高层和超高层建筑燃气管道材料及连接方式

申晋益

(成都燃气集团股份有限公司， 四川 成都 610041)

1 概述

由于高层、超高层建筑的特殊性，对于燃气管道，在施工安装、运营维护方面均有较高要求。因此，管道材料的选择十分重要，既要具备良好的防腐性能，适应各类气候条件，又要有一定的美观性。同时，不同的管道连接方式在安装效率、质量保证率、受力性能、耐久性等方面均有差异，只有选择合适的连接方式，才能有效提高管道的安装质量，保证管道体系稳定性，进一步控制后期维护成本。

2 管道材料

高层、超高层建筑燃气管道材料的选型是研究管道受力性能、安装工艺、使用安全等方面的先决条件。与单层、多层建筑不同，高层、超高层建筑燃气管道及设备受自重、沉降差、热膨胀、风荷载、地震荷载等因素影响大。因此，人们对高层、超高层燃气管道材料的要求更为严格，既要轻质高强，又要有一定的塑性或延展性。

钢材以其均质高强、各向同性的特点，成为燃气工程应用最多的材料之一。目前，适用于高层、超高层建筑燃气管道的钢材主要有碳素钢和不锈钢。其中，碳素钢的应用时间更长，工艺更成熟。不锈钢在燃气行业兴起的时间略晚于碳素钢，但市场认可度正在逐步提升。

2.1 碳素钢管

碳素钢的含碳量直接影响钢材的力学性能和加工性能。尽管碳素钢是较为理想的管道材料，但钢材腐蚀一直是影响管道使用寿命的主要因素。随着现代管道防腐技术不断完善，能够一定程度上减少钢管腐蚀，但钢管防腐层受到气候条件、周围环境、外力破坏等因素影响，容易老化或剥落。当钢管的连接方式采用焊接时，焊口位置的防腐效果受焊接工艺水平、防腐处理水平的影响更大。存在一定焊接缺陷或者防腐措施不到位的焊口，极易发生腐蚀，产生燃气泄漏风险。因此，需要定期对管道的防腐层进行维护。对于高层、超高层建筑而言，敷设于外墙上的燃气管道防腐维护工作量与难度较其他建筑大很多，成本也很高。

碳素钢在低温环境下的冷脆现象也值得关注。冷脆即低温脆性，是指钢材处于低温环境下，其韧性显著降低，发生脆性破坏的现象。在我国严寒地区，沿建筑外墙架设燃气管道并不少见，此类管道易受低温危害，不利于安全运行。

碳素钢管的防腐层颜色一般是比较醒目的黄色，对建筑美观性有一定影响。而不锈钢管不需要做防腐，美观性更佳。

2.2 不锈钢管

不锈钢管最先应用于给水、排水、消防管道，直到2000年初，我国燃气行业才开始使用不锈钢管道[1]。此后，我国陆续出台了GB/T 12771—2019《流体输送用不锈钢焊接钢管》、GB/T 14976—2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》等标准，支持不锈钢管在国内的应用。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(2020年版)第10.2.3条也明确了可以使用不锈钢管作为室内燃气管道。

不锈钢管的优点主要包括强度高、耐腐蚀、寿命长、维护成本低、低温性能好、外形美观等，其中维护成本低、低温性能好、外形美观是不锈钢管相较碳素钢管最为明显的优势。因此，在不考虑连接方式差异影响管道性能的前提下，不锈钢管比碳素钢管更适用于高层、超高层建筑燃气管道。

由于不锈钢管成本明显高于碳素钢管，为降低材料成本，同时控制管道自重，不锈钢管有向薄壁化方向发展的趋势。薄壁不锈钢管道一定程度上控制了材料成本，但薄壁化、轻量化的同时也带来一些问题。其中，受影响最为直接的是管道的力学性能，例如对管道稳定性、抵抗变形能力的削弱。此外，管壁减薄也会增加管道受雷击、高空坠物击打破坏的风险。因此，应综合考虑不锈钢管的材料力学性能、自重、成本等因素，选择合适壁厚的不锈钢管。

3 管道连接方式

3.1 焊接

焊接是目前应用最广泛、发展最成熟的管道连接方式，特别适用于大直径管道。即使理想的焊缝能够达到母材的强度水平，却可能由于施焊位置空间受限、焊工技术水平不足、焊接作业环境差等情况，极大地影响焊接质量。焊接不是高层、超高层建筑燃气管道唯一适用的连接方式。建议综合考虑管材、直径、壁厚等条件，选择操作简单、缺陷率低、后期维护工作量小或者免维护的连接方式，与焊接方式相结合，以期达到更好的安装效果，降低燃气管道运营及维护成本。

3.2 螺纹连接

目前，室内热镀锌碳素钢管、连接燃具的金属软管常采用螺纹连接方式，其优点是抗拉性能好、安装速度快，受安装环境影响小，对安装工艺要求不高，不易出现安装缺陷。同时螺纹连接也存在明显的局限性。首先，高层、超高层建筑的主体结构在地震时会出现剧烈震动和扭转变形。在工程实践中发现，柱锥配合螺纹连接气密性、耐压性能较差，承受频繁震动及抗扭转能力很弱。相比之下，锥锥配合螺纹连接可以弥补前者不足。其次，连接处存在部分螺纹外露，在长期使用过程中易成为管道腐蚀的高发区。若在高层、超高层建筑燃气管道中使用螺纹连接，建议采用螺纹宽边管件来提高连接处的防腐能力。再次，螺纹的预制加工会损耗管壁，对管壁厚度有一定要求，薄壁管道不适用于加工螺纹。螺纹连接不适合在较大直径的管道中使用。

螺纹连接易于安装、缺陷率低的优点，能够一定程度上弥补焊接方式的不足。当高层、超高层建筑燃气管道采用碳素钢管，管道公称直径小于等于50 mm时，推荐使用宽边管件的锥锥配合螺纹连接；管道公称直径大于50 mm时，采用焊接。

3.3 机械连接

与焊接相比，机械连接能够在常温下进行，受作业环境影响小，也避免了焊接时局部温度急剧变化对金属结构力学性能的影响。尤其当管道直径较小时，施焊难度大，焊缝质量保证率呈下降趋势，这种情况下采用机械连接的优势更明显。与螺纹连接相比，机械连接无须对管道进行预加工，不会损耗管壁，在薄壁管道中更加适用。机械连接的力学性能、密封性能也明显优于螺纹连接，在不锈钢管道中的应用最广泛。同时，机械连接属于一次挤压成型，操作简便，连接速度快，极大地提高了管道的安装效率。在掌握正确安装方法和操作流程的前提下，机械连接质量能够得到有效保证。

机械连接方式包括卡压式、环压式、卡套式、卡环式、卡箍式等多种。在燃气管道安装中，应用最成熟的是卡压式和环压式连接，其稳定性、耐久性以及安全性已经在长期的工程实践中得到了充分验证。卡压式和环压式连接方式的应用带动了薄壁不锈钢管道的发展，进一步推动了不锈钢管道的轻量化。

① 卡压式连接

卡压式连接是使用专用的卡压工具对内设O形密封圈的管件与管子进行挤压连接的方式。挤压后的管件表面呈现六边形，这是卡压连接最显著的特点。正是六边形管件6个顶点形成的紧固力，实现了两段管子之间通过挤压变形的管件进行有效连接[2]。卡压式连接分为单卡压和双卡压连接。从对密封圈的保护来看，双卡压因为具有延伸段而加强了密封圈与外界的隔离，形成两道阻力圈，有效减缓了密封圈的老化速度，提高了连接的密封性能和耐久性能。在连接位置的抗折能力、抗震能力方面，双卡压连接效果更好。因此，当高层、超高层建筑燃气管道使用卡压式连接工艺时，应采用双卡压连接。

② 环压式连接

环压式连接也是一种挤压式机械连接方式，与卡压式连接有所不同。首先，环压式连接采用面状密封，密封效果比卡压式的线状密封好，密封材料的抗老化能力更强。其次，环压式连接属于环状压缩紧固，用外力沿管件环向使其强制收缩。卡压式连接挤压使得连接位置呈六边形，仅形成6个接触点位，其强度不及环压式连接。无论是连接强度还是密封性能，环压式连接在各类机械连接中表现更为突出。为弥补焊接工艺在小管径管道连接效果方面的不足，当高层、超高层建筑燃气管道采用公称直径小于等于80 mm不锈钢管时，推荐使用环压式连接。

3.4 法兰连接

和其他连接方式相比，法兰连接具有形式多样、安装灵活、可拆卸的优点，但法兰加工及现场安装工艺相对复杂。在工程实践中，由于法兰连接处防腐处理难度较大，又容易滞留雨水，是管道锈蚀的高发区域。因此，为降低运营风险和维护难度，不建议在高层、超高层建筑燃气管道及设备的连接中使用法兰连接。

4 结论

① 适用于高层、超高层建筑燃气管道的材料为碳素钢管和不锈钢管。

② 高层、超高层建筑燃气管道采用碳素钢管，管道公称直径小于等于50 mm时，推荐使用宽边管件的锥锥配合螺纹连接；管道公称直径大于50 mm时，应采用焊接。

③ 高层、超高层建筑燃气管道采用不锈钢管，公称直径小于等于80 mm时，应采用环压式或卡压式连接，推荐使用环压式连接，当使用卡压式连接时，应采用双卡压连接。

④ 不建议在高层、超高层建筑燃气管道及设备的连接中使用法兰连接。