吳禮林，李 蘭，羅燦保，潘思發(fā)

(1．中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000;2．深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東 深圳518100;3．宜春深燃天然氣有限公司，江西 宜春336028)

0 前言

城市煤氣管道是針對輸送煤氣而設計的城市燃氣管道。在中國許多大中城市中都有應用，其設計和建設時間較早。近年來，隨著天然氣的高度開發(fā)利用，多數(shù)城市都置換成了高效清潔的天然氣，考慮到城市建設、節(jié)約投資成本等問題，許多城市都是直接由煤氣管道改輸天然氣，但是，這種簡單的置換給原煤氣管網(wǎng)帶來一系列的問題，表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)煤氣管道泄漏問題。由于人工煤氣的成分和天然氣不同，煤氣中含有水蒸氣、粉塵和碳氫化合物等對管道接口中的橡膠圈、油麻等密封材料有濕潤作用，這些密封材料因受潮而飽和膨脹，增加了接口的密封性，但是，天然氣是一種比較干燥的氣體，當煤氣管道長期輸運天然氣時，這些密封材料就因為干燥而產(chǎn)生收縮，從而引起管道的泄漏。

(2)煤氣管道老化。煤氣管道多數(shù)是20世紀八九十年代鋪設的，主干網(wǎng)多數(shù)是鑄鐵管，使用期多數(shù)十幾年至二十多年或以上，不可避免地存在著各種各樣的管道缺陷，特別是鑄鐵管的腐蝕問題，由于鑄鐵管內腐蝕，多數(shù)鑄鐵管管壁都會變薄，同時鑄鐵管的密封材料也存在著老化的問題。

(3)煤氣管道破壞性。隨著城市各種地下網(wǎng)管的建設，多數(shù)城市的舊煤氣管網(wǎng)都受到不同程度的破壞和干擾，特別是鑄鐵管，它是插接式聯(lián)接，抗干擾性較差，鑄鐵管本身也是一種脆性管，沒有彈性，當有外力作用時，很容易影響到它的接口處的密封。

(4)煤氣管道運行壓力較低。原設計的中壓煤氣管大多運行壓力較低，多數(shù)為0.5～0.15 MPa。當改輸天然氣后，運行壓力更低，多數(shù)只能維持在0.07 MPa或更低，原來城市煤氣使用普及率較低，但是隨著城市燃氣的發(fā)展，城市燃氣使用率的提高，城市燃氣量也大幅上升，多數(shù)煤氣管網(wǎng)改輸天然氣后滿足不了城市用氣量的需求。

以上原因總結為煤氣管道因老化等問題存在較為嚴重的燃氣泄漏，從而埋下很大的安全隱患，其次是大量的城市燃氣泄漏也很浪費，也有部分煤氣管由于只能低壓運行而滿足不了城市的用氣量需求。所以許多城市燃氣公司需要改造這些舊的煤氣管道，但是如何合理、有效地快速改造煤氣管道是不少城市燃氣公司要面對的難題。我們利用原位同管徑換管技術在江西宜春市宜春深燃天然氣有限公司城市煤氣管道改造中很好地解決了這些難題，取得了很好的經(jīng)驗。

1 同管徑原位換管技術

1．1 技術原理

原位同管徑換管技術是在原有舊管道的基礎上破碎舊管道，同時拉入同管徑新管道的原位鋪設新管道的一種新的非開挖鋪管技術。其過程主要是邊破碎舊管道，同時把破碎的舊管道擠入土中，緊隨其后拉入新的同管徑管道。

1．2 原位換管設備及組成

原位換管設備多數(shù)由動力站、換管機、鉆桿、裂管頭組成(如圖1所示)。

圖1 原位換管設備

裂管頭上有切割的刀具和脹管頭，鉆桿是連接換管機和裂管頭的。裂管頭后面連接著新管道。

換管機的動力源來自動力站及其液壓系統(tǒng)。

1．3 技術特點

可以在舊管道上進行管道置換成新的同管徑管道，無需要設計新的管道路由，也可以擴大一、二級管徑鋪設新管道，從而增大新管道的輸送能力。其施工工藝不同于定向穿越技術，在定向穿越技術里難免會產(chǎn)生大量的泥漿，造成城市污染，原位換管技術則不會產(chǎn)生任何泥漿，其工藝更加環(huán)保。此外，和其它的非開挖及開挖鋪管工藝相比，其效率更高，它是一次性完成裂管和換管工作。

2 原位換管技術工藝

原位換管技術工藝根據(jù)施工先后次序分為以下幾步:(1)地下管線勘查;(2)設計分段開挖工作坑;(3)氮氣置換及安全檢測;(4)管道內窺鏡系統(tǒng)(CCTV)檢查舊管道及處理;(5)原位裂管換管。

2．1 地下管線勘查

在所有地下管道工程中，地下管線的勘查是首要的，也是必須先行的，雖然是原位換管，但是考慮到城市綜合管網(wǎng)較多，各種地下管網(wǎng)相互交叉是難免的。為了避免對周圍其它管網(wǎng)產(chǎn)生破壞，施工前要詳細勘查相鄰的地下管線，從而采取正確的保護措施。在地下管線勘查時也要查明所換的舊管道走向及埋深。

2．2 分段設計和工作坑開挖

分段設計就是根據(jù)舊管道的實際情況把需要置換的舊管道分成若干段來施工，合理確定每次換管的長度，每段的兩端是工作坑，其中安放設備的工作坑為主坑，另一個為副坑。主坑的開挖深度原則是確保換管機中的鉆桿和舊管道的中心平行，副坑的深度是挖到舊管道的管底即可。主坑的長度約為4 m、寬1.5 m，副坑長度是要確保新管道能被彈性拉入舊管中，新鋪的管道越深，管徑越大，所需的坑長就要長些。以管道埋深1.5 m，換成DN400PE管為例，需副坑6 m長、1.5 m寬(確保最后能有熱熔機安放的寬度)。

由于原位換管技術是在原舊管道里進行換管?？紤]到原舊管道鋪設時難免會有彎頭、凝水缸、三通等結構，這些結構是要進行預處理的。因為原位換管設備中的鉆桿是鋼性鉆桿，它的彎曲半徑是有限的，如果管道中有大于15°的彎頭，那么鉆桿很難通過，若是凝水缸，也會阻礙鉆桿通過，如果有三通，也要考慮是否保留，同時也要考慮是否斷氣等。所以，這些障礙要提前處理，多數(shù)是開挖處理掉，當然最好把這些不能通過鉆桿的點設計在工作坑的位置上，從而減少土方開挖量。

分段設計在原位換管技術里非常重要，它直接影響到換管的效率和安全性，這在后面實例中將重點介紹。

2．3 氮氣置換及安全檢測

每段開挖前，先關閉該段上所有閥門，然后進行燃燒放散到常壓，然后關閉放散口，保持一天以上時間后，再用壓力表和水柱表進行測壓，檢測閥門是否有內漏，并進行如下處理:

(1)如無漏，則可進行氮氣置換，開挖切斷管道，并拆下閥門后面的螺栓安裝盲板封堵后實行裂管或穿管施工;

(2)如有微漏，可先安排開挖出管道，然后氮氣置換，在閥門后端切斷管道，拆下閥門后端螺栓并加裝盲板封堵管段末端后，實行裂管或穿管施工;

(3)如泄漏大，應再關閉閥門前后端的閥門或通過中壓調壓站的調壓降低整個中壓管網(wǎng)的供氣壓力到低壓，然后開挖出管道、氮氣置換，再切斷閥門后管道，拆下閥門后端螺栓，加裝盲板封堵管道末端后，實行裂管或穿管施工。

在裂管或穿管施工過程中，維護部要派人對工作坑管道端口的燃氣濃度進行檢測，并做好記錄，確保施工安全。

2．4 CCTV檢查及處理措施

管道內窺鏡系統(tǒng)(CCTV)檢查，主要是為了檢查煤氣管里是否有異物、雜物、變徑、局部變形等情況。如果有異物，是否要處理，這要根據(jù)異物大小、性質來判斷;如果是變徑，則要采用合適的裂管刀具來裂管;如果是局部變形則要分析變形的原因，若是舊管道周圍的建筑物等的影響，則要考慮是否除去該障礙后再換管?？傊?，了解管道內部情況后才能合理處理這些異常情況，從而保證換管順利進行。

2．5 原位換管施工

開挖好工作坑后，在主坑中做好擋土撐板的安裝工作，確保換管設備在施工時產(chǎn)生100多噸拉力時不破壞主坑的坑壁，從而保證換管設備的鉆桿不偏移，換管設備要緊貼擋土板。

換管前，把鉆桿從舊管道中穿過去，然后在鉆桿后面連接脹管器，脹管器是一個圓錐形脹頭，刀具安裝在脹管器前方的錐面上，脹管器后面緊連著新鋪管材的拉管頭，拉管頭后面緊連著新鋪的管材。當啟動換管設備換管時，脹管器一邊破碎舊管道同時把舊管道的碎片擠入土體中，一邊拉入新管道。

3 工程應用實例

原位同管徑換管技術在宜春深燃天然氣有限公司城市煤氣管道改造中得到了的成功應用。

3．1 工程概況

宜春煤氣中壓管道是20世紀90年代修建的，全長12 km左右，至今已近20年使用期。最初該管道的設計是輸送煤氣的，管材使用DN400 mm鑄鐵管。鑄鐵管接頭使用橡膠圈密封，采用插接式法蘭連接。隨著天然氣的普及利用，宜春深燃天然氣有限公司改輸天然氣。改輸天然氣后，使用壓力為0.07 MPa，但是由于鑄鐵管老化、腐蝕、密封圈收縮而引起的漏氣等系列問題，使得維護運營非常困難，經(jīng)常發(fā)生舊管道搶修事件，整個舊管道運營期間存在著很大的不安全因素。

根據(jù)宜春深燃天然氣有限公司每天對城市管網(wǎng)的漏氣量測算，漏氣量非常驚人，2013年的漏氣量為總用氣量(每天用氣量15萬m3左右)的7%，每天漏氣約1萬m3，每立方米氣以3元計算，經(jīng)濟損失很大。如今天然氣氣源較缺，而且氣價還會上漲，如果能減少這些漏氣損失，會給公司帶來巨大的經(jīng)濟效益。

此外，該管道建設時是圍繞著宜春市外環(huán)而修建的，而現(xiàn)在隨著城市的擴展，這些中壓煤氣管道都位于城市人口較密集的主干道上。因此，如何快速更換舊煤氣管道，消除這些不安全隱患是宜春深燃天然氣有限公司所要急需解決的問題。經(jīng)過相關技術人員多次討論及論證后，決定采用原位同管徑換管技術對舊管道進行改造。

3．2 施工設備、機具的選擇

施工前我們對該工程要改造的舊鑄鐵管的形狀、尺寸、結構作了細致的了解和分析。鑄鐵管一頭是平口，另一頭是帶臺階的喇叭口，DN400 mm的鑄鐵管平口端外徑是400 mm，接頭喇叭口部分最大的外徑是580 mm，兩根鑄鐵管插接時，是一根鑄鐵管的平口端插入另一根鑄鐵管的喇叭口端，平口端套上密封圈，密封圈后面有一活動卡盤(見圖2鑄鐵管安裝示意圖)，活動卡盤也是鑄鐵管，活動卡盤前端頂在平口鑄鐵管的外密封圈(密封圈由橡膠圈和硬塑料圈組成，見圖3b)上，卡盤的另一端(帶螺絲眼)和鑄鐵管的喇叭口(帶螺絲眼)，由螺絲連接(活動卡盤形狀見圖3a)，這樣連接處就相當于有三層管，每層鑄鐵管管壁厚為12.5 mm。此處是裂管阻力的重點。

圖2 鑄鐵管安裝示意圖

圖3 卡盤及密封組合件

在此處如何裂管有2種方案:一種是采用切割刀具先把鑄鐵管切開然后再脹裂，這樣裂管比較容易，但是由于鑄鐵管外徑不統(tǒng)一，刀具的切割尺寸必須要大于580 mm，否則，刀具在切割400 mm管徑處就容易傷害到其它鄰近的管線;另一種是直接脹裂，這樣脹裂時遇到的阻力很大，工作坑的修建要非常牢固，同時設備的功率要足夠大。

考慮到舊鑄鐵管是人工開挖鋪設的，埋深在1.5 m左右，那么工作坑就不需太深，工作坑的土體是回填土，不會太密實，能提供的反作用力有限，所以選用了先切割再脹裂的施工組合機具來施工。經(jīng)過分析，這種換管工藝的阻力應該小于500 kN，一般的基坑都能滿足500 kN的抗壓。

切割刀具采用合金工具鋼來制作，最終調質完成后HRC(洛氏硬度)達到60～65度，遠高于普通鑄鐵管的硬度。刀具采用非等腰的三角形設計，底邊是底座，底座要厚些便于焊接，兩斜邊是切割刀具面，整個刀具焊接在脹管頭錐面時(圖1d)，長斜邊朝前布置起到主要切割作用。刀具底座總長350 mm，主切割刀具長200 mm，刀具底座厚50 mm。脹管頭的直徑設計為480 mm，大于舊管道直徑80 mm，刀具焊接好后的切割直徑達到600 mm，。

采用先切割后脹管的工藝施工，要做好詳細的地下管線調查工作，才能確保施工安全。

為確保該工程安全順利完成，選用了120 t的裂管機，管線探測儀用美國里奇的專用管線儀，CCTV窺視鏡采用90 mm的高清晰攝像頭，該攝像頭成像清晰，完全能滿足要求。

3．3 施工中出現(xiàn)的問題及解決辦法

3．3．1 主坑的修建及裂管機的安裝

主坑的靠背是通過擋土板和換管設備的受力端緊緊相鄰的，當換管工作啟動時，換管設備的受力端就會頂在擋土板(是很厚的鋼板)上，擋土板的壓力則傳到主坑的坑壁上。所以，主坑的坑壁要承受很大的壓力。主坑的坑壁要修理整齊，和擋土板要緊密相貼，同時，主坑坑壁面要和裂管設備的鉆桿受力方向盡可能保持垂直，否則，換管機在受力時因鉆桿受力偏移會產(chǎn)生力矩從而導致?lián)Q管機產(chǎn)生移位，這樣換管機的鉆桿就不能居中于舊管道中，鉆桿后面的刀具及脹管器也會產(chǎn)生偏移，換管的阻力就會大增，從而有可能因阻力超過換管機的最大拉力導致?lián)Q管失敗。嚴重的換管機位移現(xiàn)象還有可能造成鉆桿斷裂。

在實際施工中置換一段長120 m鑄鐵管時，由于下大雨，浸泡了主坑，致使主坑坑壁松軟，造成了換管機發(fā)生向左位移時，換管拉力立刻從200 kN上升到600 kN，而且換管工作也沒有進尺，同時拉力還有上升的趨勢。施工人員及時停下來整理主坑，重新安裝好換管設備，然后繼續(xù)換管，換管阻力立刻減小恢復正常，拉力一直沒超過300 kN。

由于多數(shù)煤氣管是沿路鋪設，不可能總是直線段，或多或少有一些彎曲弧線，而且在設計埋深上都是有規(guī)范的，管道的埋深也是順著地形起伏而建的。所以，主坑的開挖要考慮這些因素，目的是要使主坑開挖方向有利于安裝裂管設備時保證推拉鉆桿方向和原煤氣管的埋設走向基本一致。這樣，在裂管前裂管設備的鉆桿能比較順利的穿過原煤氣管。在裂管過程中鉆桿受力時能盡量保持鉆桿處于煤氣管的中心位置，有利于減小裂管的阻力。在實際施工中有一處是有一個向左偏移的小夾角的管線段。當時，安裝設備時沒太注意，當推鉆桿時，鉆桿推進30 m時就遇到很大阻力，經(jīng)分析和勘查，原來是鉆桿頭頂在了煤氣管彎曲段的側壁上。后來，及時修整主坑尺寸、調整裂管設備的角度，使鉆桿方向和原煤氣管方向基本一致，很快鉆桿就順利穿過舊管道。

3．3．2 刀具合理布置避讓其它地下管線

該工程施工前，對地下各種管線做了大量探測工作，其中只有一些雨水管道和煤氣管道在煤氣管正上方約0.5 m的地方交錯，煤氣管左右的其他管線相距較遠。煤氣管下方?jīng)]有任何管線，所以施工時，我們讓刀具方向朝下，切割鑄鐵管的下方，從而保護了其他地下管線。施工完成后，檢查和煤氣管交錯的雨水管，雨水管沒受到任何影響。

3．3．3 保護新鋪管材的措施

在原位換管技術中主要是采用擠壓的辦法把鑄鐵管的碎片擠入周圍的土體中，換管時刀具先切割鑄鐵管，然后是脹管頭立即擠壓破碎鑄鐵管，由于脹管頭設計直徑為500 mm，比鑄鐵管內徑大(鑄鐵管內徑400 mm)，所以，當脹管頭擠壓完鑄鐵管后，破碎的鑄鐵碎塊必然被擠入周圍的土體中，同時形成一個內徑比400 mm大一點的通道。這樣，拉入新管道就不會有很大的摩擦阻力。考慮到新PE管拉入后，很容易緊貼孔底，為了防止孔內的硬物劃傷新管材，在新PE管前方設計了一個較重的鐵拉管頭保護套，把PE安裝在鐵拉管頭里面，當PE管被拉入孔內時，鐵拉管頭起到一個掃清障礙的作用，從而也可以保護PE管，鐵拉管頭長度≮0.5 m。

新PE管剛進入舊鑄鐵管的入管口處時要做好保護措施。在PE管入孔前把PE管墊高，使PE管的管底高于鑄鐵管的管底，同時，在這兩種管材之間放置柔軟耐摩的材料，新PE管被拉入舊鑄鐵管之前也要做好保護措施，PE管在地表時要設置滑動或滾動架輪，避免PE管和地面滑動摩擦而被劃傷。

經(jīng)過采取上述措施，施工完成后新PE管幾乎沒什么劃傷。

4 經(jīng)驗和體會

4．1 技術要點總結

通過原位同管徑換管技術在宜春深燃天然氣有限公司城市煤氣管道改造中的成功應用，可以總結出以下幾個重要技術要點。

(1)要重視地下管網(wǎng)的勘查。雖然是原位換管，但是是同管徑換管，在裂管過程中，不可避免地要對原煤氣管周圍的土體及管線產(chǎn)生影響和破壞，所以，施工前必須勘查好各種地下管線。另外，詳細勘查好原煤氣管道的走向，查明凝水缸設置點，有利于合理設計分段裂管的長度，盡量減少工作坑的開挖數(shù)量，合理地把工作坑設置在有彎頭及凝水缸的位置上。在勘查煤氣管道埋深及走向時就發(fā)現(xiàn)很多地方和原圖紙不符，所以查明地下各種管線后要及時調整施工方案。

(2)要針對不同管徑的舊管道合理設計不同尺寸的切割刀具和裂管脹頭。換管時刀具的尺寸設計及脹管頭的尺寸要結合新鋪設管材的尺寸給予考慮。刀具主要是用來切割開原有舊管道，所以它的硬度要比舊管道的硬度大20度(HRC硬度)以上，它的最大切割尺寸要比舊管道的最大尺寸要大4 cm以上。脹管器的作用是在刀具切割完舊管道后，把破碎的鐵片擠入周圍的土壤中，同時擠壓出一個新孔來，便于拉入新的管材，它的外徑比新鋪的管材外徑大1.2倍即可。刀具的切割尺寸比管道尺寸大太多時容易切割到周圍的管線，因此其切割尺寸僅僅大于管道的最大直徑2 cm即可，脹管頭直徑越大擠壓土壤的阻力就會越大，直徑太小時擠壓成的新孔徑小，拉入新管道時摩擦阻力就會大，容易劃傷PE管。

(3)在換管施工過程中主坑及擋土板的承受抗壓穩(wěn)定性非常重要，關系到換管設備拉力的發(fā)揮，從而決定換管工作是否能完成。

(4)原位同管徑換管技術在鑄鐵管的改造中的應用在國內還是首次，沒有可借鑒的經(jīng)驗，本次施工的整個施工工藝的設計非常合理，施工中沒有出現(xiàn)停工等待現(xiàn)象。該施工工藝值得推廣。

4．2 心得體會

我國許多城市的煤氣管道都存在著較為嚴重的煤氣泄漏問題，各燃氣公司都在努力尋找一條既經(jīng)濟又可行的解決辦法。就目前施工技術而言，有2種思路:一種是采用開挖重新鋪設燃氣管，另一種是利用非開挖技術鋪設。采用開挖法施工對城市交通環(huán)境產(chǎn)生很大影響，一般大中型城市很難實施。那么，采用非開挖施工技術有3種可解決的方案:(1)采用定向鉆穿越技術重新鋪設新管道，定向鉆穿越技術很成熟，只是要重新設計軌跡線，涉及至市政規(guī)劃審批等手續(xù);此外定向穿越技術產(chǎn)生的泥漿非常不好處理，極易產(chǎn)生城市污染;而且定向穿越的管線埋深不規(guī)則，不利于后期維護和定位。(2)做內襯技術，內襯管技術使用要求較高，它必須要清洗干凈內管壁，而內襯技術所使用的材料都是純進口的，成本較高，更主要的是內襯技術處理后的煤氣管輸氣量提高有限，使用年限也不會很長，而且該技術還存在許多缺陷，例如:①做完內襯管修復技術后，內襯管內很容易形成上薄下厚的偏心現(xiàn)象;②由于內襯管口徑固定，不能跟隨舊管道的變形而變化，③舊管道如果有漏點，內襯修復技術時注漿會形成大量的漏漿現(xiàn)象等。(3)原位同管徑換管技術，該技術無需重新申請新的施工規(guī)劃線;施工時無任何污染，如無泥漿、化工材料等，施工工藝非常環(huán)保;施工效率高，裂管工藝少，裂管換管一次性完成;可以擴大一到二級管徑換管，極大地提高新管道的輸氣量;同管徑換管后，由于管線埋深沒有變動，有利于維護及管線定位;不足之處是遇到大彎頭及凝水缸處需要人工開挖處理。

筆者認為，在城市煤氣管道改造中，采用非開挖技術施工原位同管徑換管技術是首選，其優(yōu)勢非常明顯，相當于在原管位重新鋪設一道新管，它的使用年限和新建的管道一樣。

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