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摘要：居民的生活水平、社会发展以及城市建设在很大程度上受到天然气管网工程设计水平的影响。所以，进行天然气工程设计时，应该以长时间安全稳定运行、设备和材料的可靠性以及技术成熟等相关因素为前提条件。同时，确保能够达到安全要求相关标准的基础下，尽量采取科学的设计线路，降低变更设计的可能。促进城市天然气管工程在实际使用过程中能够实现经济性、安全性以及可靠性。
关键词：高压天然气；管道设计；敷设
1 天然气管道工程的设计
1.1 天然气管道工程设计思想
工程建设中设计占据着关键位置，要确保能够达到安全的要求去设计高压天然气管道，保证工程造价的经济性以及工程实施的可行性。
1.2 天然气管道工程设计基本准则
设计天然气管道工程时需要遵循一定的基本原则，确保天然气管道工程能够加快施工进度，并且对该工程长时间发展的需求要充分考虑，合理地投资天然气管道工程建设，促进工程的社会效益以及经济效益得到全面的发展。
设计天然气工程时要选择合理的线路走向，先进的管材，保证管线能够安全可靠地运行，同时方便管线的管理维护。
1.3 高压天然气管道设计要点
由于高压天然气管道多在城区外敷设，管道安全运行的外部环境更加复杂，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，建立更加有效的管道安全体系。
从国内和国外的实践看，造成管道事故的主要原因是：外力作用下的损坏，管材、设备及焊接缺陷，管道腐蚀，操作失误及其它原因，等。其中，管道受第三方破坏近几年在燃气管道事故的比例高达40%，在高压天然气管道设计中尤其值得注意。高压天然气管道设计可从以下几个方面进行多重防护，提高安全度：
a）降低许用应力值，强度设计系数取值不大于0.3，增加管道壁厚，以强度确保管道自身的安全；
b）管道到建（构）筑物的安全距离严格遵循规范要求，当发生事故时降低影响面；
c）选择合适的管材，提高防腐等级；
d）增加管道覆土深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；
e）采用先进的自控系统，分段阀门采用远程自动控制；合理设置线路截断阀，当管道发生事故时，能通过控制线路截断阀的启闭，从而把危害及损失降低到最低限度。
2 高压天然气管道的路线选择
2.1 划分地区等级
高压天然气管道在进行地区等级划分时应该遵循以下准则：
a）顺着天然气中心管道两边相隔200 m 的区域内，将1.6 km 长距离的路段进行随意划分，同时要确保属于独立建筑的区域，当成分级单元的地区；
b）划分等级时应该通过了解天然气管道通过地区的沿线建筑物的密集程度确定，同时要与相关规定互相符合；
c）在划分地区等级时应该要为长远的发展进行考虑。
2.2 控制天然气管道间的安全距离
天然气管道的距离应该要参照相关规范的具体要求，地区不相同的情况下，建筑结构与天然气管道之间的水平距离应该如表1 所示。
表1 建筑结构与天然气管道之间的水平距离
3 高压天然气管道的管材选择及壁厚计算
3.1 高压天然气管道的型号选择
目前，高压天然气管道管基本采用直缝高频电阻焊（HFW）、螺旋缝埋弧焊（SSAW）、无缝的方法生产。HFW钢管生产速度快、成本低，也是常被选用的管线钢管之一。通常可提供规格直径为152 mm～660 mm（6 in～26 in）。近年来，由于严格的质量控制和检验，钢管质量有了很大提高，已广泛用于输气管道工程中。
无缝钢管通常使用规格直径至405 mm。无缝钢管价格较高，一般比HFW钢管高15%～25%。钢管的壁厚偏差大，表面质量较差。
SSAW 钢管也是输气管道常用的管型。近年来，SSAW钢管生产的成型、焊接、冷扩径有了技术改进，预精焊工艺把成型与焊接分离，使成型对焊接的影响基本消除，改善了焊接质量；SSAW 钢管管端扩径，使管端几何尺寸精度提高很多。
3.2 高压天然气管道壁厚计算
3.2.1 直管段强度计算及选择
根据《输气管道工程设计规范》（GB50251- 2003）的规定，钢管壁厚与设计压力、钢管外径、钢管的强度等级、强度设计系数及温度折减系数有关，钢管壁厚按下式计算：
δ= PD/2σS φFt，（1）
式（1）中，δ 为钢管设计壁厚，mm；P 为设计压力，取6.3 MPa；D 为钢管外径，323.9 mm；σS 为钢管的最小屈服强度；φ 为钢管焊缝系数，按《输气管道工程设计规范》选取1.0；F 为强度设计系数，根据《输气管道工程设计规范》（GB50251- 2003）确定，一级地区选用0.72，二级地区选用0.6，三级地区选用0.5；t 为温度折减系数，取1.0。
3.2.2 线路弯管壁厚选择
热煨弯管的管壁厚度按下式计算：
δb=δ·m，（2）
m= 4R-D/4R-2D，（3）
式（2）、（3）中，δb 为弯管的管壁计算厚度，mm；δ为弯管所连接的直管段管壁计算厚度，mm；m 为弯管壁厚增大系数；R 为弯管的曲率半径，mm，R=6D；D为弯管的外直径，mm。
4 高压天然气管道的敷设
4.1 管道敷设原则
管道敷设遵循以下原则：
a）尽量靠近或沿现有公路敷设，以便于现场施工和后期运行管理；
b）针对沿线不同的地形地貌以及不同的地质灾害进行水工保护和处理措施的设计； c）对沿线穿越黄土塌陷地形应采取保护措施；
d）穿越管段两端地面，应根据地基土层的稳定性和密实性采取措施，防止塌陷；
e）与地下管道、光缆及其它设施净距应满足相关规范要求。
4.2 管道敷设方法
一般地段管道敷设采用埋地弹性敷设方式进行。管道的埋设深度应符合相关规范要求，同时结合管道所经地区最大冻土深度的极值及以往工程经验确定，倘若天然气管道在施工过程中遇到公路以及河流等环境时，则应该根据相关标准埋设管道。管道在穿越大型河流、高等级公路等一些特殊地段可以选择顶管以及定向钻等方式通过。管道在敷设时要重视处理管道的转角位置，选择弹性敷设进行管道转角的处理，如果施工受到现场的影响，弹性敷设不能达到转角的相关规定，那么应该根据具体情况选择冷弯弯管或者热煨弯管，图1 为处理管道转角位置具体方式。
图1 管道转角位置处理方式
5 天然气管道附属设施的设计
5.1 线路截断阀室
5.1.1 阀室设置原则
a）阀室的设置应符合相关规定的要求，在现场地形、地势条件不利于选址或征地困难的前提下阀室间距允许稍做调整；
b）管道通过自然保护区、风景名胜区以及湿地保护区等环境敏感区和地震断裂带两端宜设置阀室；
c）在河流、湖泊、水库等大型穿跨越和人口密集地区的管道两端宜设置阀室；
d）在确定阀室位置时，应同时兼顾考虑线路阴极保护站、泄漏检测要求、通信系统要求，合理确定。
5.1.2 阀室间距规定
按照不同的地区等级，截断阀最大间距应符合下列规定：
a）以一级地区为主的管段不宜大于32 km；
b）以二级地区为主的管段不大于24 km；
c）以三级地区为主的管段不大于16 km；
d）以四级地区为主的管段不大于8 km。
上述规定的阀门间距可以稍作调整，使阀门安装在更容易接近的地方。
5.2 管道标志桩测试桩警示牌及特殊安全保护设施
里程桩：管道每千米设置1 个，可与阴极保护测试桩合用。
转角桩：在管道水平方向改变位置，应设置转角桩，转角桩上要标明管道里程、转角角度等。
穿跨越桩：当管道穿（跨）越大中型河流、铁路、Ⅲ级以上公路、水渠时，应在两侧设置穿跨越桩，穿跨越桩应标明管道名称、铁路、公路或河流的名称，线路里程，穿跨越长度，有套管的应注明套管长度、规格和材质等。
交叉桩：凡是与地下管道、电（光）缆交叉的位置，应设置交叉桩。交叉桩上应注明线路里程、交叉物名称、与交叉物的关系等。
结构桩：当管道外防腐层或管壁发生长距离变化时，在变化位置处设置结构桩，桩上要标明线路里程及变化前后的结构属性等。
设施桩：当管道上有特殊设施时应设置设施桩，桩上要标明管道里程、设施的名称及规格。
警示牌：管道在以下地点设置警示牌：a）易发生或已多次发生危及管道安全的行为的区域；b）管道靠近人口集中居住区、工业建设地段等需加强管道安全保护的地方；
c）管道穿越公路、河流、铁路等处，除设置警示牌标记外，还应按交通部门相关规定设置警告标志。
6 管道防腐
高压天然气管道的防腐设计分为管道的外防腐以及阴极保护设计。
6.1 管道的外防腐层选择
目前国、内外高压天然气管道工程最为成熟和普遍采用的防腐层为3LPE 结构和熔结环氧粉末类结构。其中环氧粉末类结构又分为单层熔结环氧粉末（FBE）和双层熔结环氧粉末（DPS 或DPS）。单层熔结环氧粉末涂层（FBE）最大的优点是与金属表面附着力大，粘接性能、耐阴极剥离性能好；防腐层损伤较容易修复；使用寿命约40 a；并且抗土壤应力强，能够适用于高盐、高碱、寒冷等大多数严酷的腐蚀环境；与阴极保护兼容，具有“失效安全性”。FBE 的主要缺点是涂层薄，易被冲击破坏；吸水率较大，耐湿热性能有限；对钢管表面除锈要求严格。双层环氧粉末涂层（DPS）抗冲击性能优异、抗划伤性能卓越，其设计寿命达到50 a。主要缺点是它的抗冲击性比聚乙烯三层复合结构差，同时由于环氧涂料分子组成的原因，不可避免地存在耐水性差的缺点。中国使用的时间较短，目前主要应用在热煨弯管的防腐。
聚乙烯三层复合结构（3LPE）兼有环氧粉末优异的防腐性能、粘接性能、抗阴极剥离性能和聚乙烯优良的机械性能、绝缘性能及强抗渗透性，是当今综合性能优异的常用涂层，越来越多地用于侵蚀性地区、山区等条件苛刻地区。该防腐层的缺点是补口质量受施工机具及施工人员技术素质影响较大，从而影响到整体防腐性能。常用防腐层对比见表2。
表2 常用防腐层对比
6.2 管道的阴极保护
管线的阴极保护方法通常有强制电流法和牺牲阳极法，两种方法各有优缺点和应用范围。
6.2.1 牺牲阳极法
优点：不需要外部电源、对邻近金属构筑物无干扰或干扰很小、保护电流分布均匀、工程规模越小越经济等。缺点：保护年限短、且易失效，不宜在高电阻率环境下使用、保护电流的大小不易调节等。适用范围：主要适合用在管道直径较小且有着较短距离的情况，如城镇燃气管道。
6.2.2 强制电流法
优点：输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿命长、可靠性高、工程规模越大越经济等。缺点：需要外部电源、维护管理工作量较大，且可能会对邻近金属构筑物造成干扰。适用范围：管径较大且距离较长的管道等，如长输管道。
7 结语
居民的生活水平、社会发展以及城市建设在很大程度上受到天然气管网工程设计水平的影响。所以，进行天然气工程的设计时应该以长时间安全稳定运行、设备以及材料的可靠性以及技术成熟等相关因素为前提条件。
关键词：高压天然气；管道设计；敷设
1 天然气管道工程的设计
1.1 天然气管道工程设计思想
工程建设中设计占据着关键位置，要确保能够达到安全的要求去设计高压天然气管道，保证工程造价的经济性以及工程实施的可行性。
1.2 天然气管道工程设计基本准则
设计天然气管道工程时需要遵循一定的基本原则，确保天然气管道工程能够加快施工进度，并且对该工程长时间发展的需求要充分考虑，合理地投资天然气管道工程建设，促进工程的社会效益以及经济效益得到全面的发展。
设计天然气工程时要选择合理的线路走向，先进的管材，保证管线能够安全可靠地运行，同时方便管线的管理维护。
1.3 高压天然气管道设计要点
由于高压天然气管道多在城区外敷设，管道安全运行的外部环境更加复杂，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，建立更加有效的管道安全体系。
从国内和国外的实践看，造成管道事故的主要原因是：外力作用下的损坏，管材、设备及焊接缺陷，管道腐蚀，操作失误及其它原因，等。其中，管道受第三方破坏近几年在燃气管道事故的比例高达40%，在高压天然气管道设计中尤其值得注意。高压天然气管道设计可从以下几个方面进行多重防护，提高安全度：
a）降低许用应力值，强度设计系数取值不大于0.3，增加管道壁厚，以强度确保管道自身的安全；
b）管道到建（构）筑物的安全距离严格遵循规范要求，当发生事故时降低影响面；
c）选择合适的管材，提高防腐等级；
d）增加管道覆土深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；
e）采用先进的自控系统，分段阀门采用远程自动控制；合理设置线路截断阀，当管道发生事故时，能通过控制线路截断阀的启闭，从而把危害及损失降低到最低限度。
2 高压天然气管道的路线选择
2.1 划分地区等级
高压天然气管道在进行地区等级划分时应该遵循以下准则：
a）顺着天然气中心管道两边相隔200 m 的区域内，将1.6 km 长距离的路段进行随意划分，同时要确保属于独立建筑的区域，当成分级单元的地区；
b）划分等级时应该通过了解天然气管道通过地区的沿线建筑物的密集程度确定，同时要与相关规定互相符合；
c）在划分地区等级时应该要为长远的发展进行考虑。
2.2 控制天然气管道间的安全距离
天然气管道的距离应该要参照相关规范的具体要求，地区不相同的情况下，建筑结构与天然气管道之间的水平距离应该如表1 所示。
表1 建筑结构与天然气管道之间的水平距离
3 高压天然气管道的管材选择及壁厚计算
3.1 高压天然气管道的型号选择
目前，高压天然气管道管基本采用直缝高频电阻焊（HFW）、螺旋缝埋弧焊（SSAW）、无缝的方法生产。HFW钢管生产速度快、成本低，也是常被选用的管线钢管之一。通常可提供规格直径为152 mm～660 mm（6 in～26 in）。近年来，由于严格的质量控制和检验，钢管质量有了很大提高，已广泛用于输气管道工程中。
无缝钢管通常使用规格直径至405 mm。无缝钢管价格较高，一般比HFW钢管高15%～25%。钢管的壁厚偏差大，表面质量较差。
SSAW 钢管也是输气管道常用的管型。近年来，SSAW钢管生产的成型、焊接、冷扩径有了技术改进，预精焊工艺把成型与焊接分离，使成型对焊接的影响基本消除，改善了焊接质量；SSAW 钢管管端扩径，使管端几何尺寸精度提高很多。
3.2 高压天然气管道壁厚计算
3.2.1 直管段强度计算及选择
根据《输气管道工程设计规范》（GB50251- 2003）的规定，钢管壁厚与设计压力、钢管外径、钢管的强度等级、强度设计系数及温度折减系数有关，钢管壁厚按下式计算：
δ= PD/2σS φFt，（1）
式（1）中，δ 为钢管设计壁厚，mm；P 为设计压力，取6.3 MPa；D 为钢管外径，323.9 mm；σS 为钢管的最小屈服强度；φ 为钢管焊缝系数，按《输气管道工程设计规范》选取1.0；F 为强度设计系数，根据《输气管道工程设计规范》（GB50251- 2003）确定，一级地区选用0.72，二级地区选用0.6，三级地区选用0.5；t 为温度折减系数，取1.0。
3.2.2 线路弯管壁厚选择
热煨弯管的管壁厚度按下式计算：
δb=δ·m，（2）
m= 4R-D/4R-2D，（3）
式（2）、（3）中，δb 为弯管的管壁计算厚度，mm；δ为弯管所连接的直管段管壁计算厚度，mm；m 为弯管壁厚增大系数；R 为弯管的曲率半径，mm，R=6D；D为弯管的外直径，mm。
4 高压天然气管道的敷设
4.1 管道敷设原则
管道敷设遵循以下原则：
a）尽量靠近或沿现有公路敷设，以便于现场施工和后期运行管理；
b）针对沿线不同的地形地貌以及不同的地质灾害进行水工保护和处理措施的设计； c）对沿线穿越黄土塌陷地形应采取保护措施；
d）穿越管段两端地面，应根据地基土层的稳定性和密实性采取措施，防止塌陷；
e）与地下管道、光缆及其它设施净距应满足相关规范要求。
4.2 管道敷设方法
一般地段管道敷设采用埋地弹性敷设方式进行。管道的埋设深度应符合相关规范要求，同时结合管道所经地区最大冻土深度的极值及以往工程经验确定，倘若天然气管道在施工过程中遇到公路以及河流等环境时，则应该根据相关标准埋设管道。管道在穿越大型河流、高等级公路等一些特殊地段可以选择顶管以及定向钻等方式通过。管道在敷设时要重视处理管道的转角位置，选择弹性敷设进行管道转角的处理，如果施工受到现场的影响，弹性敷设不能达到转角的相关规定，那么应该根据具体情况选择冷弯弯管或者热煨弯管，图1 为处理管道转角位置具体方式。
图1 管道转角位置处理方式
5 天然气管道附属设施的设计
5.1 线路截断阀室
5.1.1 阀室设置原则
a）阀室的设置应符合相关规定的要求，在现场地形、地势条件不利于选址或征地困难的前提下阀室间距允许稍做调整；
b）管道通过自然保护区、风景名胜区以及湿地保护区等环境敏感区和地震断裂带两端宜设置阀室；
c）在河流、湖泊、水库等大型穿跨越和人口密集地区的管道两端宜设置阀室；
d）在确定阀室位置时，应同时兼顾考虑线路阴极保护站、泄漏检测要求、通信系统要求，合理确定。
5.1.2 阀室间距规定
按照不同的地区等级，截断阀最大间距应符合下列规定：
a）以一级地区为主的管段不宜大于32 km；
b）以二级地区为主的管段不大于24 km；
c）以三级地区为主的管段不大于16 km；
d）以四级地区为主的管段不大于8 km。
上述规定的阀门间距可以稍作调整，使阀门安装在更容易接近的地方。
5.2 管道标志桩测试桩警示牌及特殊安全保护设施
里程桩：管道每千米设置1 个，可与阴极保护测试桩合用。
转角桩：在管道水平方向改变位置，应设置转角桩，转角桩上要标明管道里程、转角角度等。
穿跨越桩：当管道穿（跨）越大中型河流、铁路、Ⅲ级以上公路、水渠时，应在两侧设置穿跨越桩，穿跨越桩应标明管道名称、铁路、公路或河流的名称，线路里程，穿跨越长度，有套管的应注明套管长度、规格和材质等。
交叉桩：凡是与地下管道、电（光）缆交叉的位置，应设置交叉桩。交叉桩上应注明线路里程、交叉物名称、与交叉物的关系等。
结构桩：当管道外防腐层或管壁发生长距离变化时，在变化位置处设置结构桩，桩上要标明线路里程及变化前后的结构属性等。
设施桩：当管道上有特殊设施时应设置设施桩，桩上要标明管道里程、设施的名称及规格。
警示牌：管道在以下地点设置警示牌：a）易发生或已多次发生危及管道安全的行为的区域；b）管道靠近人口集中居住区、工业建设地段等需加强管道安全保护的地方；
c）管道穿越公路、河流、铁路等处，除设置警示牌标记外，还应按交通部门相关规定设置警告标志。
6 管道防腐
高压天然气管道的防腐设计分为管道的外防腐以及阴极保护设计。
6.1 管道的外防腐层选择
目前国、内外高压天然气管道工程最为成熟和普遍采用的防腐层为3LPE 结构和熔结环氧粉末类结构。其中环氧粉末类结构又分为单层熔结环氧粉末（FBE）和双层熔结环氧粉末（DPS 或DPS）。单层熔结环氧粉末涂层（FBE）最大的优点是与金属表面附着力大，粘接性能、耐阴极剥离性能好；防腐层损伤较容易修复；使用寿命约40 a；并且抗土壤应力强，能够适用于高盐、高碱、寒冷等大多数严酷的腐蚀环境；与阴极保护兼容，具有“失效安全性”。FBE 的主要缺点是涂层薄，易被冲击破坏；吸水率较大，耐湿热性能有限；对钢管表面除锈要求严格。双层环氧粉末涂层（DPS）抗冲击性能优异、抗划伤性能卓越，其设计寿命达到50 a。主要缺点是它的抗冲击性比聚乙烯三层复合结构差，同时由于环氧涂料分子组成的原因，不可避免地存在耐水性差的缺点。中国使用的时间较短，目前主要应用在热煨弯管的防腐。
聚乙烯三层复合结构（3LPE）兼有环氧粉末优异的防腐性能、粘接性能、抗阴极剥离性能和聚乙烯优良的机械性能、绝缘性能及强抗渗透性，是当今综合性能优异的常用涂层，越来越多地用于侵蚀性地区、山区等条件苛刻地区。该防腐层的缺点是补口质量受施工机具及施工人员技术素质影响较大，从而影响到整体防腐性能。常用防腐层对比见表2。
表2 常用防腐层对比
6.2 管道的阴极保护
管线的阴极保护方法通常有强制电流法和牺牲阳极法，两种方法各有优缺点和应用范围。
6.2.1 牺牲阳极法
优点：不需要外部电源、对邻近金属构筑物无干扰或干扰很小、保护电流分布均匀、工程规模越小越经济等。缺点：保护年限短、且易失效，不宜在高电阻率环境下使用、保护电流的大小不易调节等。适用范围：主要适合用在管道直径较小且有着较短距离的情况，如城镇燃气管道。
6.2.2 强制电流法
优点：输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿命长、可靠性高、工程规模越大越经济等。缺点：需要外部电源、维护管理工作量较大，且可能会对邻近金属构筑物造成干扰。适用范围：管径较大且距离较长的管道等，如长输管道。
7 结语
居民的生活水平、社会发展以及城市建设在很大程度上受到天然气管网工程设计水平的影响。所以，进行天然气工程的设计时应该以长时间安全稳定运行、设备以及材料的可靠性以及技术成熟等相关因素为前提条件。