吉 程， 支 煥， 朱凱敏

(1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都610000；2.珠海港興管道天然氣有限公司，廣東珠海519000)

1 概述

隨著城市燃?xì)饧夹g(shù)的不斷發(fā)展，在城市燃?xì)庵袎汗芫W(wǎng)中PE管逐漸取代傳統(tǒng)的鋼管，應(yīng)用越來越多。但PE材質(zhì)的屈服強(qiáng)度沒有鋼管大，因此無法在長距離穿越工程中應(yīng)用。結(jié)合燃?xì)夤艿来┰街榻牒？诠こ?即雞啼門水道燃?xì)夤艿来┰焦こ?，創(chuàng)新提出并使用“管中管”的穿越工藝，順利完成長度約954 m的PE燃?xì)夤艿来┰焦こ獭?/p>

2 工程概況及難點(diǎn)

2.1 工程概況

雞啼門水道燃?xì)夤艿来┰焦こ?，管道公稱外徑為355 mm，設(shè)計壓力為0.4 MPa，是連接珠海市高欄港區(qū)和金灣區(qū)的唯一中壓輸氣管道。工程穿越的雞啼門水道為廣東省內(nèi)河Ⅲ級通航河道，是珠江在珠海的入?？谥?，交通流量大，穿越段河面寬約820 m，穿越總長度達(dá)到954 m。燃?xì)夤艿榔矫嫖恢靡妶D1，縱斷面截圖見圖2。

圖1 燃?xì)夤艿榔矫嫖恢?/p>

圖2 燃?xì)夤艿揽v斷面截圖

2.2 穿越地層情況

根據(jù)鉆探結(jié)果(最深鉆探孔的孔底標(biāo)高為-33.18 m)，擬穿越區(qū)域內(nèi)地層主要為人工填土層(雜填土、素填土)、第四系海陸交互相沉積層(淤泥)。工程地質(zhì)剖面見圖3(標(biāo)高為該地層標(biāo)高的平均值)。

圖3 工程地質(zhì)剖面

2.3 工程難點(diǎn)

① 穿越段屬于水上交通要道，上下游有重要建構(gòu)筑物，因此項目審批部門多、審批時間長。根據(jù)規(guī)劃部門意見，項目實施前，需征求國土資源、航道、水利、水務(wù)、公安、市政等部門的意見，同時要根據(jù)各部門相關(guān)行業(yè)的要求，開展《通航條件影響評價》等專項方案的評審、報批工作。

② 穿越河道為珠江入海口，水含鹽量大。同時，該穿越管道是連接兩個行政區(qū)域的唯一中壓管道，為保證長效運(yùn)行，對管道防腐提出了更高要求。

③ 穿越距離長，PE管道屈服強(qiáng)度無法滿足要求。如何突破該局限，完成長距離穿越，成為本工程最重要的技術(shù)難點(diǎn)。

3 方案比選

3.1 鋼管

城市燃?xì)夤艿来┰焦こ掏ǔ＿x用焊接鋼管和無縫鋼管[1]。鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大，抗扭曲能力和抗外力破壞強(qiáng)，因此大多數(shù)輸氣管道和城市燃?xì)夤艿涝陂L距離穿越工程中優(yōu)先選用鋼管。本工程為穿越含鹽量較大的入?？冢Ｋ畬艿赖母g作用非常大，必須配合3PE防腐和陰極保護(hù)技術(shù)使用。但穿越工程屬于隱蔽工程，加之穿越的河道為通航河道，后期基本沒有條件對管道進(jìn)行檢修、維護(hù)，所以鋼管穿越的難點(diǎn)在于施工過程中對管道防腐層完整性的質(zhì)量控制。

3.2 PE管

穿越用PE管一般采用PE80或PE100的SDR11系列管道。PE管具有耐快速、慢速裂紋擴(kuò)展和斷裂延伸率高等特點(diǎn)，具備良好的抗不均勻沉降、柔韌性和抗震性，最重要的是耐腐蝕性[1]。受PE材料強(qiáng)度的影響，管道無法承受很大的回拖力，穿越長度受限制。根據(jù)CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第6.3.5條，得到PE管最大允許拖拉力計算公式：

(1)

式中F——PE管最大允許拖拉力，N

dn——管道公稱外徑，mm

S——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比

以公稱外徑為355 mm、標(biāo)準(zhǔn)尺寸為11的PE管道為例，得出最大允許拖拉力約為167.88 kN。

再根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》第5.2.3條，穿越管道回拖時，鉆機(jī)最大回拖力可按式(2)計算值(FL)的1.5～3.0倍選取。

(2)

式中FL——計算拉力，kN

L——穿越管道的長度，m

f——摩擦系數(shù)，取0.3

D——管道外直徑，m，取0.355 m

rm——泥漿容重，kN/m3，取11 kN/m3

δ——管道壁厚，m，取0.032 m

rs——管道容重，kN/m3，取9.2 kN/m3

Wf——管道單位長度重量，kN/m，取0.34 kN/m

K——粘滯系數(shù)，取0.18

要求鉆機(jī)最大回拖力小于等于式(1)中的PE管最大允許拖拉力，上面兩式聯(lián)立可得該P(yáng)E管道允許的最大回拖長度為180～361 m，本工程需穿越長度約為954 m，已超過該P(yáng)E管道允許的最大回拖長度。

3.3 PE管加鋼管

結(jié)合鋼管抗拉強(qiáng)度大，適合長距離穿越，PE管防腐性能好的優(yōu)點(diǎn)，提出“管中管”的做法，即以PE管作為輸氣管道，在外套鋼管保護(hù)，夾層使用管箍滑輪結(jié)構(gòu)保證PE管的穩(wěn)定性，同時可避免回拖過程中因鋼管和PE管產(chǎn)生相對位移，造成鋼管內(nèi)壁的毛刺及焊縫凸起對PE管劃傷?；赝锨?，通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭將PE管與鋼管焊接成一體，然后一起回拖?；赝线^程中管道所受的主要外力來自管外壁與地層及泥漿之間的摩擦，該力全部作用于鋼管外壁，鋼管內(nèi)的PE管幾乎不受任何影響，從而解決了PE管因抗拉強(qiáng)度小無法長距離穿越的難點(diǎn)。

4 工程實施

本工程由于穿越距離較長，同時受場地條件影響，管道先焊接成3段，再整體焊接，一次回拖。同時結(jié)合工程實際情況，在穿越工程中創(chuàng)新使用了管箍滑輪結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了PE管穿鋼管和端頭碰口對接工藝。

4.1 管箍滑輪結(jié)構(gòu)

為保證回拖過程中PE管的完整性，采用了管箍滑輪結(jié)構(gòu)(見圖4)。第1步制作緊固管箍。將D377×5規(guī)格鋼管切成長60 mm的管段，將管段沿過軸線的截面切開，在切開處兩側(cè)焊接10 mm厚的鋼板，鋼板中間開孔，用M16雙頭螺栓進(jìn)行鎖緊，形成管箍夾耳結(jié)構(gòu)，同時在緊固管箍與PE管之間增加100 mm厚的橡膠進(jìn)行保護(hù)。第2步制作定向滑輪。將4個定向滑輪以中心軸呈90°焊接在緊固管箍上，通過現(xiàn)場試驗，確定滑輪高度為61 mm。最后將此管箍滑輪結(jié)構(gòu)沿PE管軸線方向，每6 m設(shè)置1個。通過這種方法，一方面避免回拖過程中鋼管內(nèi)壁的毛刺及焊縫凸起劃傷PE管，另一方面為后續(xù)PE管穿鋼管提供了方便。

圖4 管箍滑輪結(jié)構(gòu)

4.2 管道布管及穿管

由于穿越距離較長，同時受場地限制，鋼管和PE管需分成3段布置，每段長300～350 m。各段內(nèi)的PE管和鋼管先分別焊接，待PE管壓力試驗合格后，再將管箍滑輪結(jié)構(gòu)按6 m間距安裝，然后將焊接完成的PE管拖入對應(yīng)的鋼管內(nèi)(拖入后的3段分別稱為1#分段管、2#分段管和3#分段管)。為方便后續(xù)管道連接，除與鋼制拖頭連接的1#分段管首端PE管和鋼管齊平外，1#分段管末端、2#分段管兩端和3#分段管兩端的PE管均比鋼管長出5 m。最后通過端頭碰口對接工藝將此3段焊接成一體。

1#分段管中的PE管穿鋼管過程見圖5(圖5中未畫出鋼板)。首先通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭，將PE管端頭與一塊鋼板連接，鋼板另一端與鋼制拖頭連接，鋼制拖頭通過鋼絲繩與卷揚(yáng)機(jī)連接，通過卷揚(yáng)機(jī)逐漸將PE管拉入鋼管內(nèi)。然后將鋼板與鋼管進(jìn)行焊接。

圖5 1#分段管中的PE管穿鋼管過程

4.3 端頭碰口對接

1#分段管置于擬回拖區(qū)域，2#、3#分段管利用卷揚(yáng)機(jī)和吊機(jī)擺放在與1#分段管同一水平線上，相鄰PE管道端頭之間的距離以方便PE管熱熔焊接操作為準(zhǔn)。分段管之間的PE管焊接完成后，用管帽將3#分段管尾部封堵，整體試壓合格后進(jìn)行鋼管焊接。以回拖方向為前行方向，1#分段管尾部有5 m 長PE管露在鋼管之外，在露出的PE管上包裹2 m長的防火絕熱棉，然后將PE管向鋼管內(nèi)拉進(jìn)1 m，最后利用卷揚(yáng)機(jī)將2#鋼管向前拉，與1#鋼管焊接，依此做法完成2#、3#鋼管的焊接。防火絕熱棉的作用是為了防止鋼管焊接產(chǎn)生的焊渣及熱量損傷PE管。

最后對管道進(jìn)行整體回拖?；赝辖Y(jié)束后，在1#分段管的鋼板與PE管連接處進(jìn)行切割，然后再將鋼管繼續(xù)切割掉3 m左右，露出PE管，以便與上下游管道連接。

5 結(jié)語

考慮到鋼管在穿越過程中僅做套管使用，所以未對鋼管進(jìn)行3PE防腐處理。從工程實測數(shù)據(jù)來看，PE管在穿越段的實際拉伸長度幾乎為零，證明這種“管中管”的穿越工藝是可行的。