淺談LNG輸氣管道的水域穿越及管材選擇

劉司佳， 劉香格

(1.山西四誠工程技術咨詢有限公司，山西 太原 030000;2.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100)

天然氣運輸主要依靠管道輸送，河流穿越在輸氣管道的建設中至關重要。總結管道的水域穿越方法，論證各穿越方法的方案及適用范圍，研究管材的選擇計算方法，確定LNG輸氣管道的水域穿越方案。

LNG管道；水域；穿越；鋼管

天然氣是一種低碳、高效的清潔能源。隨著“一帶一路”對天然氣的大量需求，“十三五”期間，我國將新建4萬公里天然氣主干及配套管線，“十三五”末總里程達到10.4萬公里。天然氣管道在通過水域時多采用穿越的方式[1-2]。本文就LNG輸氣管道的水域穿越及管道材料計算進行介紹。

1 LNG管道的水域穿越

1.1 水域穿越的原則

管道穿越工程在保證安全的前提下，盡量選擇技術先進、工程量少、工期較短、投資較合理的方案；局部走向隨穿越位置，穿越位置隨總體走向，并盡量與線路合理連接；合理規劃穿越工程與城市建設的銜接，確保輸氣管道和地方布局的協調共建；遵循相關國家標準[3-5]。

1.2 水域穿越工程等級與洪水頻率

水域穿越工程應正確劃分工程等級，并應采用與工程等級相應的設計洪水頻率，見表1。

1.3 管道的水域穿越方法

LNG管道河流穿越常用方法有：大開挖溝埋穿越、水平定向鉆穿越、隧道法穿越(基巖鉆爆法隧道、頂管法隧道和盾構法隧道)。

1.3.1 大開挖溝埋穿越

大開挖溝埋穿越要開挖水下管，利用挖泥船、長臂挖掘機、導流或圍堰等方式，將管道置于河床沖淤變化穩定層下一定深度[6]。適宜于有水上大開挖機具施工條件、施工對河道和航道影響不大、堤防允許開挖的水域(開挖施工宜在枯水期進行)。

表1 水域穿越工程等級與洪水頻率

1.3.2 水平定向鉆

定向鉆是非開挖的一種施工方法，根據設計提出的入土、出土點坐標和管線設計軌跡，用定向鉆鉆導向孔(特殊地層還需逐節加入套管)。鉆桿在對岸出土后，連接擴孔器，擴孔器大小及擴孔級數根據穿越管段直徑和地層確定。同時，管道在出土岸進行分段或整體組裝，檢驗、試壓和防腐，合格后接上拖管頭利用鉆機拉動擴孔器和穿越管段回拖，直至穿越管道完全敷設于擴大的孔內，拖管頭在鉆桿入土處露出[7]。

定向鉆穿越一般適用于航運繁忙、水域較寬、流量流速較大、沖刷較深、河流變遷劇烈，以及地質條件允許的水域穿越。不適宜在流砂層、粒徑大含量高的卵(礫)石地層，以及抗壓強度較大硬質巖層。

該方法主要優點是工期短、投資較少、施工不受季節限制；缺點是管道無法檢修、敷設備用管道費用較高、對施工場地和地層有一定要求。

1.3.3 鉆爆法基巖隧道

該方法采用礦山法結合新奧法施工，需要有足夠良好的基巖巖體特性及隔水頂板厚度，較好的無潛在地質隱患的洞口位置及棄渣堆砌場地。在隧道方案中，該方法單位造價較低，利于檢修和擴容，缺點是施工期較長，存在一定的安全風險。

1.3.4 頂管法隧道

頂管施工利用切削刀盤切割和破碎土體，通過泥漿循環平衡外面水壓、潤滑工作面以及排除切割和破碎后的土體，再利用工作井內的液壓千斤頂將鋼筋混凝土套管或鋼管逐根頂入，使之在江底下一定深度形成穩定洞室。

頂管穿越對各種地層的適應性較強，尤其適用于黏土、粉土、砂土、含礫沙土(礫石含量一般宜小于30%，礫徑小于20 mm)。

該方法適用于小管徑、短距離和土質較軟的地方，否則投資太大。

1.3.5 盾構法隧道

盾構法隧道是用一件有形的鋼質組件沿隧道設計軸線開挖土體而向前推進，并用環片拼裝成洞室，這個鋼質組件被稱為盾構。

盾構隧道適用于砂質、土質或巖石等多種地層穿越，適用地層范圍廣、施工技術先進、機械化程度高、施工不受季節影響，設備及人員施工風險較低；適宜于長隧道施工；周圍環境不受盾構施工干擾；但盾構機械造價較昂貴，工程造價高，工期長，對施工技術和管理水平要求較高。

盾構法較適宜于大口徑、長距離且一般不具備定向鉆穿越條件的水域穿越。

2 管道材料與壁厚選擇

2.1 管道材料與壁厚選擇原則

LNG輸氣管道水域穿越工程的鋼管，應符合國家現行標準有關規定。對于管徑小于DN300，設計壓力小于4.0 MPa的輸氣鋼管，可采用現行國家標準要求的無縫鋼管。

2.2 管材的強度系數

輸氣鋼管應力的計算公式見式(1)：

[σ]=Fφtσs

(1)

式中：[σ]為輸送鋼管的許用應力，MPa；σs為鋼管規定的最小屈服強度，MPa；φ為鋼管焊縫系數，一般取1.0；t為溫度折減系數，當設計溫度小于120 ℃時，t值取1.0；F為強度設計系數，按強度設計系數表(見表2)取值。

表2 強度設計系數表

2.3 鋼管的直徑與壁厚

穿越鋼管的直徑與壁厚之比應小于100，并滿足各種穿越條件下的管道徑向穩定要求，壁厚的計算公式見式(2)：

(2)

式中：δ為鋼管計算壁厚，mm；P為輸送介質設計內壓力，MPa；D為鋼管外直徑，mm；[σ]為輸送鋼管許用壓力，MPa。

3 結語

LNG輸氣管道的水域穿越方法主要有大開挖溝埋穿越、水平定向鉆、鉆爆法基巖隧道、頂管法隧道、盾構法隧道，穿越方案設計要在安全生產前提下，選擇工程量小、投資少的方案；管道材料與壁厚的選擇要遵守現行的國家標準，按計算公式計算得出。

[1] 王桂龍.長燃氣管道穿越河流工程的設計[J].煤氣與熱力，2002，22(3)：266-268.

[2] 閻慶華.長輸管道河流穿跨越方案選擇[J].石油工程建設，2011，37(3)：1-6.

[3] 錢國梁.定向鉆穿越在管道工程中的應用[J].石油和化工設備，2013，16(6)：35-37.

[4] 邢璽亮，湯存峰，張鳳樓.長輸管道建設新工藝技術[J].中國新技術新產品，2014(15)：65.

[5] 楊歐修，于麗麗.天然氣管道河流穿越方案的設計[J].當代化工，2014，12(43)：2606-2611.

[6] 任一鳴.淺析天然氣管道穿越方式[J].化工管理，2015(25)：156-157.

[7] 李銀平.長輸油氣管道定向鉆穿越方案的比選及優越性[J].中國石油石化，2017(12)：297-299.