浅谈天然气管道工程

浅谈天然气管道工程

陈天勤

（四川成都610000）

摘要：随着西气东输、西气东输复线、川气东送及一批LNG项目的建成，我国的天然气网络构建日渐成熟和完善。随之城市燃气建设也空前的繁荣，天然气的利用也得到了快速发展。截至2005年，我国城市的燃气普及率达到了92%，而其中天然气所占的比例正在不断地升高，天然气正在逐渐的替代煤气和液化气等燃气。

关键词：西气东输；天然气；管道工程

随着城镇燃气网络规模的不断扩大和用户群的增加，燃气事故也愈加的频繁。事故原因中设计原因、施工原因和腐蚀都与施工过程中的隐患密不可分。首先设计中的不合理因素直接导致了施工过程中及施工完成后的安全隐患的多少，其次施工过程中的不合理因素为工程留下了安全隐患。这些隐患在合适的时间及适当的环境下就会发生安全事故。下面我们只就施工过程中遇到的各种情况或事故进行探讨。

1天然气管道故障原因分析

1.1疲劳破坏

天然气管道泄露、爆炸离不开管道的破裂损伤。导致管道破裂的原因很多，但我认为主要归于三类：一是管道的疲劳；二是施工缺陷；三是管道腐蚀。这三者之间既可以独立存在，也可能互相并存，甚至是互相关联。

疲劳破坏也是造成燃气管道或设备事故的原因之一，疲劳是由于应力重复循环而造成的材料削弱。其削弱程度取决于应力循环的次数与大小。时常出现较高的应力,会对管材造成较大的伤害。还有如管材的表面状况、几何形状、断裂韧性、温度以及焊接工艺等均是影响疲劳的敏感因素。燃气管道受机械震动的冲击作用，使管材承受交变载荷产生疲劳裂纹，导致泄漏。管道悬空产生弯曲应力。产生这一情况的原因主要有两方面，一是地质原因：土壤承受荷载的能力是否到达要求，地下水流动情况，是否有动荷载等。这些不良条件都可能导致管道产生弯曲应力。

另外，不良的地质条件还可能引起滑坡、地质沉降等现象，对管道造成较大的应力甚至严重的伤害。

1.2施工缺陷

施工时沟槽处理不当或施工工艺不当引起的管道应力。施工时管道沟槽底部应平整，沟底最好是原土层，若土质不佳，不能承载管道压力时应采取换土、夯实、打混凝土垫层等措施，甚至采用砌筑管沟等方法。沟槽高低不平，使管道不能平整的铺设在槽底，回填时又不回填砂土，造成管道局部受压力不均匀，日久天长就会造成管道疲劳。现在施工过程中，多数施工单位为节省时间和人工，在机械开槽时都是一次到位-直接挖至设计标高。这造成了沟槽的槽底的超挖或局部不到位，给后面的管道安装及以后的沟槽回填制造了困难甚至留下了事故隐患。管道对接时不是自由对接，而是强行用外力调整管道方向以便于施工操作，也会给管道造成疲劳或损坏。比如对接死焊口时，由于沟槽不顺直或高度不一致导致两管口对接出现误差，采用倒链或千斤顶强行对口，使管道本身存在应力。焊口本身就是管道疲劳的多发点，因为焊接本身就可能对管道材质进行改变，因此管道焊接必须采用合适的焊接工艺，焊口组对时最好让管道自由组对，以消除应力。

设计对地质勘测资料准确性、载荷的性质、有否动载荷以及各部位的应力的分析也关系到管道或设备疲劳程度，土体位移也往往是燃气管道发生事故的原因，不合理的线位或对管道可能存在位移的情况处理欠妥，可能导致管道因水土流失、冲刷等原因发生断裂或穿孔。这种情况在野外更容易发生，通常是在设计过程中对管体周围某一位置的的土壤性质缺乏了解，虚土、填土、滑坡、陡坡等，都可在一定的时候对管道的疲劳发生较大影响，留下事故隐患。

此外采用不合格的材料，设备也容易使管道发生事故。现在天然气管道施工多为甲方（建设方）供料，因此天然气经营企业应该严格把好材料的采购及检验环节。材料进场之后，施工单位应该首先检查材料是否符合设计及规范要求，发现问题及时退换。

天然气管道施工过程中最为关键的工序为焊接，焊接质量直接影响施工的质量，同时也影响着管道事故隐患的多少。

造成管道焊接点开裂的原因大致可分为以下几种原因：

•焊接质量缺陷

•残余压力

•对腐蚀防护系统的损害

•不适当的管道支撑结构

•沟底不平整

•造成应力升高的凹痕或刮痕

•覆土厚度不足及不按要求标识管道

这些都是施工缺陷的一些范例，这些遗留问题可能会通过最初的压力试验，但是会成为以后的事故的导火线。

2施工过程质量控制措施

在施工过程中我们要控制好焊接质量，主要通过三个途径：一是合格的焊工；二是合适的焊接工艺；三是严格的焊口质量检查检验。合格的焊工是指持有焊工证且焊工证含有与施工采用的焊接工艺相对应的合格项目。合适的焊接工艺是指针对设计给出的管道设备材质，制定合理的焊接工艺，其中包括焊条焊丝的材质及焊剂的选择、焊接参数的设定（焊接电流、电弧电压、焊接速度、电极正接或反接等）、坡口形式的确定等。焊口检查检验包括焊口表面质量检查和探伤检测，其中探伤检测又分无损探伤和破坏性检验，在施工中我们主要采用无损探伤检验。

我们要控制焊口的焊接质量就要清楚焊口焊接中的各种缺陷及缺陷产生的原因和预防措施。下面我们把焊接缺陷进行分类并逐个分析。

首先我们明确一下焊接缺陷的定义：焊接接头中产生的不符合设计或工艺文件要求的缺陷叫做焊接缺陷。焊接缺陷的分类按缺陷的性质可以分为六大类：裂纹、孔穴（气孔）、固体夹渣（夹渣与夹杂）、未熔合与未焊透、焊接形状缺陷、其它缺陷。其中：裂纹分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂；焊接形状缺陷分为尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、烧穿、弧坑。

裂纹也可分为纵向裂纹、横向裂纹、放射状裂纹、弧坑裂纹、间断裂纹群、枝状裂纹；孔穴可分为气孔和缩孔，其中气孔可分为球形气孔、均布气孔、局部密集气孔、链状气孔、条形气孔、虫形气孔和表面气孔，缩孔可分为结晶缩孔、微缩孔、枝晶间微缩孔、弧坑缩孔。固体夹杂分为夹渣、焊剂或熔剂夹渣、氧化物夹杂、褶皱、金属夹杂。焊缝形状缺陷主要有咬边、缩沟、焊缝超高、凸度过大、下塌、焊瘤、错边、角度偏差、下垂、烧穿、未焊满、焊脚不对称、焊缝宽度不齐、表面不规则、根部收缩、根部气孔、焊缝接头不良。

气孔、夹渣和夹杂：这类缺陷都是熔池中的气体或夹杂物在熔池凝固前来不及析出造成的。

未焊透与未熔合：这类缺陷是焊接过程中基体金属或焊缝局部未熔化产生的缺陷，只是产生的位置不同而已。

裂纹：裂纹是焊接接头中最危险的缺陷。主要分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂。其中再热裂纹、冷裂纹主要表现在低合金钢和中合金钢管道中，天然气管道应用比较少。因此我们着重分析热裂纹的产生原因和预防措施。

热裂纹再细分可分为结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹。

热裂纹产生的原因为：聚集在晶粒边界或焊缝中心的液态低熔点共晶，在焊缝冷却过程中产生的拉应力作用下的开裂。预防措施：预防原则是设法减少焊缝中的低熔点共晶物，降低冷却时的拉伸应力。在管道材质确定的情况下，我们能做到的措施如下：

控制焊接工艺参数，适当提高焊缝成形系数，采用多层多道焊法，避免低熔点共晶集聚在焊缝中线上，防止焊缝中出现纵向长裂纹。提高焊条或焊剂的碱度，降低焊缝中的杂质含量，改善偏析程度。

采取各种降低焊接应力的工艺措施。

断弧时采用引出板，或逐渐灭弧，填满弧坑，可减少弧坑裂纹。

层状撕裂在焊接厚板的T型接头、角接头、和贯穿十字接头时容易发生。在管道焊接中比较少见，我们不再详述。

以上介绍了焊接过程中常见的焊接缺陷，针对这些缺陷的形成原因，我们在制定焊接工艺的时候针对母材的材质，选择合适的焊材、焊剂，选择合适的焊接电流、焊接电压，合适的坡口形式及合适的焊接方式可以尽量避免焊接缺陷的产生。

另外，作业时的外界环境对焊接质量有一定的影响。如空气湿度太大，风速太大等都会给焊接作业带来麻烦。尤其在进行气体保护焊接的时候，风速的影响很大，一般在风力在四级以上时停止施焊或采取必要的遮挡措施。在进行管道焊接时如风力太大，进行遮挡时不能只是遮挡外操作面，应当对管道两头进行封堵，防止管道内风速过大影响焊接质量。

采用先进的施工工艺、技术是管道系统安全运行的主要保证。焊接方面，管线采取成熟的半自动焊技术，优点是连续送丝、不用气体保护、抗风性能较强、焊工易操作等；站场采用氩弧焊，成型好，效率高，无渣。

防腐方面，目前最主要的要求是:1、绝缘性能：标准规定绝缘电阻一般不应小于10000ΩM2，检漏电压（击穿电压）也可以反映规定厚度防腐层的绝缘性能。2、粘结性能和抗阴极剥离性能：粘结性能是指钢铁与防腐层的粘结能力。3、抗机械损伤能力：通过对管道失效事故的风险评估，发现机械损伤占第一位，腐蚀占二位。因此外防腐层抵抗外来机械损伤的能力非常重要。4、环境稳定性：环境稳定性是指防腐层对腐蚀环境、温度等的适应性。主管采用2PE防腐、3PE防腐，技术成熟，防腐质量优良；弯头和焊口防腐目前国内多采用NE301加冷缠带或防腐底漆加聚乙烯热收缩带（套）。NE301、冷缠带防腐操作简便易行，不用特殊工具，操作面小；聚乙烯热收缩带成本低，施工操作时需要用火焰加热，操作比较复杂，要求操作面大。而且聚乙烯热收缩带烘烤温度低，粘结性差，如果烘烤温度超标，则造成聚乙烯变形不均、粘结不完整或老化，影响寿命。另外可采用国外比较流行的100%固体聚氨酯涂料防腐，成本低、操作方便，防腐效果好。100%聚氨酯防腐涂料施工时不用加热，低温也能施工，且抗机械损伤能力强。在长输管道或城镇管网建设中，必要时可采用牺牲阳极阴极保护法防止管道腐蚀。

城市燃气施工中，常规的明沟敷管在应对复杂的地下构筑物和纵横交错的道路时比较麻烦，特别是用于次高压、高压等的大口径钢质管道敷设更是无能为力。所以，采用一些先进的施工技术，可以较好地解决这一难题,同时又可以大幅地提高施工质量。

穿越方面，采用非开挖技术，虽然非常开挖较开挖成本高，但其不影响交通、不受季节影响、无需赔偿附作物、工效高、铺管质量好。常见的有手掘式顶管、气动矛铺管、水平定向钻(HDD)、泥水平衡式顶管。目前平原地区应用比较广泛的是定向钻。定向钻管道穿越前要进行焊口探伤、防腐检测，必要时要对穿越管道单独进行压力试验，合格后进行穿越，穿越管道上禁止焊接支管、接管、管头（嘴）等。

参考文献：

CJJ33-2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》

GB6417-86《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》

SY0466-97《天然气集输管道施工及验收规范》

SYJ4006-90《长输管道阴极保护工程施工及验收规范》

SY/T0019-97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》