天然气管道设计问题刍议
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摘要：本文简要介绍了天然气管道设计思想、设计准则、设计要点及天然气管道优化现状。简单分析了管道优化过程的参数选取，讨论了管道设计中避免热胀冷缩及地面沉降等应采取的措施。最后论述了目前天然气管道设计中发展起来的新工艺。
关键词：天然气管道；管道设计
中图分类号：TE8文献标识码： A
引言
随着我国能源需求量的不断增加，煤炭和石油资源作为传统能源面临着逐渐枯竭的危机，同时为了避免煤炭、石油等传统能源在使用的过程中产生的污染，需要不断加强新能源和清洁能源的开发和使用的力度。天然气作为一种重要的优质能源，对于缓解我国能源危机，减少环境污染具有重要的意义。我国天然气资源储量较大，主要集中在新疆、内蒙、四川等西部地区，而天然气的主要消耗地区在东南沿海地区，所以天然气管道发展对于天然气发展起着至关重要的作用。管道设计优劣则对天然气管道建设乃至后期安全运行的影响不容小觑，故需要全面开展天然气管道设计优化研究，科学选择天然气管道布置和设计参数，合理优化天然气管道运行参数，有效提高天然气管道的运行效率。
1、天然气管道工程的设计
天然气长输管道工程具有高技术、高投入、高风险的特点，故对各工程方案进行科学合理设计至关重要，天然气管道合理设计需要坚持正确的设计思想，遵循合理的准则，合理分配安全间距。
1.1天然气管道工程设计思想
天然气管道设计思想是影响天然气工程建设及后期运行的主导因素。天然气管道设计首先应该在确保安全的基础上进行设计，同时应该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
天然气管道设计应该遵循一定的基本准则，从而确保天然气管道工程顺利实施，在保障天然气管道工程经济效益的基础上充分发挥其社会效益。设计天然气工程时首先应该在勘测资料齐全的基础上根据多次实地踏线结果，合理选择线路走向。其次尽量采用目前较为先进的管材，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 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，当管道发生事故时，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。
2、天然气管道优化设计的现状和参数分析
建立数学模型并对模型进行优化是开展天然气管道设计的核心步骤，也是管道设计优劣的决定性因素。模型建立后，通过模型分析法对管道参数及相应条件进行系统理论分析，从而得各参数及对管道运行效率的影响程度，最终取得天然气输气管道的优化参数。
2.1天然气管道优化设计现状
现阶段天然气管道优化设计大多数仍然采用传统的数学优化法，随着国内天然气工程的不断发展，各天然气企业及设计单位和学术机构针对输送管道的建设和优化问题的研究也逐渐深入。到目前为止，通过采用先进天然气管道输送优化数学模型，利用合理的求解方法，从而获得天然气管道输送设计优化参数，仍旧是天然气管道设计采用的重要的方法。
2.2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，从而获得各参数间的关系，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。
3、天然气管道设计相关措施
天然气管道敷设过程中会出现多种需要在设计中考虑避免的问题，如管道因热胀冷缩发生形变、敷设处地面沉降对管道运行产生安全隐患等，本处主要论述面临这些隐患时在设计中采取何种措施，减小甚至消除这些隐患。
3.1 避免管道热胀冷缩应采取的措施
热胀冷缩是管道敷设中存在的不可避免的不安全因素，其产生的危害可能导致管道变形、错位，甚至破裂从而导致天然气泄漏。在居民入户天然气工程中，在高层管道设计中按比例设置波纹管理补偿器以减小甚至消除热胀冷缩对天然气管道产生的影响；在城区中压天然气工程中，管道设计时应根据管道特性选择弹性敷设的方式以抵消热胀冷缩的影响；在长输天然气工程中，应采取分段设置阀门的方式，以减少管道因温差而引起的变形和较大应力，消除热胀冷缩影响。
3.2 为了避免因地面沉降及气流超压应采取的措施
地面沉降是影响天然气管道安全运行的较大安全隐患之一，所以在管道设计时应采取相应措施以降低或消除其不安全影响。管道设计中可以采取设置补偿器以弥补地面沉降造缺陷。针对输气管道内天然气气流超压风险，可以采取在管道分段设置放空阀门，定时对管道内的超压气体进行排放。在居民入户天然气工程中，可以采取在高层建筑各楼层间分别设置高压供气系统和低压供气系统，以此来平衡管道内压力。
3.3 天然气管道设计新工艺
随着天然气产业的日益发展，天然气的生产输送及其附加设施需求量也日益增长，这就要求人们进一步研究低成本、高安全性及稳定性强的新工艺和新材料。调研结果表明，目前天然气管道设计中采用的是刚性低温设计法，主要是在管道围绕一种绝缘物质，从而在绝缘物质与管道间形成低压或真空现象，为天然气管道设计提供良好的绝缘效果。由于该系统运行与维护成本较高，且管道若敷设于水底，可能由于温差或压差等因素而出现结构变形甚至破裂现象。
因此，在温度较低下时进行气体输送，必须运用机械稳定性高、热绝缘性强及结构简单的设备，通常情况下，这种设备适宜于输送冷冻物质。天然气管道设计中发展起来一种新工艺以解决提高管道机械稳定性及热绝缘性问题，即在管道绝缘层间加入凝胶，促使管道与外部套管间形成环状空间，空间内填充微细多孔材料。这样以来，在受到外部压力时，该系统会自动起支撑作用，确保热绝缘，避免外界压力较高时管道发生形变，为天然气安全输送提供保障。
4、结语
天然气作为一种重要的清洁能源，为环保做出了不可磨灭的贡献。但是天然气管道工程设计质量是天然气工程能否顺利建成以及后期能否安全运行的重要因素。本文分别就管道设计思想、设计应遵循的准则及设计要点进行了简要阐述，并就管道优化现状及参数选取进行了简单分析，同时论述了管道设计中应采取何种措施以避免热胀冷缩及地面沉降等方面的缺陷问题。
面对管道设计与建设事业的飞速发展，本文的浅述还有待于深入研究，所以借鉴国外相关领域的设计及建设经验，结合我国实际情况，深入研究管道设计理论、改善管材生产工艺迫在眉睫。
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