a燃气输配工程设计、施工原则与方法

燃气输配工程

设计、施工原则与方法严铭卿初步设计

1.初步设计的作用

建设过程中，初步设计是一个中间环节，起着将经过可行性研究原则性论证的项目的总体构思具体化，并为后续的施工图设计做出技术指导性和内容确定性的安排。初步设计的重心在于将技术方案具体化，重大的技术问题要在初步设计中完全确定。特性在可行性研究中主要内容是研究项目的建设条件与环境，效益和可行工艺方案及其原则性比较。可行性研究要为项目决策提供依据。在初步设计之后的施工图设计要解决的只是所有这些设计内容的具体实施细节。比较资源章节代之以气源章节（气源产地、输送、气源量和质的基础数据）用气量预测代之以用气量计算及其平衡

可研：整体工艺方案大门类中比较，初步设计：技术上深入和细化

可研：估算，初步设计：概算2.初步设计的内涵供气与用气的平衡输配工程技术方案和流程，主要设备和材料相关工程如公用工程、建筑工程、结构工程、消防和安全工程处理工程相关影响的技术措施如环保节能等工程概算和成本分析等经济性内容。初步设计的内容

确定供气范围、供气对象、燃气用气量好用气工况确定供气方式。在确定气种、管网压力级制、气源时应评估其可靠性进行管网的布置[包括燃气调峰及应急储存，调压站(箱)]。在多方案比较的基础上选择最优方案。关于管网优化，设计所确定的管网一般有很大的经验成份。现有的管网优化技术脱离工程实际，进行工艺计算。管网水力计算，确定管道管径、调压器(站、箱)的流量、工况与台数提出穿、跨越河流、铁路或其他重要障碍物的处理方案。要具体化，可实施性，落实与城镇相关部门协调和认可确定管道材质、阀门布置和设备选型；管道防腐方案；协调公用工程设计；防火安全设计；劳动卫生与保护，节能与环境保护相关设计总说明书、总平面图和主要管道纵断面图。主要材料、设备明细表投资概算3.初步设计管网系统方案

①网络图式管网的网络图式往往取决于城镇区域的轮廓型式。有几种类型①矩型。如北京4环以内的城区，杭州等多数城市②狭长型。如兰州，荆州，十堰等基于江河谷地的城市③分区型。如武汉，襄樊等受江河等地形条件影响形成的城市④主区-卫星区型。如北京,天津等②压力级制

主要取决于燃气类别，也与城镇规模有关天然气气源最一般的采用高中压两级或高—次高—中压三级系统。对于大型城市或较大城市，有条件采用三级系统高压管道可兼作储气设施而具有输储双重功能，尽量利用天然气的压力能量中压管道供气至小区调压柜或楼栋调压箱，经中低压调压后进入低压街坊管与室内管中压管道直接进入用户高压天然气的能量

高压天然气的能量，可以用火用加以衡量火用是工质（例如天然气）的状态参数，是其能量中理论上能够可逆地转换为功的最大数量，即该能量中的可用能。作定常流动的管道中的天然气，其参数火用可表示为：

——天然气比火用，kJ/kg；

——天然气定压比热容，kJ/（kg•K）；

——天然气温度，K；

——环境温度，K；

——摩尔气体常数，一般取8.3145kJ/(kmol·K)；

——天然气的摩尔质量，kg/kmol。

——天然气压力，MPa（绝对）；

——环境压力，MPa（绝对）。环境温度、系统压力等因素的变化都将对高压天然气火用产生影响。随着高压天然气输气压力的增大，天然气火用将增大；同样，随着排出压力的减小，可供利用的天然气火用也将增大。天然气压力能是天然气火用的一部分，即式中压力比对数项。对高压天然气来说，压力高是其显著标志。因此一般将天然气火用的利用称为压力能利用。高压天然气具有的热力学能量进行下列关于天然气可利用火用的计算：设输气压力p1=4MPa

温度T1=293.15K绝热膨胀降至p2=0.8MPa，T2=210.15K

环境温度T0=293.15K因此天然气可供出火用为：

=1.93(293.15-210)-293.15=217.09kJ/kg2006年西气东输管道计供气99×108m3/a该管道天然气可供利用的火用为：

Ex=217.09×99×108×0.7174×273.15/293.15=20025.6×108kJ，相当于装机容量：N=20025.6×108/8760/3600≈6×104kW电站一年的发电量。③气源及调压站设置

气源指天然气门站取决于天然气输气管道的线路，即分输站条件靠近城区的位置门站数量与城市天然气负荷有关,靠近负荷中心设两个以上门站的大型管网，门站最佳设置方式是对置调压站（高—中压调压站）

数量：主要取决于调压站负荷高中压调压站负荷一般在2•104~4•104m3/h范围位置：高中压调压站的位置主要受城区高压管道的敷设条件限制，向调压站供气的高压、次高压管道不能伸入市区④管网型式及环网密度

枝状管网与环网环网可提高管网的供气可靠性

S—气源，U1—用户1，U2—用户2，U3—用户3

只考虑单一事件故障，则供气可靠性分别为：枝状管网可靠度：R（t）=0.96079

环状管网可靠度：R（t）=0.99846

供气可靠度：环状R（t）>枝状R（t）近3.8个百分点枝状管网比环状管网在造价上较节省，采用Σ（l•D）作造价指标，则造价指标环状是枝状的7.6/4.28=1.78倍研究课题管网不同的成环方案对供气可靠性有不同的作用。主干管网成环位置在管网中部最好，即主干管网环处于中环位置最好。环密度不要太高⑤截断阀配置

天然气为气源的城市中压输配管网需要设置大量的截断阀门采用级别为m=2,m=3的阀门规则配置完全规则配置阀门数为：3级规则配置的管网

(管段数B=67，环数H=14，支管数T=18)，

m=3级规则配置。规则配置阀门数：

=67+14-1-=67+14-1-32=48规则配置的各因素之间的关系

管网形状

管网环密度

管段平均长度

管网规模

配置级别

配置级别愈大，阀门密度愈小，但对m>3，这种变化即不显著∴一般m=2，

3⑥节点的管段管径配置管段管径由下式计算：管道造价函数取为：管段单位压降：

记节点只有单管段时在同一项目方案造价比较中a，b，k都与比较无关，上式简写为考虑有2管段的节点，管段总造价

——有2管段的节点，总管段流量采用动态规划方法得到连有2管段的节点，管段总造价极大值时的管段流量分配由令对的导数等于0，得到

记

n——指数，当对摩阻系数采用谢维列夫新钢管公式，

n＝2.613。

若取对该节点各管段定值，则：即对一个节点，相连管段流量“均分”时，设计的管段管径配置造价最大。4.管道敷设

地下燃气管道与建筑物、构筑物或相邻管道之间的水平和垂直净距，应符合规范的规定高压燃气管道通过的地区，应按沿线居民人数和建筑物的密集程度，划分为四个地区等级，并依据地区等级作相应的管道设计5.管道管材及设计

5.1管道管材

高压与次高压管道

高压与次高压管道管材应采用钢管，其工艺计算、强度计算、当量应力校核，与径向稳定性校核，以及钢级、钢管类型选择同长输管线，但强度系数与钢管最小公称壁厚应按《城镇燃气设计规范》（GB50028）规定城镇燃气管道强度设计系数表5-1地区等级F地区等级F

一级0.72三级0.40

二级0.60四级0.30选用不同钢种采用壁厚的比较结果表5-2材质L245L290L360

计算壁厚（mm）2.31.981.6

采用壁厚（mm）5.64.84.8考虑管道稳定性、抗断性与抗震性等因素，并结合钢材价格，采用L245在确定钢种的基础上进一步选用焊接钢管的类型，其分为两类：螺旋缝钢管和直缝钢管螺旋缝双面埋弧焊钢管（SAW）：焊缝受力情况良好，可用带钢生产大直径管道，但由于焊缝长度长使产生焊接缺陷的可能性增加。直缝焊接钢管焊缝质量好、热影响区小、焊后残余应力小、管道尺寸较精确、易实现在线检测、以及原材料可进行100%的无损检测等优点直缝焊接钢管又分为直缝高频电阻焊钢管（ERW）和直缝双面埋弧焊钢管（LSAW）。直缝高频电阻焊钢管（ERW）高频电阻焊是利用高频电流产生的电阻热熔化管坯对接处、经挤压熔合其特点为热量集中，热影响区小，焊接质量主要取决于母材质量，生产成本低、效率高直缝双面埋弧焊钢管（LSAW）直缝双面埋弧焊钢管一般直径在DN400mm以上采用UOE成型工艺，单张钢板边缘予弯，经U成型、O成型、内焊、外焊、冷成型等工艺其成型精度高，错边量小，残余应力小、焊接工艺成熟，质量可靠。价格与应用直缝双面埋弧焊钢管价格高于螺旋缝埋弧焊钢管，而价格最低的是直缝高频电阻焊钢管天然气输配工程中采用较普遍的高（次高）压管道是直缝电阻焊钢管，直径较大时采用直缝埋弧焊钢管或螺旋埋弧焊钢管强度设计燃气管道强度设计应根据管段所处地区等级和运行条件，按可能同时出现的永久载荷和可变载荷的组合进行设计。按地区地震基本烈度(例如一般工程按七度，要害部门按八度设防)验算管道与设备所承受的地震载荷阴极保护城区内高压干管应采用牺牲阳极法保护，不采用强制电流阴极保护。原因是燃气管道与其他金属管道或构筑物之间没有通电性，互相影响小，而外加电流阴极保护对其他金属管道干扰大，互相影响，技术处理较难，易造成自身受益，其他受害的局面中压与低压管道

室外地下中压与低压管道有钢管聚乙烯复合管（PE管）钢骨架聚乙烯复合管（钢骨架PE复合管）、球墨铸铁管。室外地上中低压管道一般采用钢管钢管

钢管具有高强的机械性能，如抗拉强度、延伸率与抗冲击性等。焊接钢管采用焊接制管与连接，气密性良好。其主要缺点是埋地易腐蚀、需防腐措施，投资大，且使用寿命较短，一般为25年左右聚乙烯管

具有良好的可焊性、热稳定性、柔韧性与严密性，易施工，耐土壤腐蚀，内壁当量绝对粗糙度仅为钢管的，使用寿命达50年左右聚乙烯管的主要缺点是重荷载下易损坏，接口质量难以采用无损检测手段检验，以及大管径的管材价格较高第三代聚乙烯管材PE100较之以前广泛采用的PE80具有较好的快、慢速裂纹抵抗能力与刚度，改善了刮痕敏感度采用PE100制管在相同耐压程度时可减少壁厚或在相同壁厚下增加耐压程度燃气用聚乙烯管道适用于工作压力不大于0.4MPa(表压)，工作温度在-20℃～40℃的埋地管道聚乙烯燃气管道分为SDR11和SDR17.6两个系列。输送不同种类和不同工作温度的燃气，允许的工作压力应符合表3-4的规定聚乙烯燃气管道允许的工作压力表5-3

允许工作压力SDR11SDR17.6天然气-20℃＜t≤0℃0.10.00750℃＜t≤20℃0.40.2020℃＜t≤30℃0.200.1030℃＜t≤40℃0.100.0075液化石油气(气态)0.10

人工煤气0.005

中压聚乙烯管道采用黄色管材，低压聚乙烯管道采用黑色加黄色醒目条纹管材钢骨架聚乙烯复合管

钢骨架材料有钢丝网与钢板孔网两种。管道分为普通管与薄壁管两种，薄壁管不宜用于输送城镇燃气球墨铸铁管

球墨铸铁管采用离心铸造，接口为机械柔性接口，已采用至中压A的输配系统。与钢管相比的主要优点是耐腐蚀，管材的电阻是钢的5倍，加之机械接口中的橡胶密封圈的绝缘作用，大大降低了埋地电化学腐蚀除延伸率外与钢管接近。此外柔性接口使管道具有一定的可挠性与伸缩性管材的选用技术经济比较

综合考虑3个因素：①管材单价（C），②使用年限（n），③单位压降下的流量（F），定义管材费效比：（5-1）

——管材费效比；

——管材的工程单价，104元/km；

——单位压降下的流量，(104m3/h)(kPa2/km)-1；

——使用年限，a。定义管材费效比的相对值

——第i种管材的管材费效比；

——作为比较基准管材的管材费效比。管材的单价比rC

表5-4公称直径（mm）

100200250300400聚乙烯管（SDR11）0.731.091.101.341.8球墨铸铁管（K9）1.180.920.960.900.81钢管（含防腐费）11111聚乙烯管公称直径小于200mm时较钢管便宜，而球墨铸铁管公称直径小于200mm时较钢管贵。大管径的球墨铸铁管有一定的价格优势各类管材使用年限钢管按25年考虑聚乙烯管与球墨铸铁管按50年考虑。输送流量不同

对相同管径管道在相同压降下，输送流量之比反比于摩阻系数之比管材费效比的相对值

（5-2）

中压燃气管材费效比的相对值表5-5公称直径（mm）100200250300400聚乙烯管（SDR11）0.420.550.560.480.68球墨铸铁管（K9）0.920.680.760.670.45钢管（含防腐费）11111公称直径从100mm到400mm，聚乙烯管（SDR11）或球墨铸铁管（K9）都显著的优于钢管（含防腐费）

钢骨架聚乙烯复合管

钢骨架聚乙烯复合管的价格高于聚乙烯复合管，两者使用年限相同，价格比约为1.1~1.6倍，随着管径增大，倍数减小5.2钢制管道的焊接、防腐

地下燃气管道与交流电力线接地体的净距(m)表5-7电压等级(kV)1035110220铁塔或电杆接地体13510电站或变电所接地体5101530钢管焊接要求

对焊工的要求管道焊接前应具备条件管道施焊环境组管对口时应符合要求管道外防腐对高、中压输气干管宜沿燃气管道途经地段选点测定其土壤电阻率根据土壤的腐蚀性及管道所经地段的性质、环境条件确定其等级。采用涂层保护的燃气干管和储罐宜同时采用阴极保护。管道外防腐三层聚乙烯防腐

第一层是熔结环氧粉末涂层，使得在焊口处也能保证钢管与空气完全隔绝，其粘接力达到了很高的水平；第二层中间层是胶粘剂，外面是柔性的聚乙烯保护层，可以使防腐层既粘接牢固、无空鼓、不进水、无空气接触，又可以有效抗击外力的的侵袭。这种防腐方式技术成熟，得到了广泛的应用

管道连接部PE三层防腐补口

Plasticcoversheet-塑料面层Heat-shrinksleevewithhotmelt-带热熔的热缩套Heat-shrinksleevewithmastic-带胶黏剂的热缩套Girthweld-圆周焊缝Pipewall-管壁Mill-appliedthree-layerextrudedpolylenecoating-工厂预制三层挤压聚乙烯防腐管道防腐施工

钢管表面预处理，钢管表面除锈防腐层质量检验，防腐层外观，防腐层的漏点采用100％在线火花检漏仪检查采用磁性测厚仪测量防腐层厚度防腐层粘结力，剥离强度检验。钢管的焊接及防腐固定口补口

钢管的焊接应使用电弧焊接，不得使用氧乙炔焊接固定口防腐是较难解决的问题，热收缩套作固定口补口，只要操作无误，是能保证质量的5.3管道穿、跨越

燃气管道穿越电车轨道和城镇主要干道时宜敷设在套管或地沟内燃气管道随桥敷设时，需采取安全防护措施，采用厚壁无缝钢管或焊接钢管按规范要求，燃气管道穿越河底时，燃气管道采用钢管。这一点值得商榷。也许采用聚乙烯管更合适。阀门设置

次高压、中压燃气干管上应设置分段阀门，其间距一般为2km～6km次高压、中压燃气支线的起点处设置阀门场、站进出口离场站10m～100m范围内设置进出口阀门次高压、中压管线的预留宜装设阀门，并在阀门后加盲板输送湿燃气的燃气管道，应埋没在土壤冰冻线以下，并设置凝水器施工及验收

门站及储配站的工程开工应具备下列条件

技术文件齐全，并已通过审定施工报告和施工方案已经批准；技术交底和必要的技术培训已经完成主要设备和材料(包括备品、备件)已经落实在施工区域内有碍施工对象已清理施工用电力、供水满足连续施工要求施工现场符合安全、劳动保护、环境保护和市政管理规定门站及储配站的工程施工程序

场地平整和土建施工。设备和材料的检验与安装。焊接质量检验。防腐和涂漆处理。设备单体和系统的试运转、调整聚乙烯管施工

夏季施工时，要将聚乙烯管蜿蜒放置在沟槽内，使聚乙烯管有收缩余量聚乙烯管的连接目前只允许热板式热熔对接，也可以用电熔连接施工监理

施工监理是保证工程全面质量的重要机制，是工程设计与工程实现一致性的监督燃气输配工程施工的单位，必须具有有关部门批准的燃气施工监理相应资质工程监理包括下列主要环节

施工准备检查。场地，通道，水电条件，施工机具、材料、设备及其储放，施工安全设施，职工生活条件保障等等；管道、材料、设备及仪表是符合设计规定的合格品；严格按图纸和设计文件要求施工；施工过程检查。重点：安装前进行管道检查清理及设备进出口的清理和法兰面的再清理，焊接质量控制，连接严密性，安装位置正确，管道防腐及埋设质量，隐蔽工程质量、检验及记录等；实时对施工过程要求的，对设备、材料，局部工程质量、外观进行检验；施工进度监督；与设计单位的技术及质量控制内容的信息交流与联系（通过业主方）施工安装工程的验收文件及总验收报告

工程施工竣工档案的份数：正本原件由管理单位留存；正本复印件由市城建档案馆及施工单位留存；简本由建设单位的运行维修人员留存地下燃气管线验收应具备的条件

“土壤击实试验纪录”作为回填土密实度的重要资料管道焊口结合图，内容要有编号、距离、焊接操作人员、检测纪录、无损探伤纪录等调压站的验收要求

调压站的验收应包含土建、上下水、采暖等方面的验收。由于调压站内的管线大多是地上明管，而地下管线变化不大，可用设计图代替竣工图，但必须有施工人员的确认标志LPG储罐及气瓶防止过量灌装

LPG有远大于水的体积膨胀系数，约大10～16倍。体积膨胀系数值如下表7-1

丙烷、水体积膨胀系数表7-1

温度℃-30-00-1010-2020-3030-4040-50丙烷0.002460.002650.002580.003520.003400.00422水-0.00002990.000140.000260.