1引言

北京市引進(jìn)陜甘寧天然氣市內(nèi)工程中公路一環(huán)Dn700天然氣管線的設(shè)計(jì)壓力已達(dá)2．5MPa。超高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)(>1．6MPa)，不同于一般的高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)?！冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，敷設(shè)設(shè)計(jì)壓力大于1．6MPa的燃?xì)夤艿罆r(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)按現(xiàn)行的《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。而《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》以油、氣田至目的地的長(zhǎng)輸管線為主要對(duì)象，其中涉及到的廠站也以油、氣田廠、站建設(shè)為主，不適用于城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的管線和廠、站建設(shè)。那么在城鎮(zhèn)敷設(shè)超高壓燃?xì)夤艿罆r(shí)，其設(shè)計(jì)應(yīng)如何執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》及《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》并將它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)就成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。隨著國(guó)內(nèi)天然氣事業(yè)的發(fā)展，城鎮(zhèn)天然氣輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模也越來(lái)越大，為了保證項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，勢(shì)必要提高輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。目前，北京市由我院設(shè)計(jì)并已經(jīng)敷設(shè)的超高壓天然氣管線已接近200Km，還有幾十公里的超高壓管線正在敷設(shè)之中。下面結(jié)合我院所做的公路一環(huán)Dn700天然氣管線工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施情況，就城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究和總結(jié)，以利于更進(jìn)一步提高工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2工程概況

北京市引進(jìn)陜甘寧天然氣市內(nèi)工程是陜甘寧盆地天然氣外輸工程中規(guī)模最大的下游工程，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的城市天然氣輸配工程。工程主要內(nèi)容包括一座城市門(mén)站、三座儲(chǔ)配站、五座調(diào)壓站、200多公里輸配干線、一套輸配調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)及生產(chǎn)配套設(shè)施等。該工程在1991年至1994年中完成了項(xiàng)目的預(yù)可行性研究和可行性研究，1994年開(kāi)始十個(gè)子項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)，1995年開(kāi)始各子項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)。為籌措資金北京市政府在1993年將本項(xiàng)目列為“北京環(huán)境改善項(xiàng)目”中的一個(gè)子項(xiàng)目而申請(qǐng)亞洲開(kāi)發(fā)銀行貸款，并于1994年初通過(guò)亞洲開(kāi)發(fā)銀行的審查。

高壓管線工程(第三子項(xiàng))是陜甘寧天然氣進(jìn)京工程下游工程中的主體工程之一。超高壓天然氣管線基本沿公路一環(huán)敷設(shè)，長(zhǎng)45Km，管徑Dn700，設(shè)計(jì)壓力2．5MPa。工程沿線穿越鐵路5處，地鐵l處，現(xiàn)狀及規(guī)劃立交11處，河流15處，穿石山坡一處。工程總投資(含部分1．OMPa管線及配套工程)64069萬(wàn)元人民幣(其中美元124．96萬(wàn)美元)，其中工程費(fèi)21821萬(wàn)元人民幣。

3問(wèn)題研究

(1) 設(shè)計(jì)規(guī)范的選用及設(shè)計(jì)原則

公路一環(huán)天然氣管線工程設(shè)計(jì)壓力為2．5MPa，已超出《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中高壓A級(jí)管道1．6MPa輸送壓力范圍。依照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)采用現(xiàn)行《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》?！遁敋夤艿拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》以控制管道自身的安全性為原則，與《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的安全性原則不完全一致。但兩本設(shè)計(jì)規(guī)范的條文說(shuō)明都指出，長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及燃?xì)夤艿缆庖鸬谋ê椭卸臼鹿实慕y(tǒng)計(jì)資料表明，燃?xì)馐鹿实陌l(fā)生在一定范圍內(nèi)并不與燃?xì)夤艿琅c建筑物的距離有必然聯(lián)系。加大管道與建筑的距離并不能完全避免事故的發(fā)生，相反會(huì)增加設(shè)計(jì)時(shí)管位選擇的困難或使工程費(fèi)用增加。因此，《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中所規(guī)定的地下燃?xì)夤艿琅c建、構(gòu)筑物之間的水平凈距是考慮了施工和檢修間距并適當(dāng)考慮燃?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊懀?guī)范的修編也傾向于減弱考慮燃?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊憽?/p>

《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》是以為城市輸送燃?xì)獾拈L(zhǎng)輸干線為主要對(duì)象。該規(guī)范以提高管道自身的強(qiáng)度安全作為輸氣管道的設(shè)計(jì)原則，參照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSIB31．8，采用地區(qū)等級(jí)劃分確定強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，再進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算，管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距在規(guī)范中并沒(méi)有具體規(guī)定。設(shè)計(jì)中具體體現(xiàn)在以不同地區(qū)等級(jí)，采用不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)，來(lái)保證管道周?chē)?gòu)筑物的安全。地區(qū)等級(jí)是以沿管道中心線兩側(cè)各200米范圍內(nèi)，任意劃分成長(zhǎng)度為2km的若干地段，按劃定地段內(nèi)的戶數(shù)確定的。

一級(jí)地區(qū)：戶數(shù)在15戶或以下的區(qū)段；

二級(jí)地區(qū)：戶數(shù)在15戶以上、100戶以下的區(qū)段：

三級(jí)地區(qū)：戶數(shù)在100戶或以上的區(qū)段，包括市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、發(fā)展區(qū)以及不夠四級(jí)地區(qū)條件的人口稠密區(qū)；

四級(jí)地區(qū)：系指四層及四層以上樓房(不計(jì)地下室層數(shù))普遍集中、交通頻繁、地下設(shè)施多的地段。城鎮(zhèn)供氣區(qū)一般應(yīng)為四級(jí)地區(qū)。

各級(jí)地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)見(jiàn)下表。

地區(qū)等級(jí) 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)(F) 一級(jí)地區(qū) 0．72 二級(jí)地區(qū) 0．6 三級(jí)地區(qū) 0．5 四級(jí)地區(qū) 0．4

城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)既要保證系統(tǒng)的整體合理性，還應(yīng)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求?！遁敋夤艿拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》中雖然未確定管道與建、構(gòu)筑物之間的水平凈距，但并不等于不需要凈距，最起碼應(yīng)考慮施工和檢修間距。同時(shí)，高一級(jí)壓力的管道總不應(yīng)比低一級(jí)壓力的管道距建、構(gòu)筑物更近，應(yīng)考慮燃?xì)廨斔蛪毫Φ挠绊?。因此，在與規(guī)劃、消防及上級(jí)主管部門(mén)充分醞釀、討論的基礎(chǔ)上，我院決定采用《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》“以控制管道自身的安全性為原則”的原則進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算，為保證規(guī)范執(zhí)行的連續(xù)性，線路選擇則按照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》5．3．2條高壓A級(jí)管道與建、構(gòu)筑物之間6米的水平凈距的規(guī)定進(jìn)行。這樣，兩本規(guī)范并用，不僅為在城區(qū)選擇超高壓天然氣管線路由提供了可行性，而且，采用“以控制管道自身的安全性為原則”的原則，從設(shè)計(jì)上也保證了在城區(qū)敷設(shè)超高壓管線的安全可靠性。同時(shí)，開(kāi)創(chuàng)了在城區(qū)敷設(shè)超高壓天然氣管線的先例，為今后同類(lèi)型的工程設(shè)計(jì)樹(shù)立了典范。

(2)管材的選取

①管道強(qiáng)度計(jì)算

在進(jìn)行超高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)，因管線與其它建、構(gòu)筑物水平凈距的確定始終是以強(qiáng)調(diào)管道自身的安全性為前提的，因此在進(jìn)行壓力大于1．6MPa的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)管道、彎頭、彎管的壁厚進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》5．1．2條規(guī)定，管道強(qiáng)度計(jì)算采用如下公式：

　　　　　　　PD

　　δ= ————

　　　　　　　2σsψFt

式中： δ-——鋼管計(jì)算壁厚(cm)；

　　　　P ———設(shè)計(jì)壓力(MPa)；

　　　　D ———鋼管外徑(cm)；

　　　　σs ——鋼管的最小屈服強(qiáng)度(MPa)；

　　　　F--—強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；

　　　　ψ——-焊縫系數(shù)；

　　　　t———溫度折減系數(shù)；當(dāng)溫度小于120℃時(shí)，t值取1.0。

在以往的燃?xì)夤艿缽?qiáng)度計(jì)算時(shí)，由于制管水平、施工焊接等缺乏嚴(yán)格的要求，在計(jì)算中要考慮一個(gè)小于1的焊接系數(shù)以確保輸氣安全，這實(shí)際上就增加了管道工程的鋼材用量。當(dāng)前，我國(guó)制管技術(shù)已有較大的提高，新的鋼管標(biāo)準(zhǔn)如《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》，是參照美國(guó)APISpec 5L的標(biāo)準(zhǔn)制定的，技術(shù)要求基本一致。在《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)管道的施工、焊接和檢驗(yàn)也提出了嚴(yán)格的要求，以確保管道的安全運(yùn)行。故在進(jìn)行管道的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不再考慮由于焊接所降低鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力，規(guī)定焊接系數(shù)為1。

另外，《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定在進(jìn)行管道強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不考慮增加管壁的腐蝕裕量。這是因?yàn)橐?guī)范中明確提出了輸氣管道防腐設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐防腐蝕工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。而這兩本規(guī)范是根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定的，規(guī)范中提出了防止管道外腐蝕的有效辦法。在輸送滿足規(guī)范要求的天然氣時(shí)，管子內(nèi)壁一般不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。同時(shí)，由于工程造價(jià)、金屬耗量等經(jīng)濟(jì)原因，一般不允許采用增加腐蝕裕量的方法來(lái)解決管壁內(nèi)腐蝕問(wèn)題。因此，管道采取防腐措施后，確定管壁厚度時(shí)可不考慮腐蝕裕量。

對(duì)幾種常用管材進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下表：

    Q235B 20號(hào)鋼 SM41B X42 16Mn X52 最小屈服強(qiáng)度(MPa)   ≥235 ≥245 ≥245 ≥290 ≥340 ≥358 設(shè)計(jì)壓力 (Mpa)   2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 鋼管計(jì)算壁厚 DN700 0．957 0．918 0．918 0．776 0．662 0．628 (cm) DN500 0．703 0．675 0．675 0．570 0．486 0．462   DN400 0．566 0．543 0．543 0．46l 0．393 0．372   DN300 0．432 0．415 0．415 0．350 0．299 0．284

注：表中鋼管計(jì)算壁厚值均是以ψ、t為1，F(xiàn)為0．4情況下得出的。

在對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的同時(shí)，燃?xì)夤艿赖谋诤襁€不得小于最小公稱(chēng)管壁厚度。在承受內(nèi)壓較小時(shí)計(jì)算的壁厚可能很小，為滿足運(yùn)輸、吊裝鋪管和修理的要求，還應(yīng)根據(jù)各種荷載條件下予以校核。一般認(rèn)為D/δ>140時(shí)，才會(huì)在正常的運(yùn)輸、敷設(shè)、埋管情況下出現(xiàn)圓截面的失穩(wěn)。下表列出幾種常用管徑的最小公稱(chēng)壁厚。

最小公稱(chēng)壁厚

鋼管公稱(chēng)直徑(mm) 公稱(chēng)壁厚(mm) DN300 4.5 DN350 DN400 DN450 5.0 DN500 DN550 6.0 DN600 DN650 DN700 6.5

綜上所述對(duì)于管道壁厚的確定，除了對(duì)管道強(qiáng)度計(jì)算的同時(shí)，還要滿足最小公稱(chēng)管壁厚度，此外還要適當(dāng)考慮在制管、運(yùn)輸、施工過(guò)程中人員的素質(zhì)、目前的管理水平等因素可能對(duì)管道造成的損傷，適當(dāng)增大管道管壁厚度。

②管材選擇原則

★ 技術(shù)原則

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，所選用鋼管應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》等的有關(guān)規(guī)定，若選用標(biāo)準(zhǔn)以外的管材，其材質(zhì)應(yīng)是鎮(zhèn)靜鋼，并應(yīng)滿足下列基本要求：

　　——屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比不應(yīng)大于0．85；

　　——含碳量不應(yīng)大于0．25％，碳當(dāng)量不應(yīng)大于0．45％；

　　——材料熔煉分析含硫量不應(yīng)大于0．035％；含磷量不應(yīng)大于0．04％。

★ 經(jīng)濟(jì)原則

對(duì)于相同管徑的管材，其運(yùn)輸及施工費(fèi)用基本相同，焊接材料的價(jià)格對(duì)工程投資的影響較小，經(jīng)濟(jì)性方面僅考慮管材價(jià)格因素。

★ 施工和運(yùn)行管理原則

管材的選取應(yīng)有利于管材定貨、施工焊接、帶氣接線、事故搶修和運(yùn)行管理等方面。

⑧管材確定根據(jù)以上選材原則及管道強(qiáng)度計(jì)算，既滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，又方便施工和運(yùn)行管理，并且兼顧經(jīng)濟(jì)性，DN700管道幾種常用材質(zhì)分析對(duì)比如下表： 管材材質(zhì) Q235B SM41B X42 16Mn 管材單價(jià)A(元／t) 4070 4130 4130 4300 施焊要求 低 中 中 高 設(shè)計(jì)預(yù)選壁厚(cm) 1.03 0.95 0.79 0.79 單長(zhǎng)管重B(Kg／m) 177.98 164.34 136.97 136.97 A／1000*B (元／m) 724.4 678.7 565.7 589.0

注：1．壁厚系列采用APISpec 5L標(biāo)準(zhǔn)系列。

2．確定設(shè)計(jì)預(yù)選壁厚時(shí)，計(jì)算壁厚向上靠至最小普通重量級(jí)管線管壁厚。

3．表中單價(jià)為本工程初設(shè)階段某管廠按SY5036—83提供管材的出廠報(bào)價(jià)，按APl標(biāo)準(zhǔn)提供管材時(shí)，每噸增加1000～1500元。運(yùn)雜費(fèi)另增10％。

從以上管材的對(duì)比分析可以看出，針對(duì)DN700鋼管，選擇最小屈服強(qiáng)度低的管材，則管壁較厚，不但增加了管材重量和費(fèi)用，而且為運(yùn)輸和施工也帶來(lái)許多不便：如果選擇最小屈服強(qiáng)度更高的管材，可以減小壁厚，但受最小公稱(chēng)壁厚及施工因素的限制，設(shè)計(jì)壁厚要大計(jì)算壁厚較多，高強(qiáng)度管材的單價(jià)又高于低強(qiáng)度管材，勢(shì)必造成管材強(qiáng)度的浪費(fèi)和費(fèi)用的提高，而且，高強(qiáng)度管材在施工焊接等方面也有更高的要求。因此，DN700管線選用X42是最佳方案。同樣，其它管徑管材的選取也可以通過(guò)上述對(duì)比分析方法來(lái)確定。

④小結(jié)

本工程首次在國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中采用APISpec 5LX42管材。該管材的選用是在原北京市天然氣公司提供的四種保證貨源的管材的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)技術(shù)分析、經(jīng)濟(jì)對(duì)比并考慮管材購(gòu)置、焊接質(zhì)量、方便施工和運(yùn)行管理等多種因素優(yōu)選的結(jié)果。選用較高強(qiáng)度的管材，既解決了城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的管材選擇問(wèn)題，又節(jié)省了工程投資，一舉多得。

(3) 防腐和電保護(hù)系統(tǒng)

超高壓天然氣管線運(yùn)行壓力高，輸送能力大，一旦出現(xiàn)泄露事故，其危害性也大。因此，確保管線安全可靠運(yùn)行是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則。而《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于確保管道的安全可靠運(yùn)行是建立在嚴(yán)把管材質(zhì)量關(guān)、防蝕質(zhì)量關(guān)和嚴(yán)把管道的施工、焊接和檢驗(yàn)質(zhì)量關(guān)的基礎(chǔ)之上的。所以，管道的防腐方案和防腐質(zhì)量是確保管道工程質(zhì)量和管道安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

埋地管道采用外防腐層與電法保護(hù)是延長(zhǎng)管道運(yùn)行壽命、減少管道運(yùn)行故障的有效手段。七十年代初，自美國(guó)首次立法開(kāi)始，一些國(guó)家相繼立法，規(guī)定埋地管道必須采用防腐涂層與陰極保護(hù)的雙重保護(hù)措施。防腐涂層是對(duì)埋地管道外壁的面保護(hù)，主要是針對(duì)均勻腐蝕而言，陰極保護(hù)則主要以點(diǎn)保護(hù)為主，是針對(duì)防腐涂層的漏損處。一條管道，可能由于一個(gè)點(diǎn)蝕而造成整條管道癱瘓而不能正常運(yùn)行。近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)埋地管道的雙重保護(hù)問(wèn)題日漸重視，各地就埋地管道的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題多次召開(kāi)各種專(zhuān)題研討會(huì)，并對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)的必要性和可行性進(jìn)行了深入細(xì)致的研討。

本高壓管線工程的管道保護(hù)方案即采用單層熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂外防腐和犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)的雙重保護(hù)技術(shù)。

①外防腐

近十年來(lái)北京市埋地燃?xì)夤艿啦捎玫耐夥栏瘜又饕ㄒ韵聨追N：

a) 石油瀝青+玻璃布

b) 環(huán)氧煤瀝青+玻璃布

c) 塑化瀝青防蝕帶

d) 無(wú)機(jī)富鋅+環(huán)氧煤瀝青+玻璃布

e) 環(huán)氧粉末噴涂(+聚乙烯粘膠帶)

石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青及塑化瀝青防蝕帶主要用于城區(qū)中壓干線及小區(qū)中低壓燃?xì)夤艿赖姆栏?。環(huán)氧煤瀝青在防止細(xì)菌腐蝕和植物根系方面比石油瀝青性能優(yōu)越，對(duì)環(huán)境污染也較小，使用較普遍。但由于操作溫度和固化時(shí)間的限制，冬季施工困難較多。塑化瀝青防蝕帶近幾年才開(kāi)始在北京市的燃?xì)夤艿郎鲜褂?，且價(jià)格偏高，但隨著塑化瀝青防蝕帶的大面積推廣使用，其價(jià)格會(huì)適當(dāng)降低，而且其施工受環(huán)境溫度影響較小，己成為常用防腐方式的一種。

無(wú)機(jī)富鋅+環(huán)氧煤瀝青是隨著華北油田進(jìn)京天然氣復(fù)線工程進(jìn)入燃?xì)夤こ虘?yīng)用領(lǐng)域的。主要用于1.0MPa高壓管線。原因是當(dāng)時(shí)燃?xì)夤艿赖年帢O保護(hù)得到重視，但實(shí)施管道陰極保護(hù)需要設(shè)置一定數(shù)量的檢測(cè)樁，而在城區(qū)交通干道上設(shè)置檢測(cè)樁(地上或地下)有一定的難度，并且，基于當(dāng)時(shí)工程技術(shù)人員陰極保護(hù)理論水平的限制，工程工期又緊，所以采用無(wú)機(jī)富鋅底漆做為管道雙重保護(hù)的一種措施。而且，在當(dāng)時(shí)條件下，對(duì)采用犧牲陽(yáng)極或外加電流的陰極保護(hù)方案，從運(yùn)行管理方面能否得到預(yù)期保護(hù)效果的疑慮，也是采用無(wú)機(jī)富鋅底漆的原因之一。實(shí)際上，采用無(wú)機(jī)富鋅做為金屬的防蝕保護(hù)措施是有其適用環(huán)境、條件和局限性的，對(duì)于埋地管道的長(zhǎng)效保護(hù)，尤其是做為雙重保護(hù)措施，采用無(wú)機(jī)富鋅并非為一種好的選擇。單層熔結(jié)環(huán)氧粉末噴涂防腐技術(shù)是目前國(guó)際上公認(rèn)的高效防腐方式之一。該技術(shù)九十年代初在北京液化石油氣三油線上首次使用(埋地和架空)，從多年運(yùn)行情況看效果良好。該防腐方式采用機(jī)械化、半自動(dòng)化流水線作業(yè)，原料及作業(yè)工藝易于控制，有一套完整的管道附件和補(bǔ)口、補(bǔ)傷工藝方案和一套完整的質(zhì)量保障體系，性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于其他常用方式，尤其采用雙重保護(hù)時(shí)更顯其優(yōu)越性，而且價(jià)格適中。

通過(guò)慎重分析，并與常規(guī)外防腐方式進(jìn)行對(duì)比和研討，我們決定在本超高壓、大口徑天然氣干線工程設(shè)計(jì)中使用這種機(jī)械化、工廠化、高質(zhì)量、高速度、中等成本的防腐技術(shù)，同時(shí)為保證粉末涂層的噴涂質(zhì)量，環(huán)氧粉末指定采用美國(guó)3M公司產(chǎn)品。

選定了一種好的防腐方式并不就等于選擇了好的防腐工程質(zhì)量。每種防腐涂料都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是對(duì)埋地管道給予保護(hù)。而它們對(duì)管道的保護(hù)效果又取決于從選料至管槽回填的各個(gè)工序質(zhì)量。如果在各個(gè)階段均按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求進(jìn)行，那么無(wú)論哪種外防腐層、哪種陰極保護(hù)方案，都會(huì)對(duì)埋地管道起到應(yīng)有的保護(hù)作用。相反，不論多么優(yōu)質(zhì)的涂料，多么先進(jìn)的防腐手段，花費(fèi)多高的投入，也不能確保對(duì)埋地管道起到應(yīng)有的保護(hù)作用。只有在各個(gè)工序質(zhì)量控制過(guò)程中以認(rèn)真、求實(shí)、科學(xué)的工作態(tài)度，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，才能確保防腐工程質(zhì)量。

環(huán)氧粉末噴涂防腐方式中，涂層質(zhì)量的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是附著力、厚度和電火花檢測(cè)。這三個(gè)指標(biāo)也正是我院設(shè)計(jì)人員在涂層質(zhì)量跟蹤工作中的重點(diǎn)。在粉末質(zhì)量保證的前提下，涂層的附著力主要取決于鋼管表面的除油、除銹及除塵質(zhì)量和錨紋情況。這與鋼管的原始狀態(tài)，除銹用料的選擇和更換頻度又有直接關(guān)系。環(huán)氧粉末用料的多少則直接決定著該防腐方式的經(jīng)濟(jì)性。在涂層設(shè)計(jì)厚度確定的前提下，實(shí)際涂層薄，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；實(shí)際涂層厚，又造成不必要的浪費(fèi)。

例如，在管材防腐過(guò)程中，曾因環(huán)氧粉末貨運(yùn)周期與工程周期沖突，指定的美國(guó)3M環(huán)氧粉末一時(shí)斷貨，為確保工程進(jìn)度，防腐廠經(jīng)設(shè)計(jì)單位及甲方同意臨時(shí)調(diào)換了另外一個(gè)廠家的環(huán)氧粉末。在工程質(zhì)量巡查過(guò)程中，我們加大了對(duì)更換環(huán)氧粉末的管材防腐涂層的檢查力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了涂層的附著力問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析討論，認(rèn)為關(guān)鍵問(wèn)題之一就是鋼管表面涂有防銹底漆，該問(wèn)題起初并未引起防腐廠足夠的重視，除油效果不好，同時(shí)拋丸除銹用鋼砂又造成連鎖負(fù)效應(yīng)，使不帶底漆的鋼管造成污染。由此引起幾十根防腐好的鋼管重新返工。加強(qiáng)鋼管除油工作，又徹底更換了鋼砂之后，附著力問(wèn)題得到徹底解決。該問(wèn)題的及時(shí)糾正，雖然造成幾十根鋼管重新防腐，但卻減少了工程事故隱患，確保了防腐涂層的質(zhì)量。

再如，由于管材為螺旋縫管，螺旋焊縫根部在拋丸除銹時(shí)就不容易達(dá)到質(zhì)量要求，進(jìn)而影響防腐涂層質(zhì)量。我院設(shè)計(jì)人員在防腐廠發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題后，及時(shí)反饋給工廠技術(shù)人員，改進(jìn)了鋼砂的選料和配比后，不但圓滿解決了螺旋焊縫根部的除銹問(wèn)題，而且，新選鋼砂由于使用壽命增加，同時(shí)也降低了除銹成本。

還有，如防腐涂層火花檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，為了嚴(yán)格監(jiān)督粉末質(zhì)量、噴涂工藝質(zhì)量、噴涂厚度以及施工過(guò)程中人為因素產(chǎn)生的破損問(wèn)題，在質(zhì)量保證、規(guī)范允許的范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)踐、總結(jié)、再實(shí)踐、再總結(jié)，提出了正常管段5000V、現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口10000V的火花檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并在后續(xù)同類(lèi)工程使用至今。

②帶狀鎂陽(yáng)極的應(yīng)用

本工程首次在城鎮(zhèn)天然氣管道電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入了帶狀鎂陽(yáng)極。由于本工程的重要性，在工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，都要精心細(xì)致。過(guò)去，在頂管穿跨越工程中，由于套管的屏蔽作用，套管內(nèi)的管段除了工藝上采用加厚管壁、提高防腐等級(jí)等措施外，在電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上并無(wú)更好的措施。另外，在犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)中，陽(yáng)極的埋設(shè)位置及深度有一定的要求，同時(shí)，陽(yáng)極周?chē)矐?yīng)有一個(gè)較好的導(dǎo)電環(huán)境。在本工程的穿山段，管道是敷設(shè)在采用爆破方式炸出的石頭管槽中的，如果仍舊采用塊狀犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方式，開(kāi)挖陽(yáng)極坑將非常困難，而且由于石頭地質(zhì)的導(dǎo)電環(huán)境較差，管道的陰極保護(hù)效果也不會(huì)十分理想。為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，我們查閱了大量的工程技術(shù)資料，拜訪了多位學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域的防腐專(zhuān)家及工程技術(shù)人員，并進(jìn)行了多次技術(shù)調(diào)研和研討，最終選擇了帶狀鎂陽(yáng)極，并在一些專(zhuān)家的幫助下，進(jìn)行了敷設(shè)方式和用量的選擇、計(jì)算和設(shè)計(jì)。從而解決了套管內(nèi)和惡劣工程地質(zhì)環(huán)境中燃?xì)夤艿赖年帢O保護(hù)問(wèn)題。該工程竣工后的測(cè)試資料表明，采用帶狀鎂陽(yáng)極完全達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷，也為同類(lèi)工程提供了切實(shí)可行的參考方案。

③直埋絕緣接頭的選取和布置

絕緣是埋地管道電保護(hù)系統(tǒng)中一項(xiàng)常規(guī)且重要的技術(shù)。沒(méi)有絕緣，就沒(méi)有電保護(hù)。過(guò)去，陰極保護(hù)的電絕緣一般是采用絕緣法蘭。而絕緣法蘭在絕緣性能、日常維護(hù)等方面有許多局限性，而且需要砌筑專(zhuān)用維護(hù)井。我們通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外絕緣裝置的性能、價(jià)格、施工和運(yùn)行管理等方面的分析和比較，認(rèn)為直埋絕緣接頭絕緣可靠性高、密封性能好、設(shè)計(jì)有防爆、防雷擊的放電火花間隙、施工簡(jiǎn)單、各種性能均優(yōu)于絕緣法蘭，而且綜合費(fèi)用低，性能價(jià)格比高。因此，我們?cè)趪?guó)內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)首次確定和選用了德國(guó)大口徑、超高壓、整體直埋絕緣接頭專(zhuān)利產(chǎn)品，代替常規(guī)采用的安裝于地下小室內(nèi)的絕緣法蘭，既提高了天然氣管道的電保護(hù)效果，又減少了占地，方便了管道電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行管理。自此開(kāi)始，北京市燃?xì)庀到y(tǒng)大量采用直埋絕緣接頭。電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，絕緣裝置一般布置在管線的起、終點(diǎn)及分支口處。本高壓管線工程中，電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)管道沿線的土壤腐蝕性調(diào)研和地質(zhì)情況，將管道沿線土壤腐蝕環(huán)境分為幾個(gè)典型地段，在干線上增設(shè)了多個(gè)分段絕緣接頭，把穿山及長(zhǎng)距離與河流伴行等特殊地段的管段與其他管段實(shí)行電絕緣，以防止不同土壤腐蝕環(huán)境相互影響和由于工程地質(zhì)不同造成的宏觀電池腐蝕。

(4)焊接與檢驗(yàn)

過(guò)去，城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力最高為0．8Mpa，鋼管管材大多選用碳素鋼，鋼管壁厚也是按照慣用壁厚系列選取，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于管道強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。焊接工藝屬于常規(guī)工藝，焊縫的檢驗(yàn)要求也比較低，抽檢比例不低于5％(城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范CJJ33—89中規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)文件無(wú)規(guī)定時(shí)，抽檢數(shù)量應(yīng)不少于焊縫總數(shù)的15％)、質(zhì)量不低于Ⅲ級(jí)即可，除非設(shè)計(jì)文件另有特殊要求。隨著城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的提高，管材的選用已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，開(kāi)始采用高強(qiáng)低合金鋼，焊接材料的選用也因管材的改變而改變，燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的安全性要求也更加突出，過(guò)去的老一套做法已不再適用。

針對(duì)超高壓天然氣管道的焊接要求，《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定，除設(shè)計(jì)文件應(yīng)標(biāo)明管道和管道附件母材及焊接材料的規(guī)格、焊縫和焊接接頭型式，提出焊接方法、焊前預(yù)熱、焊后熱處理及焊接檢驗(yàn)等明確要求外，對(duì)施工單位也應(yīng)提出具體要求。施工單位在工程開(kāi)工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，并根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果編制焊接工藝說(shuō)明書(shū)。

針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的管道，應(yīng)按四級(jí)地區(qū)考慮，焊縫無(wú)損探傷檢驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量等級(jí)為：

用射線照像檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)每個(gè)焊工當(dāng)天完成的全部焊縫中任意選取不少于75％的焊縫進(jìn)行全周長(zhǎng)檢驗(yàn)。

對(duì)于管道壁厚大于或等于8mm的焊件，也可先用超聲波探傷儀對(duì)所有焊縫進(jìn)行全周長(zhǎng)100％檢驗(yàn)，然后再用射線照像對(duì)所選取的焊縫全周長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其復(fù)驗(yàn)數(shù)量為每個(gè)焊工當(dāng)天完成的全部焊縫中任意選取不少于20％的焊縫。管道穿越水域、公路、鐵路的管道焊縫以及未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫，均應(yīng)進(jìn)行100％的射線照像檢驗(yàn)。用超聲波探傷檢驗(yàn)的焊縫，其質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》執(zhí)行，I級(jí)為合格。

用射線照像檢驗(yàn)的焊縫，其質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼熔化焊對(duì)接接頭射線照像和質(zhì)量分級(jí)》執(zhí)行，Ⅱ級(jí)為合格。設(shè)計(jì)文件中采用射線照像檢驗(yàn)還是超聲波探傷加射線照像復(fù)驗(yàn)則要取決于管道壁厚、工期以及兩種檢驗(yàn)方式的質(zhì)量和速度。

陜京市內(nèi)工程由于施工周期要求緊迫，而采用X射線照像時(shí)需要的時(shí)間長(zhǎng)，因此我們采用了100％超聲波探傷，加任意抽取全部焊縫的20％進(jìn)行復(fù)驗(yàn)的方式。對(duì)管線穿越鐵路、河流、大砂坑及重要交通干道等特殊地段的管道焊縫以及未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫則采用100％的射線照像檢驗(yàn)，而且對(duì)未經(jīng)試壓的管道碰口焊縫要求工級(jí)為合格。

近一年來(lái)，隨著Y射線源照像裝置的引進(jìn)，射線照像檢驗(yàn)所需的時(shí)間減短，其檢驗(yàn)結(jié)果的可信度又高于現(xiàn)場(chǎng)定級(jí)的超聲波探傷方式，工程又開(kāi)始采用純射線照像檢驗(yàn)方式。

(5) 壓力試驗(yàn)

管道的壓力試驗(yàn)包括強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。

《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范))CJJ33—89(適用壓力不大于0．8MPa)中規(guī)定，燃?xì)夤艿赖膲毫υ囼?yàn)介質(zhì)宜采用壓縮空氣。燃?xì)夤艿赖膹?qiáng)度試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1．5倍，嚴(yán)密性試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1．15倍。

《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范))GB50251—94則根據(jù)地區(qū)分級(jí)，規(guī)定四級(jí)地區(qū)管道的強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)采用水作為試驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)壓力不應(yīng)小于設(shè)計(jì)壓力的1．5倍；嚴(yán)密性試驗(yàn)用氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力。

《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50235-97對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定則為：壓力試驗(yàn)應(yīng)以液體為試驗(yàn)介，當(dāng)管道的設(shè)計(jì)壓力小于或等于0．6MPa時(shí)，也可采用氣體為試驗(yàn)介質(zhì)，但應(yīng)采取有效的安全措施。當(dāng)管道的設(shè)計(jì)壓力大于0．6MPa時(shí)，必須有設(shè)計(jì)文件規(guī)定或經(jīng)建設(shè)單位同意，方可用氣體進(jìn)行壓力試驗(yàn)。氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1．15倍。輸送可燃流體的管道必須進(jìn)行泄露性試驗(yàn)，泄露。性試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)宜采用空氣，泄露性試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力。從以上幾個(gè)正在執(zhí)行中的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)的規(guī)定中可以看出，由于編制時(shí)間不同，應(yīng)用的范圍不同，對(duì)燃?xì)夤艿缐毫υ囼?yàn)的要求也不盡相同。針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的壓力試驗(yàn)，尤其是超高壓天然氣管道的壓力試驗(yàn)，則應(yīng)在執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，必須認(rèn)真考慮壓力試驗(yàn)的安全性、試驗(yàn)介質(zhì)的來(lái)源與排放、試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的影響等因素。

城市天然氣供應(yīng)絕大多數(shù)輸送的是干天然氣，燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)也是按照干天然氣進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于城市道路下市政管道多，管網(wǎng)綜合以有壓讓無(wú)壓為原則，燃?xì)夤艿赖目v斷布置比較復(fù)雜。若采用水作為壓力試驗(yàn)介質(zhì)，壓力試驗(yàn)完成后，如何徹底地將水排除必然成為一個(gè)新的問(wèn)題。如果水排除不干凈，勢(shì)必會(huì)對(duì)今后燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)麻煩。因此，在北京市引進(jìn)陜甘寧天然氣市內(nèi)工程中，在征求建設(shè)單位同意、并且建設(shè)單位進(jìn)行具體操作試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)谠O(shè)計(jì)文件中規(guī)定，強(qiáng)度試驗(yàn)采用空氣或惰性氣體為試驗(yàn)介質(zhì)，但必須采取有效的安全措施，并應(yīng)報(bào)請(qǐng)主管部門(mén)批準(zhǔn)。氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1．15倍。嚴(yán)密性試驗(yàn)用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的設(shè)計(jì)，由于工程設(shè)計(jì)的全新性，許多技術(shù)方案和措施有待實(shí)踐檢驗(yàn)，有些技術(shù)問(wèn)題需要在實(shí)踐中摸索、總結(jié)和提高，既要堅(jiān)持設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求，又要滿足施工的需要，同時(shí)還要考慮節(jié)省工程投資。為此，我院設(shè)計(jì)人員把工程設(shè)計(jì)工作延續(xù)到了從鋼管在防腐廠防腐到施工現(xiàn)場(chǎng)管溝回填的全部過(guò)程，實(shí)施24小時(shí)的配合和服務(wù)，質(zhì)量第一，服務(wù)第一。除前面所述的一些例子外，還有大量的實(shí)例。比如我們?cè)诟欎摴芊栏|(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)了個(gè)別管材表面的質(zhì)量問(wèn)題，在跟蹤彎管防腐質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)了彎管加工中存在的質(zhì)量問(wèn)題，又如在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)極個(gè)別管子防腐涂層厚度不勻問(wèn)題，在電保護(hù)工程的質(zhì)量跟蹤過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)管道實(shí)施陰極保護(hù)而對(duì)管道防腐涂層的破壞沒(méi)有得到較好的恢復(fù)，還有在運(yùn)輸和管溝回填過(guò)程中施工人員不注意管道防腐層的保護(hù)問(wèn)題等。所有這些問(wèn)題，都需要設(shè)計(jì)人員以高度的責(zé)任心、質(zhì)量意識(shí)和主人翁精神去跟蹤、反饋和解決。也只有這樣，才能使“以控制管道自身的安全性為原則”的原則落到實(shí)處，才能確實(shí)保證工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量和工程質(zhì)量。

北京市引進(jìn)陜甘寧天然氣市內(nèi)工程高壓管線工程97年已陸續(xù)經(jīng)竣工投運(yùn)，參加驗(yàn)收的各方都對(duì)本工程的質(zhì)量表示滿意和放心，這當(dāng)然離不開(kāi)各施工隊(duì)伍的辛勤勞動(dòng)，離不開(kāi)各單位、各部門(mén)之間的團(tuán)結(jié)、協(xié)作，我們認(rèn)為，這其中必然也包含著我院設(shè)計(jì)人員的精心設(shè)計(jì)、全程服務(wù)、質(zhì)量意識(shí)、創(chuàng)優(yōu)意識(shí)、節(jié)約和創(chuàng)新精神。 通過(guò)幾年來(lái)城鎮(zhèn)超高壓天然氣管線工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也鍛煉和培養(yǎng)了一支敢打敢拼、技術(shù)過(guò)硬的設(shè)計(jì)隊(duì)伍，但畢竟城鎮(zhèn)超高壓天然氣工程的設(shè)計(jì)工作剛剛起步，有許多課題需要去深入研究和解決。比如城鎮(zhèn)超高壓天然氣管道的水力計(jì)算問(wèn)題、應(yīng)力計(jì)算問(wèn)題、壓力試驗(yàn)過(guò)程中管道的加固問(wèn)題、管線通過(guò)不良工程地質(zhì)地段的穩(wěn)管防護(hù)措施問(wèn)題等。在工程配合和質(zhì)量跟蹤過(guò)程中，還會(huì)有一些新的問(wèn)題出現(xiàn)。但是我們相信，解決超高壓天然氣工程的質(zhì)量問(wèn)題和安全性問(wèn)題，只要能夠參照和執(zhí)行“以控制管道自身的安全性為原則”的原則，許多棘手的工程實(shí)際問(wèn)題將迎刃而解。