摘要：天然气管网作为城市发展的重要基础设施，担负着城市能量输送工作，是城市的重要“生命线”。随着城市规模不断扩大，天然气利用大幅增长，我国城市天然气管网将迎来迅猛发展。2017年，我国天然气表观消费量达到2399亿m3，天然气占一次能源消费总量达到7%。作为天然气产业链的重要一环—城市燃气行业天然气用气量超过900亿m3，在全国天然气消费结构占比超过38%，同比增长14%。燃气管道安全稳定供应是首要问题。
关键词：天然气场站；管道冻胀原因；防护措施
1天然气场站管道冻胀原因
我国在刚开始投入使用西气东输管道时，输气的量通常比较低，而且干线的压力也不会太高，所以由于天然气场站管道低压的情况，就不容易发生管道冻胀的现象。由于当后来输气的规模不断增加时，压差也就会随之而升高，伴随的就是天然气场站管道冻胀现象的出现，而且天然气场站管道的压力越大，越容易激发节流效应，高发的节流效应降低了管线的温度，使得天然气场站管道不会长时间处于高温的环境下，天然气场站管道所处的较低的输气环境，直接导致了天然气场站管道的冻胀。又因为天然气场站管道是埋在地下水充裕的土层中，经过寒冷的冬季之后，管道周围的地下水结冰，且冰层不断积累，这样就容易出现天然气场站管道由于受冻而变形的问题。
以某城市燃气高压A场站为例，该调压站日供气量为40万m3，负责为高压B管网及周边管网供气。该调压站自通气运行以来，运行状态良好，但是近几年出现了管道位移、地上管道结霜、地面变形等问题。该高压A调压站管道长期以来因节流效应导致管道冻胀问题，因出气端温度过低，导致管道表面被厚度高达10cm的冰层覆盖，管道发生严重隆起，最大抬升位移达到70mm，管道穿行的路面有20cm厚的混凝土路面出现断裂裂纹，阀门错离阀座支撑墩。
该状况均出现在每年进出采暖季时，例如，2011年12月15日调压间温度室温8.6℃，管道开始结霜，但是管道没有明显位移，出口温度-9℃；2012年2月2日，2.5～0.4MPa流程流量为1.35万m3/小时，进口压力0.19MPa，出口温度-18℃，管道结霜10mm，此时管道发生明显位移。
经分析，初步认为冻胀、位移、地面沉降等现象是由于天然气节流后处快速膨胀，产生压力降，绝热膨胀过程产生温度剧降引起的。该现象也被称为“焦耳—汤姆逊效应”。因“焦耳—汤姆逊效应”导致管道覆盖的土壤发生冻胀，严重时，管线附近地面隆起，部分管段在应力作用下发生变形甚至因变形导致焊口开裂、法兰连接处泄漏，带来极大安全隐患，对于沿线的供气安全、用户稳定用气带来极大的影响。
根据以上冻胀现象分析燃气管线冻胀原因主要有以下几个方面：
（1）管道位移原因分析：经分析，发现实际位移量为70mm，远大于温差引起的管道位移量，因此排除温差引起的位移量。由于节流作用，温降约为3～5℃/MPa，因此调压站内管道内气体温度低（最低出口温度达到-18℃）、调压站所在位置地下水位较高，埋地管道引起周围土壤冻胀，导致管道抬升，引起地上管道位移；此外，由于“节流效应”，还会造成调压间内多处调压器阀口出现冻堵现象，另外在管径较细的指挥器内及信号管等部位。冻堵导致指挥器不能正常工作，造成调压器出口瞬间超压使得切断阀自动切断，导致下游不能正常供气，影响管网工况运行，存在严重的安全隐患。结合该站水合物成分测试分析，发现水合物中水分H2O成分高达96.64wt%，初步认为造成场站内设备冻堵的主要原因有以下三点：冬季管道内燃气温度低，平均温度-10℃；气质中含水量高或管道中存留积水；调压设备前端中缺少脱水装置。
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2燃气场站设施冻胀防护措施研究
为了解决场站管道冻胀位移、管壁结霜、地面沉降等问题，本文通过多次现场调研、计算、材料选型等工作，深入讨论、分析，提出隔冷、换填相结合的防护措施，并在通州A场站管道进行应用，其中材料选择原则为不可燃，防潮材料，由于调压站内管道的管件较多，应选择容易实施和安装的材料，地下部分的材料应具有一定的强度，避免地下管道的外保温层变形，影响保温隔冷效果尽量选择可以现场涂抹的材料。
关于设备冻堵问题，采取对现况管线进行保温隔热处理，处理方式分为地上和地下两部分，分别为：（1）地下管线采用水泥珍珠岩+外保护层（外保护层采用热收缩带）；（2）地上管线选择硅酸盐膏+外保护层（外保护层采用聚脲）为解决冻胀位移问题，采取地下汇管增加钢筋混凝土基础及地下管线周围进行换填砂处理的方式。挖除燃气管道周围的冻胀性土，挖至管道底标高以下500mm。燃气管道下方用C25混凝土浇筑回填，坑四周及底部做防水处理，管道周围全部采用中粗砂换填。
3防止天然气场站管道冻裂措施
3.1外加热
在防止天然气场站管道冻裂时，外加热的办法可以取得很好的效果。在用外加热措施加热天然气场站管道时，可以对天然气场站管道的温度有明显的提高作用，从而从根源上彻底防止天然气场站管道冻胀现象。
3.2 换土法
在用换土法防止冻胀天然气场站管道时，需要移除那些容易发生冻胀而发生开裂的土壤，之后需要替换为那些不易发生冻胀的土壤，比如沙土等，对于排水性方面来说，沙土相对于普通土壤依然形状良好，进而可以降低土壤中的含水量，防止因为寒冷而导致的天然气场站管道冻胀。其次可以设计一个装置在管沟内进行防水的设备，进而分割管道和地下水，这样就可以避免管道周围的土壤中有水的渗入，以免结冰冻胀管道。还可以开凿一个积水沟在管沟的下方，进而收集渗透到地下的水或者原有的地下水，然后把这些收集水引入到竖井内，之后再进行排除处理，以防止由于冻胀而出现的结冰变形的现象。
3.3绝热措施
我们要想防止冻胀天然气场站管道还可以采取对低温管路的绝热措施，在对出站管道开挖之后，就要检验管道防腐层的密封情况，之后用相关材料绝热保温管汇和管道处，还要用玻璃钢在保温层外面做好防水的处理措施。
3.4防冻裂其他措施
我们在运用天然气场站管道进行天然气输送时，为了避免管道持续出现的压差，进而出现冻胀管道的问题，我们可以电加热天然气场站管道，使其处于保温状态，以提高下游管道的压力，降低输气过程中的压力差，这也就不会因为出现温度骤降而发生冻胀管道的问题。在寒冷的冬天，我们可以在低温区域采取相关应对办法通过测量周围温度，运用相关技术进行检测，计算出天然气场站管道冻胀的临界数值。同时在巡检管道时，应该重点关注调压区域，以防止由于调压而导致的过大压力差致使的天然气场站管道冻胀。
结束语
本文结合某城市燃气场站现状和案例，对调压站产生冻胀、结霜和冰冻的原因和控制措施进行了阐述和分析，对于地下管线采用水泥珍珠岩+外保护层（外保护层采用热收缩带）处理；对于地上管线宜采用硅酸盐膏+外保护层（外保护层采用聚脲）处理。经过防护处理后，一年来的实际运行效果表明：冻胀控制措施效果显著，不仅明显提高了天然气管道运行安全系数，而且对职工及人民生命安全、场站的安全运行、社会稳定等具有十分重要的意义！
参考文献
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论文作者:吕娟
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第15期
论文发表时间:2019/9/19
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