基于城市天然气管道的设计探讨

李静

摘要：目前，人们对环境质量的重视程度越来越高，城市对环境保护的要求有了进一步的提高，对于能源的供应也向清洁型、高效型迈进。天然气是城市的理想能源，所以天然气管道的设计与施工是造福千家万户的事业，对提高城市的能源利用水平，改善城市的环境质量有着重要的作用，在有可能的条件下，应使设计更合理、周到，燃气管道才能得到进一步的发展，成为城市的主要能源输出管道。优化管道设计方案，才能更好得造福社会。

关键词：城市天然气管道设计

前言

天然气是一种优质、高效、清洁的能源和化工原料。进入20世纪70年代以来，世界天然气发展速度加快，大大超过了石油工业的发展速度。天然气在能源生产结构中的比例也迅速提高。目前，一般发达国家天然气在能源生产结构中的比例大约在24%以上，而天然气在我国能源结构中的比例很小，近几年一直保持在2.2%。因此，为了改善我国能源结构，保护生态环境，应提高天然气在我国能源消费结构中的比例，加快我国天然气工业的发展，发挥天然气资源的优势，实现资源的合理利用。如何更好的对城市天然气管道进行设计，已经成为相关部门值得思考的事情。

1.天然气管道的特点

1.1固定性。天然气管道埋于地下，除改造、敷设新线路等特殊原因外，管道一般不会发生位移。

1.2输送的连续性。天然气管道一旦建成、投产，一般情况下应连续运行。

1.3相对流动性。管道与输送介质之间是相对流动的，因此要求管道内部，特别是管壁内焊口部位尽可能光滑，以利减少摩阻力。

1.4潜在的危险性。天然气管道除特殊地形、特殊要求外，一般均为地下敷设，建设中未检出的缺陷在运行中不易发现，存在不可预见的潜在危险。

1.5威胁性。天然气属易燃易爆气体，在役运行的天然气管道穿越中心城区对地面建、构筑物或区域长期构成威胁。

2.城市天然气管道设计原则

严格遵循国家及地方有关规范，标准、规定和技术要求，符合国家和行业对初步设计的规定，做到设计内容完整，质量高标准，深度满足要求。.本着近远结合、留有一定发展余地的原则，在保证近期工程建设的同时，考虑远期发展的需要，使工程的建设投资合理，充分发挥工程的经济效益和社会效益。管线设计采用先进标准，确保管线运行安全可靠，维护管理方便。设备选型主要立足于国内，结合多年来积累的经验，做到设备性能可靠、技术先进、方便运行、便于维护。对于工艺流程需要或国内尚不能满足要求的设备拟从国外引进。

3.天然气管道参数分析

天然气管道内流动状态模拟指的是在天然气在管道内流动时，根据已知流量、压力、含水量等参数，对天然气的流动状态进行动态模拟。通过模拟可以获得天然气在管道内的流动规律，从而更好的为管道的优化设计提供基础。天然气在管道内的流动规律求解涉及到多个物理方程、边界条件及初始条件，直接进行流动数学模型求解具有一定困难。为了便于求解，可以根据实际情况，简化条件或者利用数值模拟进行模型求解。天然气管道优化设计模型求解时，首先筛选输送模型的影响参数，其次利用基本的物理原理和已知的条件对各参数间关系展开研究，从而得出各参数间的关系，进而求得天然气管道模型的精确值。

在天然气管道输送过程中，影响管道流动状态的因素主要有管道形状、管道尺寸、输送气体密度、输送压力、输送流量等参数。这些参数之间存在一定的函数关系。这些关系大致分为两种，一种是可以根据基本物理原理及公式（如能量守恒定律、质量守恒定律）推理得出，第二种是根据实验或模拟软件模拟得到的。结合两种关系式，可以综合影响天然气管流动设计的各参数，从而获得各参数变化规律，最终得到管道设计优化参数。

4.天然气管道设计要点

由于高压天然气管道多敷设于野外，导致管道安全运行的外部环境较为复杂，为了维护公共安全，设计中有必要进一步强化管道保护措施，建立有效的管道安全体系。从国内外实践看，造成管道事故的原因有第三方破坏、管材、设备及焊接缺陷、管道锈蚀、人的不规范操作等原因。其中由第三方破坏引起的事故在近年来的燃气管道事故中高达40%。

高压天然气管道设计可从以下几方面进行多重防护：采取降低许应力，增加管道壁厚，约束强度设计系数的取值（不大于0.3）等措施以提高管道自身的安全度；管道与建（构）筑物等设施的安全间距应严格遵循规范要求，当发生事故时降低影响面；选择合适的管材、提高防腐等级、增加管道覆土厚度或采用定向钻等非开挖敷设方式、或沿燃气管道上方设置加强钢筋混凝土板，尽量避免管道受第三方破坏；采用先进的自控系统，分段阀门应尽量采用远程控制系统；合理设置线路截断阀，当管道发生事故時，能通过控制线路截断阀的启闭，从而将危害及损失降到最低。

5.城市天然气管道设计时应该注意的问题

5.1附加压头问题

因高层建筑的高程较高，燃气管道使用的立管也比较长，加之天然气管道与空气密度的差异，附加压头使用中常会造成用户燃烧器前压力波动，甚至超出标准的工作范围，进而影响燃烧器的正常燃烧，燃气会出现不完全燃烧或是熄火、回火等现象。为了保证天然气燃烧器能正常燃烧，就应该控制或消除附加压头的影响。

5.2立管应力问题

因天然气管道立管较长，其在实际运行过程中，管道自重将会很大，再加上环境和温度的影响，立管会变形甚至产生热应力。而应力是影响高层管道设计的重要因素，一旦在设计中出现应力问题，管道自身及其支架就会受到严重的破坏，使管道弯曲或是破裂、漏气，甚至会引发重大安全事故。为了避免这一问题，在设计的时候就应该对其进行应力计算，保证天然气管道正常使用。

5.3管道沉降问题

正常情况下，高层建筑在竣工后5年之内，其沉降速度最大，之后其沉降速度将逐渐递减。而天然气管道一般是在建筑竣工初期进行安装的，后期随着建筑的沉降会使入管穿墙部位产生较大的应力。再加上回填土的沉降使引入管产生部分悬空，严重时会使管道变形甚至漏气。为了避免这些问题出现，在设计的时候就应该采取恰当的补偿方法，以保证管道正常运行。

6.天然气管道管材的选用

管材选用主要应考虑管径的大小、管壁厚度、材质及焊接材料的性能。天然气管道管径的大小主要与流量、流速有关，根据介质的压力值、管顶的覆土深度及荷载的分布形式确定管材与管壁厚度。另外，焊接材料的选用根据母材的化学成分、机械性能和使用条件综合考虑。当同种钢材焊接时，焊接金属的机械性能和化学成分与母材相当；异种钢材焊接时，焊接材料应按合金含量较低一侧的钢材选用。选用的焊条药皮要均匀、无明显的裂纹、脱皮、表面无孔、焊芯无锈蚀等现象；存放时注意防潮、防雨、防霜及油类侵蚀。

7.天然气管网优化设计的发展

天然气管网的规划设计工作是一项长期持续性的工作，由于其复杂性和广泛性，需要在实施过程中不断分析现有管网和供求关系，进一步优化管网结构。而对管网进行优化实际上就是一个网络最优化的问题，即在已知燃气管网系统的网络结构下，当采用某种管材时，根据计算要求选用合适的管径，该管径在满足管网节点流量和节点压力的条件下，可以使燃气管网系统的投资费用和运行费用最少。为了将优化问题转化为抽象的数学规划问题，可以将节点流量方程、管段压差方程、管段阻力方程、起源节点压力值，以及其他节点允许范围作为约束条件，可以制定经济最优化准则——最大利润、最小总费用、最低成本等，也可以制定技术最优化准则——最大可靠性、最快动作等。

8.结语

随着城市化规模的不断扩大，高层建筑已经成为城市建设必然趋势，而原有管道设计方式在应力上已经不能更好的满足其需求。为了更好满足现实需求，在设计天然气管道的时候，就应该结合高层建筑实际工况进行设计，以保证天然气管道正常使用。

参考文献：

[1]张锦霖.城市6.0MPa超高压天然气管道的设计探讨[J].城市公用事业，2006，2（4）.

[2]李斌.城市高压天然气储气管道的优化设计[J].上海煤气，2011（4）.