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(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030000;2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)中至關(guān)重要。總結(jié)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(shù)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(guī)劃穿越工程與城市建設(shè)的銜接，確保輸氣管道和地方布局的協(xié)調(diào)共建；遵循相關(guān)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(yīng)正確劃分工程等級，并應(yīng)采用與工程等級相應(yīng)的設(shè)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(gòu)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(dǎo)流或圍堰等方式，將管道置于河床沖淤變化穩(wěn)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(jù)設(shè)計提出的入土、出土點坐標和管線設(shè)計軌跡，用定向鉆鉆導(dǎo)向孔(特殊地層還需逐節(jié)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(shù)根據(jù)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(shè)于擴大的孔內(nèi)，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(zhì)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(zhì)巖層。

該方法主要優(yōu)點是工期短、投資較少、施工不受季節(jié)限制；缺點是管道無法檢修、敷設(shè)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(jié)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(zhì)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(fēng)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(huán)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(nèi)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(wěn)定洞室。

頂管穿越對各種地層的適應(yīng)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(zhì)較軟的地方，否則投資太大。

1.3.5 盾構(gòu)法隧道

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

盾構(gòu)隧道適用于砂質(zhì)、土質(zhì)或巖石等多種地層穿越，適用地層范圍廣、施工技術(shù)先進、機械化程度高、施工不受季節(jié)影響，設(shè)備及人員施工風(fēng)險較低；適宜于長隧道施工；周圍環(huán)境不受盾構(gòu)施工干擾；但盾構(gòu)機械造價較昂貴，工程造價高，工期長，對施工技術(shù)和管理水平要求較高。

盾構(gòu)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(yīng)符合國家現(xiàn)行標準有關(guān)規(guī)定。對于管徑小于DN300，設(shè)計壓力小于4.0 MPa的輸氣鋼管，可采用現(xiàn)行國家標準要求的無縫鋼管。

2.2 管材的強度系數(shù)

輸氣鋼管應(yīng)力的計算公式見式(1)：

[σ]=Fφtσs

(1)

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

表2 強度設(shè)計系數(shù)表

2.3 鋼管的直徑與壁厚

穿越鋼管的直徑與壁厚之比應(yīng)小于100，并滿足各種穿越條件下的管道徑向穩(wěn)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(zhì)設(shè)計內(nèi)壓力，MPa；D為鋼管外直徑，mm；[σ]為輸送鋼管許用壓力，MPa。

3 結(jié)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(gòu)法隧道，穿越方案設(shè)計要在安全生產(chǎn)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(xiàn)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(shè)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(shè)，2011，37(3)：1-6.

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

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

[5] 楊歐修，于麗麗.天然氣管道河流穿越方案的設(shè)計[J].當(dāng)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(yōu)越性[J].中國石油石化，2017(12)：297-299.