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1、忠武输气管道工程设计设计创新InnovationoJtheDesign周青李广群(中国石油天然气管道工程)【摘要】忠县一武汉输气管道工程是中国石油天然气管道工程,在严密,标准的管理下,在创新,进取,开拓精神的鼓励下,经过艰苦,科学,细致的工作,历经8年拼搏而完成的历史性工程.重点阐述了穿越长江,跨越峡谷,山岭隧道,场站工艺和水工保护5个方面的工程设计中采用的新技术,新工艺,以及所取得的创新,创纪录成果.【关键词】忠武管道;工程设计;新纪录;创新工程忠县一武汉输气管道工程是继西气东输管道工程之后国内的第二大天然气管道工程工程,它包括一条干线和三条支线,干线线路长度约7l8.9kin,三条支线分别
2、为荆州一襄樊,潜江一湘潭,武汉一黄石,线路长度合计约为657km,管道横跨四川,湖北,湖南三省,沿途经过忠县,宜昌等多达22个县级以上行政区,管道线路总长度约为l376km,设计压力为6.3MPa,最终输气能力可达30l0Nm/a.全线共设工艺站场2l座(首站1座,清管站4座,计量站16座),输气公司l处,线路截断阀室31座,阴极保护站19座.该工程线路跨越川东鄂西复杂山区和江汉平原密集水网区地段,地形地貌复杂,山地起伏频繁,高差大,坡度陡,道路艰险,并曾有地震,崩塌等不良地质现象.整个工程山谷,河流跨(穿)越多,山岭隧道多,水网地带多.全线共穿越长江4次,穿越汉江1次,穿越大型河流l0次,大
3、型河流江底隧道3处,大中型跨越山涧深谷8处,山体隧道多达27次,铁路l1次,高速公路近20次.忠武输气管道工程以创两项企业新纪录的佳绩与中国宇宙飞船神舟5号齐名,共同荣登第九批中国企业新纪录重大创新工程奖的宝座.科学,辉煌的开拓设计一长江穿越忠武管道分别在位于重庆市的忠县,湖北省武汉?40?2006年笫10肋市的军山,湖北省宜昌市的红花套和湖南省岳阳市的城陵矶等4处穿越天堑长江.1)忠县长江穿越采用斜井+平巷+斜井的钻爆隧道方案,斜井坡段长度近600122,平巷段长约l1OOm,穿越段总长约1660m,它的成功贯穿,开创r长输管道采取钻爆隧道方案穿越特大型河流的先河.2)红花套长江穿越采用国际
4、先进的盾构方案,隧道全长约1400m,隧道内径2.4m,这是盾构方案首次用于管道穿越的工程.3)军山长江穿越采用钻爆隧道方案,隧道全长l045.5m,南岸斜井井口高差近80m,斜长为196.5m,北岸斜井井口高差近lOOm,井简倾角23.,斜长为247.7m.它的成功贯穿,验证了采用钻爆隧道方案穿越大型河流的可行性,为管道穿越提供了很好的工程借鉴例证.4)城陵矶长江穿越采用定向钻+大开挖+钻爆隧道+盾构隧道四种穿越方式,接力穿越长江.隧道全长约4600m,北岸竖井深65m,南岸竖井深35m,定向钻穿越长江北干堤段长度约800m,大开挖段长度约1O00m,钻爆段隧道长约lO00m,盾构段隧道长约
5、l700m.该工程在国内长输管道建设史上是技术难度最大,施工工艺最复杂,穿越特大型河流组合方式最多,国内水F隧道长度最长的工程,同时也是国内首次隧道施工在水下采用钻爆法和盾构法相对接工艺的水下隧道施工,该项工程被列为第九批中国企业新纪录重大创新工程.高难,创新的丰碑设计一峡谷跨越在忠武管道跨越高难的峡谷深沟过程中,勇于创新,其中最具代表性的是马水河,蚂蝗溪,木龙河三处跨越.由于这3处峡谷为V型或U型,河岸宽度都在200m以上,河床与河岸最大高差达130m,水深最图1木龙河跨越深达20m,且有的位于水库淹没区,有的地层以砂卵石为主,因此,不宜采用大开挖和定向钻穿越,宜采用跨越方案通过,图l所示为
6、木龙河跨越.为了确定跨越方案,设计人员认真分析了上述3个峡谷所处具体地理位置的环境特性和地质特点,研究了各类跨越形式的适应性,最后将跨越方式确定为悬索跨越结构形式.针对这种跨越形式,承重体系的选择,那么是整个跨越设计的一项关键性工作.在保证平安,满足使用和检修要求的前提下,设计人员经过大量的调查研究,决定突破以往采用钢丝绳作为主索的做法,大胆选用热聚乙烯钢丝索作为主索的没计方案,以改善采用钢丝绳作主索而带来的设计索力难以准确控制,主索制作长度精度差,刚度小变形大造成的跨越管桥激振振幅大以及现场防护困难,有效期短,且不能满足美观要求等缺陷.采用热聚乙烯钢丝索作为主索的跨越具有以下优点:1)有较大
7、的弹性模量,变形减少,提高了平安度和管道使用寿命;2)有较强的防腐性能和较好的抗老化性,同时可以与环境匹配,环保美观I3)具有施工精度高,施工质量高,施工工期短的特点;4)降低工程投资.复杂,专业的穿山甲设计一山岭隧道忠武输气管道在跨越了川东鄂西山区的深沟峡谷后,进入了崇山峻岭的复杂的山区,隧道就成为管道工程通过山岭障碍的一种理想方式.山岭隧道在长输管道正程中的应用具有以下几方面优点:l1)使线路取直,减少线路长度,降低工程造价;I2)避开灾害地质,提高工程平安度I13)降低管道标高和管道施工难度;llnnovatirJnofthPDesig,l设计创新.14)减少对植被的破坏,满足环保要求;
8、5)减少征地,减少工程投资;6)方便日后管道运营管理.忠武管道通过川东鄂西山区地段长,且地形地貌复杂,为了适应复杂的人文,经济条件和复杂的山区地理特性,在设计时大量采用了山岭隧道方案,山岭隧道气管道工程开始设计之初,工艺设计就面临着严峻挑战.如何做好整个输气工艺系统设计,站场工艺设计,做好工艺系统分析,如何采用新技术,新材料,新方法创新工艺设计,那么成为将工程设计成为具有时代意义产品的重要环节,图2所示为某工艺站场.4.1分段压力等级设计(创新设计之一)分段压力等级设计,顾名思义就是在管道全线根据不同的需求分段设置系统压力.由于社会的需求变化,在平安的前提下要尽可能降低工程投资,全线采用统一系
9、统压力的设计模式,已经无法满足要求.如何确定忠武管道系统的压力?这给工艺设计人员提出了一个难题.为了既能满足需求,又能节省投资,设计人员进行了多方案的比拟,并考虑调峰的影响,经综合计算,最后将忠县首站至恩施清管站段的设计压力定为0.7Mpa,恩施清管站下游段的设计压力定为6.3MPa.图2工艺站场2006年第10期?41?l设计创新InnovationoftheDesign-一.一一这样的系统压力既保证了下游用户的用气压力的要求,又在最大程度上减少了工程投资,并且下游统一设计压力,便于将来与西气东输管道的连接,有利于忠武管道天然气的统一调拨和供气,这一大胆的创新设计开创了中国乃至世界天然气管道
10、史上的先河.4.2缩减清管站数量(创新设计之二)在传统的设计模式中,考虑到清管器本身的性能和工作原理,清管站的间距设计是按照100公里左右考虑的,设计手册上推荐的清管站间距离是l00公里左右,因此,仅400公里的山区中间就要设置3个清管站.在纵横起伏的山区建设工艺站场,要找到一块占地l0亩左右的平整场地,谈何容易!为此设计人员大胆地提出了加大清管站间距,缩减清管站数量的设想.在广泛搜集近期建设的有关管道的资料根底上,经过多方讨论和技术咨询,最后综合结论:现在国内的清管器已经具有能够满足长距离清管的性能,能够满足最长200公里的清管距离,智能清管器的电池和记录系统稍作改造后,即可满足智能清管要求
11、.由此决定将忠武管道清管问距确定为l80公里,这样忠武管道干线可减少3座清管站,节约工程投资l500万元.4.3采用了限流,限压的理论和技术(创新设计之三)由于忠武管道向两湖地区22座城市直接分输天然气,下游分输用户多,用气量差异大,仅通过分输管道的管径和调压阀的口径来限制分输气量是无法做到精确限制的.采用何种方式来根据总体输气量和各个用户的分输气量进行具体控制,保证用户供气需要和管道系统的平稳运行,这在国内乃至世界天然气管道技术上是一个难题.为了能够解决这个难题,实现技术上的突破,忠武工程工艺设计人与仪表自动化设计人员一起,在搜集国外先进技术方案的同时,组织调压器和相关设备厂家进行技术交流,
12、经过周密和细致的论证分析,最后确定了以调压为主,同时限制输气流量的控制方案.该方案不但提高了系统的可靠性和稳定性,而且还使输气管路能够在计算机的信号的控制下,限制分输流量,从而为保证忠武管道整个工艺系统的协调稳定输气奠定了稳固的根底.山区管道的绿色支柱设计一水工保护在保护管道平安的前提下,如何能够保护沿线的自然环境,充分表达环保的设计理念就成为设计的一个突出问题.5.1管道水工保护量化设计模式的率先应用(创新设计之一)?42?2006年第l0娜长期以来长输管道的水工保护设计主要以经验设计为主,因此水工设计方案受人为因素的影响较大.为将长输管道水工保护的经验设计模式转变为量化设计模式,于2002
13、年底开展了针对忠武管道建设的长输管道水工保护方案量化设计的研究工作.忠武工程一般性水工保护在进行量化设计的同时,充分结合当地的地质水文数据和地质勘铡数据,先后设计出具有忠武线地质特点的护坡,护岸,挡土墒,截水墙等结构形式,主要针对管线所经过的易受水力侵蚀的坡面,河道管沟回填土的流失以及田,地坎的恢复进行有效的设防.与现行的?国家建筑设计图集?中挡土墙的断面尺寸相比变小,相应的工程量减小,造价上比建筑设计图集每延米节省近600元,具有经济合理的优点.另外经过量化计算后的挡土墙充分满足了各项稳定验算系数指标,并具有污染小灵活多样等特点,图3所示为木龙河水工保护.5.2管道水工保护环保生态技术的大量应用(创新设计之二)长久以来管道工程的水工保护方案根本上都是以工程措施为主,大量的建筑材料(如石料,砂,白灰等)的应用和获取,不但给环境本身造成了一定的破坏,而且还造成了不少永久性的占地,增加了管线建设本钱.创造能源与环境的和谐统一是管道建设的目标之一,建设绿色的忠武管道,也是忠武线所有参建单位的奋斗方向.为此,我们大胆采用新技术,新材料和新工艺,借鉴相关行业的成功经验,将植生带护坡成功地应用于本工程.作者简介:周青(1965-),女.河北省石家庄市人.高级工程师,国家一级注册结构工程师.主要从事工业与民用建筑工程设计及项目管理._
