海洋市政管線擴(kuò)散器安裝技術(shù)研究

李 明，王明強(qiáng)，王小東，彭 飛，劉 飛，程龍生

（中國石油管道局第六工程公司，天津 300272）

海洋市政管線擴(kuò)散器安裝技術(shù)研究

李 明，王明強(qiáng)，王小東，彭 飛，劉 飛，程龍生

（中國石油管道局第六工程公司，天津 300272）

通過介紹當(dāng)前海洋市政管線擴(kuò)散器的主要構(gòu)造形式和特點(diǎn)，分析了擴(kuò)散器安裝的施工準(zhǔn)備，剖析了海洋市政管線擴(kuò)散器的主要安裝方式。研究總結(jié)了當(dāng)前海洋工程擴(kuò)散器安裝的施工工藝流程，明確了海洋市政管線擴(kuò)散器安裝主要根據(jù)擴(kuò)散器長度、材質(zhì)及所在海域的海流、涌浪和當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩剡x擇施工工藝。同時(shí)，闡明了一種較為常規(guī)、有效的擴(kuò)散器安裝方式——通過陸地分段預(yù)制，海上精確定位，借助船舶分段運(yùn)輸、分段起吊和安放，采用旋轉(zhuǎn)法蘭實(shí)現(xiàn)水下連接。這為海洋市政管線擴(kuò)散器安裝指明了研究方向，也為探索更加安全、快捷的安裝方式奠定了基石。

擴(kuò)散器；精確定位；分段起吊；水下連接；旋轉(zhuǎn)法蘭

0 引言

海洋市政管線為市政管線的海洋延伸部分，其主要作用是將陸地上經(jīng)過泵站處理的達(dá)標(biāo)廢水通過其排放至深海中，減少對環(huán)境的污染。

海洋市政管線的終點(diǎn)多數(shù)為擴(kuò)散器，通過擴(kuò)散器將廢水分流、稀釋于大海中。擴(kuò)散器作為海洋市政管線的末端排放設(shè)備，具有其獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)。通常根據(jù)日排水量及當(dāng)?shù)睾r等設(shè)計(jì)成多孔排放及鴨嘴閥排放[1]。在施工中，現(xiàn)場安裝方式必須根據(jù)海水深度、水流及管道材質(zhì)進(jìn)行選擇，確定符合工程實(shí)際要求的安裝方法，從而有效而安全平穩(wěn)地完成擴(kuò)散器安裝[2]。鑒于此，本文主要通過闡述海洋市政管線擴(kuò)散器的構(gòu)造形式及具體安裝方法，進(jìn)一步深刻明晰了海洋市政管線擴(kuò)散器不同形式的不同安裝方式以及未來構(gòu)造及安裝發(fā)展方向。

1 海洋市政管線擴(kuò)散器的主要形式

隨著海洋市政管線的不斷增多，根據(jù)工程當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境和施工規(guī)范及業(yè)主、設(shè)計(jì)要求，其末端擴(kuò)散器的形式各有不同，但其基本原理都是將管線輸送的廢水通過變徑、上升管等將其分流、稀釋于海水中。

1.1 海洋市政管線套筒保護(hù)型擴(kuò)散器

對于較為繁忙的海域，過往船舶及海上建設(shè)較多，市政管線末端擴(kuò)散器設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮當(dāng)?shù)睾Ｓ蚯闆r，根據(jù)其可能受到的外力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對較為繁忙的海域，特別是船錨及塊石等經(jīng)常拋投或散落區(qū)域，對其擴(kuò)散器加以保護(hù)，設(shè)計(jì)成套筒型，從而有效保證其安全運(yùn)行[3]。

廣東惠州大亞灣石化區(qū)污水排海工程中設(shè)計(jì)采用的即為套筒保護(hù)型擴(kuò)散器，即在尾端擴(kuò)散器的四周預(yù)制套筒與擴(kuò)散器連接，對其形成保護(hù)，避免受到破壞，如圖1所示。

圖1 套筒保護(hù)型擴(kuò)散器

1.2 海洋市政管線閥門型擴(kuò)散器

考慮到部分海域的海洋生物情況，同時(shí)結(jié)合工程業(yè)主的投資概算，為了保證市政排水管線非工作狀態(tài)時(shí)海水倒流，其擴(kuò)散器上升管處設(shè)置鴨嘴閥。排水時(shí)在沖水壓力的作用下自動(dòng)打開，而非排水時(shí)就會(huì)自動(dòng)合攏，有效的避免了海水及污物的倒流。另外，為了保護(hù)擴(kuò)散器，其頂部采用粗砂和模袋混凝土進(jìn)行壓實(shí)保護(hù)，形成保護(hù)套。

1.3 海洋市政管線閥門保護(hù)罩型擴(kuò)散器

部分海洋市政管線工程為了有效的排水并減少外界對擴(kuò)散器及排放口的破壞，同時(shí)考慮到排水能力和工程造價(jià)，擴(kuò)散器排放口設(shè)置數(shù)量較少，其頂部設(shè)置鴨嘴閥且其周圍使用球形混凝土保護(hù)罩加以保護(hù)，構(gòu)造相對簡單，如圖2所示。

圖2 閥門保護(hù)罩型擴(kuò)散器

2 擴(kuò)散器安裝調(diào)查及定位

擴(kuò)散器安裝前，測量人員使用 GPS、多波束等測量設(shè)備對待安裝區(qū)域進(jìn)行測量掃測，明確其區(qū)域內(nèi)沒有任何阻礙物，同時(shí)進(jìn)一步確認(rèn)擴(kuò)散器安裝位置，從而確保擴(kuò)散器準(zhǔn)確、安全和無障礙的安裝到位[4]。

2.1 擴(kuò)散器安裝前施工預(yù)調(diào)查

擴(kuò)散器安裝前，根據(jù)業(yè)主提供的有關(guān)地質(zhì)資料對施工相關(guān)海域進(jìn)行綜合調(diào)查和測量，為施工決策和方案實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持。按照業(yè)主提供的海底擴(kuò)散器擬安裝位置坐標(biāo)，采用RTK-GPS定位測量儀器對業(yè)主書面給定的控制點(diǎn)進(jìn)行校核，確保擴(kuò)散器位置的準(zhǔn)確性。如果校核結(jié)果與提供坐標(biāo)有出入，及時(shí)向業(yè)主匯報(bào)。通過業(yè)主和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門復(fù)核擴(kuò)散器位置附近是否存在其他設(shè)施。若與已知數(shù)據(jù)確實(shí)存在差距應(yīng)及時(shí)通知業(yè)主和設(shè)計(jì)單位人員予以核實(shí)、變更[5]。同時(shí)，對其待安裝位置的海底地形狀況進(jìn)行深入了解，確認(rèn)是否存在海底建構(gòu)筑物、異常障礙等，為施工方案決策、船舶和設(shè)備選擇等提供明確的數(shù)據(jù)支持和詳實(shí)的施工指導(dǎo)資料。

現(xiàn)場根據(jù)不同的水深確定使用不用的測量設(shè)備，對水深大于4m的測量區(qū)域采用多波束進(jìn)行測量，小于4m的采用單波束進(jìn)行測量，如圖3。

圖3 多波束測深系統(tǒng)示意圖

2.2 擴(kuò)散器安裝船舶精確定位

擴(kuò)散器安裝所使用的浮吊導(dǎo)航采用電羅經(jīng)和 GPS定位系統(tǒng)對其進(jìn)行定位導(dǎo)航，其中可將GPS設(shè)備兩個(gè)GA530天線分別架設(shè)在船頭和船尾用于定位定向，從而準(zhǔn)確測出船舶和擴(kuò)散器位置，如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)連接定位系統(tǒng)示意圖

3 擴(kuò)散器安裝技術(shù)分析

擴(kuò)散器無論采用何種形式，其現(xiàn)場安裝主要分為擴(kuò)散器整體甲板焊接后下放至海底、擴(kuò)散器整體水下螺栓連接、擴(kuò)散器分段下放至海底后分段螺栓連接等幾種形式?，F(xiàn)場主要根據(jù)業(yè)主、設(shè)計(jì)要求和擴(kuò)散器材質(zhì)及長度等進(jìn)行安排，采取相應(yīng)方式組織安裝，達(dá)到業(yè)主、設(shè)計(jì)要求[6]。目前，海洋市政管線擴(kuò)散器安裝中較為普遍的方式是采用浮吊分段下放至海底后使用旋轉(zhuǎn)法蘭完成水下連接。

3.1 擴(kuò)散器整體拆分

按照設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)散器一般較長，達(dá)100m以上，且其上部附屬有上升管及鴨嘴閥等，部分?jǐn)U散器還涉及主管線直徑縮減變化等。這就要求現(xiàn)場安裝前首先將其按照管材及浮吊起吊能力進(jìn)行拆分，一般50m左右為一節(jié)，具體長度需根據(jù)管道材質(zhì)及管徑等進(jìn)行計(jì)算、拆分，兩端預(yù)留法蘭，在水下與待連接管線相連。

3.2 擴(kuò)散器分段起吊

分段預(yù)制完成后，使用駁船將其運(yùn)輸至待安裝海域，根據(jù)預(yù)先測定的位置靠駁于浮吊一側(cè)，準(zhǔn)備起吊。

3.2.1 擴(kuò)散器吊點(diǎn)計(jì)算

擴(kuò)散器起吊前，現(xiàn)場需要對其吊點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真測算，以確保起吊過程的安全、平穩(wěn)。目前較為常用的是OFFPIPE計(jì)算軟件，通過對水深、水流、涌浪、風(fēng)力、管材屈服強(qiáng)度等系數(shù)進(jìn)行分析，測算出不同吊點(diǎn)的受力情況，從中選取受力最為合理的點(diǎn)作為吊點(diǎn)，以保證擴(kuò)散器起吊安放中的安全性和穩(wěn)定性，如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)連接定位系統(tǒng)示意圖

3.2.2 擴(kuò)散器起吊、安放

根據(jù)計(jì)算，擴(kuò)散器起吊點(diǎn)已選定。按照預(yù)先布置好的浮吊進(jìn)行擴(kuò)散器起吊，然后將其牽引至待安裝位置，在水下潛水員的遙控指揮下，浮吊司機(jī)緩慢的下放分段擴(kuò)散器，并隨時(shí)按照潛水員的指示加以調(diào)整，最終平穩(wěn)地安放于待安裝位置，如圖6。

圖6 擴(kuò)散器起吊、安放示意圖

3.3 擴(kuò)散器水下連接

總結(jié)多個(gè)海洋市政管線擴(kuò)散器安裝經(jīng)驗(yàn)，分段起吊并安放于海底后，然后在浮吊的向上拉力作用下，擴(kuò)散器懸浮于水中[7]。同時(shí)，借助浮吊將已鋪管線管頭輕輕吊起，使其端口與擴(kuò)散器待安裝端口處于同一直線上，從而使其能順利平直的連接在一起。

1）船舶及預(yù)制段準(zhǔn)備就緒后，根據(jù)排污管段的浮漂，潛水員下水探摸，將兩根鋼絲繩的一端分別套在離管端 2m～4m的位置，用卡環(huán)連接。管線綁鋼絲繩的位置先用膠皮包扎，防止損傷污水管線[8]。其中一根鋼絲繩的另一端連接船舷系纜樁，另外一根鋼絲繩的另一端連接船吊。船吊輕輕起吊，使管端離開泥面50mm，如圖7。

圖7 管端超吊示意圖

2）在管端離開海底泥面50mm后，將連接在系纜樁上的鋼絲繩拉緊并系在系纜樁上，船舶舷吊釋放吊力，潛水員解開舷吊上的鋼絲繩與海底管端連接處。此時(shí)水下管道應(yīng)保持一個(gè)微小的傾斜角度。潛水員下水檢查，若管道與海底泥面角度太大或者太小，根據(jù)潛水員的指揮對管道高度做略微調(diào)整，保持管道和海底泥面的夾角合適。

3）將第一預(yù)制段擴(kuò)散器吊起，按照計(jì)算結(jié)果設(shè)置吊點(diǎn)。調(diào)整起吊鋼絲繩的長度，使預(yù)制段向管線末端微微下斜。預(yù)制段擴(kuò)散器略帶傾斜角，傾斜角度和水下管線的傾斜角度相近。在吊起的預(yù)制段兩段分別套一根牽引繩，用來控制預(yù)制段擴(kuò)散器的方向，在工程浮吊船左舷輕輕下水。

4）預(yù)制段擴(kuò)散器下放至接近海底時(shí)停止下放，潛水員下水至管端附近，通過船上施工人員和潛水員配合，將預(yù)制段一端的牽引繩交到潛水員手中，潛水員通過牽引繩找到預(yù)制段擴(kuò)散器，并指揮施工人員將其調(diào)整至管端位置(如下圖所示)。潛水員利用撬棍和船員配合進(jìn)行預(yù)制段擴(kuò)散器水下安裝。

考慮到水下螺栓連接的施工工藝，一般法蘭設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)法蘭，即法蘭在管頭末端可 360°自由旋轉(zhuǎn)。根據(jù)對孔位置可隨時(shí)旋轉(zhuǎn)、調(diào)整，從而更快捷、方便地完成螺栓孔對接。

法蘭螺栓孔對接完成后，首先用2～3個(gè)螺栓固定法蘭位置。選擇一側(cè)放置墊片，在放置墊片時(shí)，用撬棍放在法蘭之間，防止預(yù)制段擴(kuò)散器振動(dòng)損傷墊片，接著再用對角的2～3個(gè)螺栓加固法蘭連接，確保法蘭對接完成，如圖8。

圖8 潛水員水下指揮安裝示意圖

5）水下法蘭初步對接完成后，利用液壓扳手緊固螺栓。同時(shí)，安裝好全部螺栓并緊固。

6）水下法蘭全部緊固完成后，釋放系纜樁上的鋼絲繩，潛水員水下解纜后，該預(yù)制段的安裝就完成了。

4 總結(jié)和展望

隨著海洋市政管線的不斷增多，其末端配置的擴(kuò)散器是其中不可缺少的重要部分，這就促使擴(kuò)散器安裝成為一個(gè)重要課題。作為海洋工程的重要實(shí)施者，經(jīng)過多年的實(shí)戰(zhàn)摸索并總結(jié)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，采用擴(kuò)散器分段預(yù)制、運(yùn)輸、下放，然后使用旋轉(zhuǎn)法蘭進(jìn)行水下連接較為普遍，相對傳統(tǒng)擴(kuò)散器安裝方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）擴(kuò)散器現(xiàn)場分段預(yù)制，可將長達(dá)百米的大型構(gòu)筑物分段預(yù)制成幾十米的小型物體，減小了吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)難度，有利于現(xiàn)場操作；

2）擴(kuò)散器連接時(shí)采用水下旋轉(zhuǎn)法蘭進(jìn)行組對，其只需借助浮吊及舷吊將已鋪管線和擴(kuò)散器微微吊起，潛水員即可快速、安全的完成水下連接。該預(yù)制、安裝方式的安全性和適用性已獲認(rèn)可，已經(jīng)發(fā)展成為海洋市政管線擴(kuò)散器安裝的重要施工工藝。

[1]《海洋工程設(shè)計(jì)手冊—海上施工分冊》[M].第三版,161-165.

[2]馬良,王金英.海底管道的埋設(shè)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1993(1): 15-17.

[3]《ANSI standards》.45-48.

[4]《ABS Steel vessel Rules 2007》.52-53.

[5]《中國油氣田地面工程技術(shù)交流大會(huì)論文集》.2013,756-759.

[6]《船舶工程》2013(5): 22-25.

[7]O.M.帕利.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2007: 21-23.

[8]竺艷蓉.海洋工程波浪力學(xué)[M].天津: 天津大學(xué)出版社,1991:25-27.

Research on Installation Technology of Marine Municipal Pipeline Diffuser

LI Ming,WANG Ming-qiang,WANG Xiao-dong,PENG Fei,LIU Fei,CHENG Long-sheng
(Sixth Engineering Company of CPP,Tianjin 300272,China)

The main structure forms and characteristics of the marine municipal pipeline diffuser is presented in this paper.Besides,the construction preparation and main installation methods of marine municipal pipeline diffuser are dissected.Finally,the current construction technology and procedure of the diffuser installation in the ocean engineering is summarized,which show that the construction technology selection of marine municipal pipeline diffuser installation mainly depending on the diffuser length,its material,local sea current,surge and local climate,etc.At the same time,this paper also illustrates a more conventional and effective diffuser installation method----its underwater connection is realized by prefabricatingon the land,accurate positioningat sea,transportation with the aid of the ships section by section,liftingsection by section and launchingand finally connecting by rotary flanges,which points out the research direction of marine municipal pipeline diffuser installation and also lays the foundation for exploring safer and faster installation method.

diffuser; accurate positioning; lifting section by section; underwater connection; rotary flanges

TV92

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.008

李明（1983-），男，工程師。研究方向：主要從事海洋市政管線鋪設(shè)、海洋市政管線擴(kuò)散器安裝以及海洋構(gòu)建筑物施工等關(guān)鍵技術(shù)研究工作