综合管廊的环境特点分析及检测仪表配置*

2018-02-20李双凤

现代建筑电气 2018年2期

李双凤

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引言

综合管廊安全、良好的内部环境是各类专业管线及附属设施设备安全运行的保障,亦是运营管理单位安全运营的前提。我国综合管廊的运营管理经验尚浅,研究不够深入,不能为各专业管线及附属设施设计提供充分的基础数据资料,设计人员难以对设计方案的制定做到充分而全面的考虑。设计单位往往基于自身类似工程的相关经验制定综合管廊的设计方案,综合管廊施工建设方式粗犷,待管廊投入运营后往往暴露大量的缺陷,而后修订未来待建管廊的设计方案,显然缺乏可靠性、经济性及合理性。因此,需要对综合管廊的关键技术进行前瞻性研究。

目前,全国各地均出现因管廊内潮湿的工作环境所导致的大量现场金属支架锈蚀及部分附属设备损坏的情况。人们越来越多地着眼于综合管廊的内部环境对管道运行安全、附属设施正常运行及运维巡检人员人身安全的影响,希望根据综合管廊不同舱室内不同的内部环境,有针对性地合理配置不同的现场检测仪表,对综合管廊内部的各种关键环境数据进行监测,并从各种环境参数特别是各类有毒有害物质对巡检人员的安全保护,以及综合管廊内部环境对管道安全运行的角度考虑,制定经济、合理的环境控制策略。

1 综合管廊的环境特点

综合管廊整体布置于地面浅层土壤内,覆土深度为0.7～2.5 m,雨季往往整体位于地下水位之下,管廊四周土壤潮湿,对结构主体的防水性能要求较高,而结构主体的防水性能对各入廊专业管线的安全运行以及附属设施的正常运行影响较大。

管廊的结构主体由标准断面段及变电所、通风口、投料口、引出口、交叉口等特殊节点组成。标准断面段结构施工采用预制拼装方式时,约每2 m需设有一处拼接缝;采用混凝土现浇方式时,一般每30 m左右设置一处变形缝,变形缝处设置密封橡胶圈密封。变形缝的密封性能以及结构内、外防水性能受产品质量、施工方法及施工质量的影响较大。

综合管廊内的气流组织较为复杂,主要体现在以下两个方面:① 管廊的廊道即风道,风道内设有大量的各类专业管线,且综合管廊沿道路延伸、弯曲;② 综合管廊全线设有较多的特殊节点,包括投料口、引出口、通风口、设备口等,据不完全统计这些特殊节点相对综合管廊标准段的占比高达30%以上,这些节点或位于管廊顶板正上方与管廊连通,或节点处顶板局部抬高。既受限于综合管廊的结构,又要充分考虑工程造价及廊道的可利用空间,通风设计的难度较大,管廊中存在较多的通风不良处,且难以在设计阶段准确判断,管廊内的附属设施有时难免设置于通风不良处。

管廊内与地面温差较大。夏季室外空气温度与管廊内空气温度相差近10 ℃,特别是雨季室外空气湿度已饱和,管廊通风时室外空气遇冷即在管道及附属设施设备表面凝结。目前,已投入运营的综合管廊普遍存在夏季管廊内长期空气湿度高,雨季长期空气相对湿度为100%。综合管廊内未作防腐处理的金属安装辅材甚至在管廊投入运营前已锈蚀,潮湿已成为综合管廊内管线安全运行最大的潜在威胁。

2 现行国家标准、规范中对相关工作场所的环境要求

GBZ/T 205—2007《密闭空间作业职业危害防护规范》[1]中规定:缺氧环境,<18%;富氧环境,>22%。GB 8958—2006《缺氧危险作业安全规程》中规定:在已确定为缺氧作业环境的作业场所,必须采取充分的通风换气措施,使该环境空气中氧含量在作业过程中始终保持在0.195以上。

GBZ 2.1—2007 《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》中规定工作场所各类有毒有害物质的接触极限,甲烷的爆炸浓度下限约为5%(约35 714.3 mg/m3)。GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规定》[2]规定甲烷的报警浓度不应大于爆炸浓度下限的20%。

综合管廊内平时无人值守,运维及管线归属单位人员日常工作中往往是新管线敷设与安装、巡检管线、清理管廊内积灰、管线维修等,在管廊内停留时间因维护内容不同而不等。考虑人员可能在管廊内任一区段长时间停留,本文针对综合管廊内各种有毒有害气体的浓度研究均以日常工作8 h的平均容许接触浓度限制为依据。

3 综合管廊内各入廊管线的安全隐患

综合管廊内集中敷设的公用给水、雨水、中水、污水、供冷、供热、燃气、电力及通信管线等集中敷设的公用设施、管线等归属不同单位,一般由管线归属单位进行维护。不同专业管线的运行特点不同,安全隐患也不同,不仅影响管廊的正常运营,更威胁运维人员的人身安全[3-7]。

(1) 压力水管的安全隐患。给水管、中水管、供热管、供冷管均为压力水管,一般采用钢管、球墨铸铁管等。入廊敷设的压力水管由于受综合管廊内的结构主体保护而免于受到其他工程的影响,正常运行时应无漏损。但在管材加工质量差、管道运输下料过程中轻微受损,接口质量不佳,阀门锈蚀、磨损,施工质量不高,管道或管道支架防腐不力等情况发生时,仍存在管道漏损,甚至爆管的可能。

上述水管输送的介质均经过净水厂、污水厂或能源站等处理,符合相关行业的卫生标准。水管内PH值接近中性,即便发生水管漏损或爆管事故对管廊内防腐金属支架及管材的腐蚀性极小,对同舱敷设的其余专业管道无威胁。即便是成分较复杂的中水内多为非挥发性物质,且容量远小于相应物质在水中的溶解度,不会析出。石油类挥发性物质即便全部渗入空气中其浓度仍不超过GBZ 2.1—2007的规定。

因管廊内的排水泵为排除日常渗漏水设计,受限于事故段的排水流量,压力水管一旦爆管,短时间内即将达到管廊事故段允许的淹没深度(含电缆的综合舱为最底层电缆支架安装高度,约0.3 m,管道舱为附属设施最低安装高度,约1.2 m),威胁电力电缆及附属设施的安全运行。

此外,供热管一旦漏损严重或发生爆管事故,将在管廊内部形成高温/高湿的空气环境,或对与其同舱敷设的给水管道内水质产生影响,破坏其他专业管道的防腐设施。而供热管道因为有保温层的保护,管道初期的暗漏不易察觉,待发展到明漏往往已出现严重漏损。因此,日常需实时监测供热管道的温度,以便运维部门及早发现管道的初期漏损。

(2) 污水管的安全隐患。排入城镇排水系统的污水水质必须符合现行GB 8978—1996《污水综合排放标准》的规定。输送达标排放污水的污水管道内多为非挥发性物质,且容量小于相应物质在水中的溶解度,不会析出。石油类及挥发酚即便全部渗入空气中其浓度仍不超过标准GBZ 2.1—2007的规定。因此,管廊内用于输送排入城镇排水系统污水的管道威胁主要是漏损或爆管后生物耗氧导致的管廊内部含氧量下降。

收集去往污水处理厂的抽送产生易燃易爆和有毒有害气体的污水管道内可能存在的有毒有害气体种类繁多、成份复杂,根据危害方式的不同,可分为有毒气体(窒息性气体)、腐蚀性气体和易燃易爆气体三大类:① 有毒气体是通过人的呼吸器官在人体内部对其他组织器官造成危害的气体,如硫化氢、氰化氢、一氧化碳、二氧化碳等气体。这些气体在人体内部一般是抑制人体内部组织或细胞的换氧能力,引起肌体组织缺氧而发生窒息性中毒,因此也叫窒息性气体;② 腐蚀性气体一般是消毒气体,如氯气、臭氧气体、二氧化氯气体等,发生泄漏时,对人体的呼吸系统起腐蚀作用,产生毒害;③ 易燃易爆气体通过与空气混合产生一定比例时遇明火引起燃烧甚至爆炸而造成危害,如甲烷、氢气等。此种类型的污水管道中的有毒有害气体浓度较高,且在输送途中仍不断发酵产生,一旦管道漏损或发生爆管事故,则管道内有毒有害气体将不断释放至综合管廊内部,污染管廊内的空气环境,严重威胁检修人员的人身安全。溢流液及有毒有害气体如长期滞留在管廊内部,还将威胁到其他专业管道的运行安全。需要设置相应的有毒有害气体检测仪表,并联动通风系统。

(3) 天燃气管的安全隐患。入廊敷设的城镇天然气管道为主干管道,管道内天然气为气田、油田经预处理后通过管道输送的商品天然气。天然气中甲烷的含量在90%左右,甲烷着火温度为540 ℃,天然气的最小点火能量较低,为0.48 MJ。天然气扩散能力强,泄漏后易形成大面积扩散区,与空气形成爆炸性的混合气体,在有氧情况下如果局部达到爆炸极限(体积浓度5%～15%),就有可能会引发爆炸。因此,燃气舱内的附属用电设备选型必须严格遵守国家标准GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》的要求。

燃气管道在综合管廊内敷设仅能沿管廊延伸方向泄压,泄压面积有限,由于缺少泄压通道,燃气管道一旦发生严重漏损、爆管将严重威胁综合管廊的结构主体安全、燃气舱内的附属设施安全、相邻舱室内敷设的其他专业管线及附属设施安全。因此,必须对入廊敷设的燃气管道进行严密监控,严防燃气管道泄漏的发生。

燃气管道是综合管廊内危险性极大的管线,必须在管廊燃气舱现场通风不良处设置相应的可燃气体检测仪表,并实时检测。考虑天然气比重小于空气,可燃气体检测仪表一般吸附管廊顶板安装。

4 综合管廊内有毒有害气体浓度调研

对已投入运行的沈阳某综合管廊进行调研,该综合管廊总长约为18 km,呈几字形分布于道路绿化带下方,管廊东西、南北向纵伸均超过7 km,地质及土壤条件多样。该综合管廊全线采用单舱断面,内部仅设有电缆舱,容纳中、高压电力电缆。管廊内的仪表配备较为完备,现场在各防火分区中部(可视为通风不利处)均固定安装检测氧气、一氧化碳、甲烷及硫化氢的仪表。

调研结果表明,未有危险管道入廊时管廊内的典型有毒有害气体的平均浓度均较低,远低于GBZ 2.1—2007的相关规定。

建议开展针对不同综合管廊建设环境、不同地质条件的有毒有害气体产生来源的研究以及长期的跟踪调研,为管廊的附属监控系统设计提供参考。既要防止设计考虑过于理想,缺少必要条件下的现场检测仪表设置,又要防止过度设计,造成投资浪费。

5 综合管廊仪表配置建议

管廊内仅敷设电力电缆、通信缆线时,仅需配置基本的氧气及温/湿度检测仪表,吸顶安装。需要强调的是南方雨季室外空气温度较高,湿度较大,长期通风反而将室外潮湿空气引入管廊,在管廊“天然空调”的环境遇冷后冷凝析出,将严重威胁管廊内金属管道及附属设施的安全。传统的除湿措施在管廊内应用往往缺乏经济性。建议高温潮湿季节管廊日常维护选择在相对干爽的天气(夜间)进行。

压力水管入廊时,为防止压力流水管或管廊外部水倒灌,在综合管廊容纳有压力水管的舱室内沿线需设置危险水位报警装置。危险水位报警装置采用爆管监测液位开关,安装在每个单元地势较低的集水坑旁,或在集水坑内设置投入式液位仪。工程经费受限时,仅在管道阀门安装处等薄弱环节设置;供热管入廊时还需在管道沿线配置线型感温光缆,具体做法为在每根供热管道上平行捆绑敷设一根感温光纤,与感温光纤主机通信,并在管道阀门安装处、补偿器等薄弱环节设置摄像机,以便人工辅助判断。

收集去往污水处理厂的抽送产生易燃易爆和有毒有害气体的污水管道入廊时还需配置相应的有毒有害气体检测仪表。考虑污水管道内的有毒有害物质成分复杂,比重小于、大于或接近空气,不同有毒有害气体检测仪表安装高度需综合考虑运维人员作业高度范围,按照有毒有害气体积聚高度设置。工程经费受限时,可仅在管道阀门安装处等薄弱环节设置相应的有毒有害气体检测仪表。与污水管道归属单位信息交互后充分了解污水成分,也可仅针对某种典型有毒有害气体设置检测仪表。综合管廊一般随新建道路建设,管廊的设计难以与入廊管线的设计同步,且管线设计往往落后于管廊建设,设计人员难以在设计阶段把控入廊污水管道内介质成分。为防止过度设计,造成投资浪费,建议有毒有害气体检测仪表不在管廊附属监控设计阶段设计,待污水管线入廊时再与管道同步设计、同步施工。

天然气管道入廊时,还需设置甲烷浓度检测仪表,采用吸顶安装。此外,天然气管道一旦泄漏,还会随通风系统进入通风口上层风道,因天然气密度远小于空气,风道内成为燃气舱制高点,为防止气体积聚,也需设置检测仪表。需要强调的是根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》等规定,天然气管道敷设方式只允许直接埋地或架空敷设,以形成密闭空间。综合管廊为相对密闭空间,天然气管道入廊敷设,即便不计成本单独成舱,仍严重威胁相邻舱室的安全,建议燃气管入廊与否需慎重考虑。

此外,考虑到综合管廊主体的安全性对入廊敷设的各类专业管道保护的重要性,建议在综合管廊地质条件变化较大、较薄弱的区域设置相应的沉降、位移监测仪表,监控综合管廊的结构主体受力、变形情况。