基于城市天然氣管道的設(shè)計探討

李靜

摘要：目前，人們對環(huán)境質(zhì)量的重視程度越來越高，城市對環(huán)境保護(hù)的要求有了進(jìn)一步的提高，對于能源的供應(yīng)也向清潔型、高效型邁進(jìn)。天然氣是城市的理想能源，所以天然氣管道的設(shè)計與施工是造福千家萬戶的事業(yè)，對提高城市的能源利用水平，改善城市的環(huán)境質(zhì)量有著重要的作用，在有可能的條件下，應(yīng)使設(shè)計更合理、周到，燃?xì)夤艿啦拍艿玫竭M(jìn)一步的發(fā)展，成為城市的主要能源輸出管道。優(yōu)化管道設(shè)計方案，才能更好得造福社會。

關(guān)鍵詞：城市天然氣管道設(shè)計

前言

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源和化工原料。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來，世界天然氣發(fā)展速度加快，大大超過了石油工業(yè)的發(fā)展速度。天然氣在能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的比例也迅速提高。目前，一般發(fā)達(dá)國家天然氣在能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的比例大約在24%以上，而天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例很小，近幾年一直保持在2.2%。因此，為了改善我國能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)提高天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，加快我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮天然氣資源的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用。如何更好的對城市天然氣管道進(jìn)行設(shè)計，已經(jīng)成為相關(guān)部門值得思考的事情。

1.天然氣管道的特點(diǎn)

1.1固定性。天然氣管道埋于地下，除改造、敷設(shè)新線路等特殊原因外，管道一般不會發(fā)生位移。

1.2輸送的連續(xù)性。天然氣管道一旦建成、投產(chǎn)，一般情況下應(yīng)連續(xù)運(yùn)行。

1.3相對流動性。管道與輸送介質(zhì)之間是相對流動的，因此要求管道內(nèi)部，特別是管壁內(nèi)焊口部位盡可能光滑，以利減少摩阻力。

1.4潛在的危險性。天然氣管道除特殊地形、特殊要求外，一般均為地下敷設(shè)，建設(shè)中未檢出的缺陷在運(yùn)行中不易發(fā)現(xiàn)，存在不可預(yù)見的潛在危險。

1.5威脅性。天然氣屬易燃易爆氣體，在役運(yùn)行的天然氣管道穿越中心城區(qū)對地面建、構(gòu)筑物或區(qū)域長期構(gòu)成威脅。

2.城市天然氣管道設(shè)計原則

嚴(yán)格遵循國家及地方有關(guān)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定和技術(shù)要求，符合國家和行業(yè)對初步設(shè)計的規(guī)定，做到設(shè)計內(nèi)容完整，質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)，深度滿足要求。.本著近遠(yuǎn)結(jié)合、留有一定發(fā)展余地的原則，在保證近期工程建設(shè)的同時，考慮遠(yuǎn)期發(fā)展的需要，使工程的建設(shè)投資合理，充分發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。管線設(shè)計采用先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，確保管線運(yùn)行安全可靠，維護(hù)管理方便。設(shè)備選型主要立足于國內(nèi)，結(jié)合多年來積累的經(jīng)驗(yàn)，做到設(shè)備性能可靠、技術(shù)先進(jìn)、方便運(yùn)行、便于維護(hù)。對于工藝流程需要或國內(nèi)尚不能滿足要求的設(shè)備擬從國外引進(jìn)。

3.天然氣管道參數(shù)分析

天然氣管道內(nèi)流動狀態(tài)模擬指的是在天然氣在管道內(nèi)流動時，根據(jù)已知流量、壓力、含水量等參數(shù)，對天然氣的流動狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)模擬。通過模擬可以獲得天然氣在管道內(nèi)的流動規(guī)律，從而更好的為管道的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。天然氣在管道內(nèi)的流動規(guī)律求解涉及到多個物理方程、邊界條件及初始條件，直接進(jìn)行流動數(shù)學(xué)模型求解具有一定困難。為了便于求解，可以根據(jù)實(shí)際情況，簡化條件或者利用數(shù)值模擬進(jìn)行模型求解。天然氣管道優(yōu)化設(shè)計模型求解時，首先篩選輸送模型的影響參數(shù)，其次利用基本的物理原理和已知的條件對各參數(shù)間關(guān)系展開研究，從而得出各參數(shù)間的關(guān)系，進(jìn)而求得天然氣管道模型的精確值。

在天然氣管道輸送過程中，影響管道流動狀態(tài)的因素主要有管道形狀、管道尺寸、輸送氣體密度、輸送壓力、輸送流量等參數(shù)。這些參數(shù)之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。這些關(guān)系大致分為兩種，一種是可以根據(jù)基本物理原理及公式（如能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律）推理得出，第二種是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或模擬軟件模擬得到的。結(jié)合兩種關(guān)系式，可以綜合影響天然氣管流動設(shè)計的各參數(shù)，從而獲得各參數(shù)變化規(guī)律，最終得到管道設(shè)計優(yōu)化參數(shù)。

4.天然氣管道設(shè)計要點(diǎn)

由于高壓天然氣管道多敷設(shè)于野外，導(dǎo)致管道安全運(yùn)行的外部環(huán)境較為復(fù)雜，為了維護(hù)公共安全，設(shè)計中有必要進(jìn)一步強(qiáng)化管道保護(hù)措施，建立有效的管道安全體系。從國內(nèi)外實(shí)踐看，造成管道事故的原因有第三方破壞、管材、設(shè)備及焊接缺陷、管道銹蝕、人的不規(guī)范操作等原因。其中由第三方破壞引起的事故在近年來的燃?xì)夤艿朗鹿手懈哌_(dá)40%。

高壓天然氣管道設(shè)計可從以下幾方面進(jìn)行多重防護(hù)：采取降低許應(yīng)力，增加管道壁厚，約束強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)的取值（不大于0.3）等措施以提高管道自身的安全度；管道與建（構(gòu)）筑物等設(shè)施的安全間距應(yīng)嚴(yán)格遵循規(guī)范要求，當(dāng)發(fā)生事故時降低影響面；選擇合適的管材、提高防腐等級、增加管道覆土厚度或采用定向鉆等非開挖敷設(shè)方式、或沿燃?xì)夤艿郎戏皆O(shè)置加強(qiáng)鋼筋混凝土板，盡量避免管道受第三方破壞；采用先進(jìn)的自控系統(tǒng)，分段閥門應(yīng)盡量采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；合理設(shè)置線路截斷閥，當(dāng)管道發(fā)生事故時，能通過控制線路截斷閥的啟閉，從而將危害及損失降到最低。

5.城市天然氣管道設(shè)計時應(yīng)該注意的問題

5.1附加壓頭問題

因高層建筑的高程較高，燃?xì)夤艿朗褂玫牧⒐芤脖容^長，加之天然氣管道與空氣密度的差異，附加壓頭使用中常會造成用戶燃燒器前壓力波動，甚至超出標(biāo)準(zhǔn)的工作范圍，進(jìn)而影響燃燒器的正常燃燒，燃?xì)鈺霈F(xiàn)不完全燃燒或是熄火、回火等現(xiàn)象。為了保證天然氣燃燒器能正常燃燒，就應(yīng)該控制或消除附加壓頭的影響。

5.2立管應(yīng)力問題

因天然氣管道立管較長，其在實(shí)際運(yùn)行過程中，管道自重將會很大，再加上環(huán)境和溫度的影響，立管會變形甚至產(chǎn)生熱應(yīng)力。而應(yīng)力是影響高層管道設(shè)計的重要因素，一旦在設(shè)計中出現(xiàn)應(yīng)力問題，管道自身及其支架就會受到嚴(yán)重的破壞，使管道彎曲或是破裂、漏氣，甚至?xí)l(fā)重大安全事故。為了避免這一問題，在設(shè)計的時候就應(yīng)該對其進(jìn)行應(yīng)力計算，保證天然氣管道正常使用。

5.3管道沉降問題

正常情況下，高層建筑在竣工后5年之內(nèi)，其沉降速度最大，之后其沉降速度將逐漸遞減。而天然氣管道一般是在建筑竣工初期進(jìn)行安裝的，后期隨著建筑的沉降會使入管穿墻部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力。再加上回填土的沉降使引入管產(chǎn)生部分懸空，嚴(yán)重時會使管道變形甚至漏氣。為了避免這些問題出現(xiàn)，在設(shè)計的時候就應(yīng)該采取恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法，以保證管道正常運(yùn)行。

6.天然氣管道管材的選用

管材選用主要應(yīng)考慮管徑的大小、管壁厚度、材質(zhì)及焊接材料的性能。天然氣管道管徑的大小主要與流量、流速有關(guān)，根據(jù)介質(zhì)的壓力值、管頂?shù)母餐辽疃燃昂奢d的分布形式確定管材與管壁厚度。另外，焊接材料的選用根據(jù)母材的化學(xué)成分、機(jī)械性能和使用條件綜合考慮。當(dāng)同種鋼材焊接時，焊接金屬的機(jī)械性能和化學(xué)成分與母材相當(dāng)；異種鋼材焊接時，焊接材料應(yīng)按合金含量較低一側(cè)的鋼材選用。選用的焊條藥皮要均勻、無明顯的裂紋、脫皮、表面無孔、焊芯無銹蝕等現(xiàn)象；存放時注意防潮、防雨、防霜及油類侵蝕。

7.天然氣管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展

天然氣管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計工作是一項(xiàng)長期持續(xù)性的工作，由于其復(fù)雜性和廣泛性，需要在實(shí)施過程中不斷分析現(xiàn)有管網(wǎng)和供求關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。而對管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)際上就是一個網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化的問題，即在已知燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，當(dāng)采用某種管材時，根據(jù)計算要求選用合適的管徑，該管徑在滿足管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量和節(jié)點(diǎn)壓力的條件下，可以使燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最少。為了將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為抽象的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，可以將節(jié)點(diǎn)流量方程、管段壓差方程、管段阻力方程、起源節(jié)點(diǎn)壓力值，以及其他節(jié)點(diǎn)允許范圍作為約束條件，可以制定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化準(zhǔn)則——最大利潤、最小總費(fèi)用、最低成本等，也可以制定技術(shù)最優(yōu)化準(zhǔn)則——最大可靠性、最快動作等。

8.結(jié)語

隨著城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高層建筑已經(jīng)成為城市建設(shè)必然趨勢，而原有管道設(shè)計方式在應(yīng)力上已經(jīng)不能更好的滿足其需求。為了更好滿足現(xiàn)實(shí)需求，在設(shè)計天然氣管道的時候，就應(yīng)該結(jié)合高層建筑實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計，以保證天然氣管道正常使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張錦霖.城市6.0MPa超高壓天然氣管道的設(shè)計探討[J].城市公用事業(yè)，2006，2（4）.

[2]李斌.城市高壓天然氣儲氣管道的優(yōu)化設(shè)計[J].上海煤氣，2011（4）.