：

（1）單個輪壓傳遞到管道頂部的豎向壓力標準值按下式計算：

式中：μd——動力系數(shù)，見表2；

H——車行地面至管頂?shù)母餐梁穸?，m；

Qvi,k——i個車輛承擔的單個輪壓標準值，KN；

ai——i個車輪的著地分布長度，m；

bi——i個車輪的著地分布寬度，m。

表2 動力系數(shù)μd值

（2）多排輪壓綜合影響傳遞到管道頂部的豎向壓力標準值，可按下式計算：

式中：ma——沿車輪著地分布寬度方向的車輪排數(shù)；

mb——沿車輪著地分布長度方向的車輪排數(shù)；

daj——沿車輪著地分布寬度方向，相鄰兩個車輪間的凈距，m；

dbj——沿車輪著地分布長度方向，相鄰兩個車輪間的凈距，m。

按回填后管道上方土體的不同厚度，車輛按照55 t進行計算，可得管道變形量，如表3所示。

表3 管道變形量值

按照設計規(guī)范，管道的變形量應小于0.03倍的鋼管外徑，即△x≤0.03D。常規(guī)使用的鋼管外徑D為508 mm，代入該公式計算后得出允許的變形量為0.015 2 m。對照表3中的變形量值，得出當回填后管道上方覆土厚度≥1.8 m時，車輛荷載及土壤荷載傳遞到管道而導致管道產(chǎn)生的變形量滿足設計規(guī)范要求。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)的天然氣管道工程中，一般在管道敷設于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方以及采用頂管穿越施工工藝時都會涉及到套管的使用。

如遇管道敷設于現(xiàn)狀或規(guī)劃道路下方時加設套管，建議加深管道埋深來減小作用在管道上方的載荷。通過前文的計算，并考慮推廣到各管徑的管道、預留一定的安全系數(shù)以及規(guī)劃道路將來實施的可行性，建議此種情況取消使用套管，并將管道上方覆土加深至不小于2.3 m。

對于頂管穿越時加設套管的情況，由于頂管工藝中套管的不可替代性，建議在實際工程設計中應盡量減少頂管的設計，在必須采用頂管時應根據(jù)土壤腐蝕性來考慮選取的套管材質(zhì)。原則上對于長度小于等于100 m的頂管，采用鋼筋混凝土套管；對于長度大于100 m的頂管，采用鋼套管。同時采取設置絕緣支架等措施避免套管與芯管發(fā)生金屬短路，并對套管與芯管之間的空間進行填充，填充材質(zhì)可采用不含腐蝕性的介質(zhì)使套管與芯管之間電氣隔離，使得芯管即使存在防腐層漏點也不會發(fā)生腐蝕，或充滿與土壤性能類似的電解質(zhì)使外部陰極保護電流能夠產(chǎn)生效果。