基于城市天然氣管道的設計探討

李靜

摘要：目前，人們對環境質量的重視程度越來越高，城市對環境保護的要求有了進一步的提高，對于能源的供應也向清潔型、高效型邁進。天然氣是城市的理想能源，所以天然氣管道的設計與施工是造福千家萬戶的事業，對提高城市的能源利用水平，改善城市的環境質量有著重要的作用，在有可能的條件下，應使設計更合理、周到，燃氣管道才能得到進一步的發展，成為城市的主要能源輸出管道。優化管道設計方案，才能更好得造福社會。

關鍵詞：城市天然氣管道設計

前言

天然氣是一種優質、高效、清潔的能源和化工原料。進入20世紀70年代以來，世界天然氣發展速度加快，大大超過了石油工業的發展速度。天然氣在能源生產結構中的比例也迅速提高。目前，一般發達國家天然氣在能源生產結構中的比例大約在24%以上，而天然氣在我國能源結構中的比例很小，近幾年一直保持在2.2%。因此，為了改善我國能源結構，保護生態環境，應提高天然氣在我國能源消費結構中的比例，加快我國天然氣工業的發展，發揮天然氣資源的優勢，實現資源的合理利用。如何更好的對城市天然氣管道進行設計，已經成為相關部門值得思考的事情。

1.天然氣管道的特點

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

1.2輸送的連續性。天然氣管道一旦建成、投產，一般情況下應連續運行。

1.3相對流動性。管道與輸送介質之間是相對流動的，因此要求管道內部，特別是管壁內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，建設中未檢出的缺陷在運行中不易發現，存在不可預見的潛在危險。

1.5威脅性。天然氣屬易燃易爆氣體，在役運行的天然氣管道穿越中心城區對地面建、構筑物或區域長期構成威脅。

2.城市天然氣管道設計原則

嚴格遵循國家及地方有關規范，標準、規定和技術要求，符合國家和行業對初步設計的規定，做到設計內容完整，質量高標準，深度滿足要求。.本著近遠結合、留有一定發展余地的原則，在保證近期工程建設的同時，考慮遠期發展的需要，使工程的建設投資合理，充分發揮工程的經濟效益和社會效益。管線設計采用先進標準，確保管線運行安全可靠，維護管理方便。設備選型主要立足于國內，結合多年來積累的經驗，做到設備性能可靠、技術先進、方便運行、便于維護。對于工藝流程需要或國內尚不能滿足要求的設備擬從國外引進。

3.天然氣管道參數分析

天然氣管道內流動狀態模擬指的是在天然氣在管道內流動時，根據已知流量、壓力、含水量等參數，對天然氣的流動狀態進行動態模擬。通過模擬可以獲得天然氣在管道內的流動規律，從而更好的為管道的優化設計提供基礎。天然氣在管道內的流動規律求解涉及到多個物理方程、邊界條件及初始條件，直接進行流動數學模型求解具有一定困難。為了便于求解，可以根據實際情況，簡化條件或者利用數值模擬進行模型求解。天然氣管道優化設計模型求解時，首先篩選輸送模型的影響參數，其次利用基本的物理原理和已知的條件對各參數間關系展開研究，從而得出各參數間的關系，進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。這些參數之間存在一定的函數關系。這些關系大致分為兩種，一種是可以根據基本物理原理及公式（如能量守恒定律、質量守恒定律）推理得出，第二種是根據實驗或模擬軟件模擬得到的。結合兩種關系式，可以綜合影響天然氣管流動設計的各參數，從而獲得各參數變化規律，最終得到管道設計優化參數。

4.天然氣管道設計要點

由于高壓天然氣管道多敷設于野外，導致管道安全運行的外部環境較為復雜，為了維護公共安全，設計中有必要進一步強化管道保護措施，建立有效的管道安全體系。從國內外實踐看，造成管道事故的原因有第三方破壞、管材、設備及焊接缺陷、管道銹蝕、人的不規范操作等原因。其中由第三方破壞引起的事故在近年來的燃氣管道事故中高達40%。

高壓天然氣管道設計可從以下幾方面進行多重防護：采取降低許應力，增加管道壁厚，約束強度設計系數的取值（不大于0.3）等措施以提高管道自身的安全度；管道與建（構）筑物等設施的安全間距應嚴格遵循規范要求，當發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方式、或沿燃氣管道上方設置加強鋼筋混凝土板，盡量避免管道受第三方破壞；采用先進的自控系統，分段閥門應盡量采用遠程控制系統；合理設置線路截斷閥，當管道發生事故時，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.城市天然氣管道設計時應該注意的問題

5.1附加壓頭問題

因高層建筑的高程較高，燃氣管道使用的立管也比較長，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，甚至超出標準的工作范圍，進而影響燃燒器的正常燃燒，燃氣會出現不完全燃燒或是熄火、回火等現象。為了保證天然氣燃燒器能正常燃燒，就應該控制或消除附加壓頭的影響。

5.2立管應力問題

因天然氣管道立管較長，其在實際運行過程中，管道自重將會很大，再加上環境和溫度的影響，立管會變形甚至產生熱應力。而應力是影響高層管道設計的重要因素，一旦在設計中出現應力問題，管道自身及其支架就會受到嚴重的破壞，使管道彎曲或是破裂、漏氣，甚至會引發重大安全事故。為了避免這一問題，在設計的時候就應該對其進行應力計算，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，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行安裝的，后期隨著建筑的沉降會使入管穿墻部位產生較大的應力。再加上回填土的沉降使引入管產生部分懸空，嚴重時會使管道變形甚至漏氣。為了避免這些問題出現，在設計的時候就應該采取恰當的補償方法，以保證管道正常運行。

6.天然氣管道管材的選用

管材選用主要應考慮管徑的大小、管壁厚度、材質及焊接材料的性能。天然氣管道管徑的大小主要與流量、流速有關，根據介質的壓力值、管頂的覆土深度及荷載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母材的化學成分、機械性能和使用條件綜合考慮。當同種鋼材焊接時，焊接金屬的機械性能和化學成分與母材相當；異種鋼材焊接時，焊接材料應按合金含量較低一側的鋼材選用。選用的焊條藥皮要均勻、無明顯的裂紋、脫皮、表面無孔、焊芯無銹蝕等現象；存放時注意防潮、防雨、防霜及油類侵蝕。

7.天然氣管網優化設計的發展

天然氣管網的規劃設計工作是一項長期持續性的工作，由于其復雜性和廣泛性，需要在實施過程中不斷分析現有管網和供求關系，進一步優化管網結構。而對管網進行優化實際上就是一個網絡最優化的問題，即在已知燃氣管網系統的網絡結構下，當采用某種管材時，根據計算要求選用合適的管徑，該管徑在滿足管網節點流量和節點壓力的條件下，可以使燃氣管網系統的投資費用和運行費用最少。為了將優化問題轉化為抽象的數學規劃問題，可以將節點流量方程、管段壓差方程、管段阻力方程、起源節點壓力值，以及其他節點允許范圍作為約束條件，可以制定經濟最優化準則——最大利潤、最小總費用、最低成本等，也可以制定技術最優化準則——最大可靠性、最快動作等。

8.結語

隨著城市化規模的不斷擴大，高層建筑已經成為城市建設必然趨勢，而原有管道設計方式在應力上已經不能更好的滿足其需求。為了更好滿足現實需求，在設計天然氣管道的時候，就應該結合高層建筑實際工況進行設計，以保證天然氣管道正常使用。

參考文獻：

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

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