大口徑長(zhǎng)輸管道水域段漂管施工技術(shù)

郭華鋒，鄭 亮，王智明，楊 坤，郭 祥，侯 宇

1.天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，天津 300271

2.廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北廊坊 065000

3.國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北廊坊 065000

在中俄東線天然氣管道工程項(xiàng)目（DN1422、X80鋼級(jí)）啟動(dòng)的同時(shí)，京津冀周邊的河北新天唐山LNG外輸管道項(xiàng)目（DN1422、X80鋼級(jí)，簡(jiǎn)稱唐山LNG項(xiàng)目）、北京燃?xì)馓旖蚰细跮NG應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目外輸管道工程（DN1219、X80鋼級(jí)，簡(jiǎn)稱北燃LNG項(xiàng)目）、蒙西煤制天然氣外輸管道項(xiàng)目一期工程（DN1016、X80鋼級(jí)，簡(jiǎn)稱蒙西項(xiàng)目）陸續(xù)開工建設(shè)。上述工程有一個(gè)共同的特點(diǎn)：管道口徑較大，施工主體要求采取全自動(dòng)焊接施工工藝，都有連片的水域段施工，存在地面承載力差、設(shè)備行走困難等難題，施工難度較大，本文依托唐山LNG項(xiàng)目AA108-AA112段管道施工對(duì)大口徑管道在水域段漂管施工技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

唐山LNG項(xiàng)目中AA108-AA112段穿越大面積養(yǎng)殖塘，穿越長(zhǎng)度3 850 m，水域?qū)挾燃s0.5 km，管道規(guī)格為D 1 422 mm×25.7 mm，材質(zhì)為X80鋼。此段水深約1 m，地表淤泥厚度0.9 m，下層土質(zhì)為淤泥質(zhì)土，且并行陜京管道敷設(shè)，間距為15～20m，無道路可以依托，管中心距離岸邊約35m。

2 施工總體方案

經(jīng)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)勘查，由于此段路由水域面積巨大，地質(zhì)為淤泥，若采取以往的圍堰排水方案，作業(yè)帶內(nèi)運(yùn)布管及焊接作業(yè)施工難度極大，且由于并行管道距離較近，全自動(dòng)焊重型設(shè)備在作業(yè)帶內(nèi)來回碾壓，對(duì)地下管道和伴行光纜造成較大風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)多次研討和專家評(píng)審，最終確定采取以下施工方案：首先在岸邊搭建預(yù)制平臺(tái)，管道在平臺(tái)上分段預(yù)制，利用滾輪將管道分段發(fā)送至水中，在平臺(tái)上進(jìn)行段與段間的連頭，重復(fù)上述步驟直至漂管段全部完成；在漂管發(fā)送的同時(shí)，用水上挖掘機(jī)進(jìn)行圍堰；漂管完成后，排水將管道沉至塘底，采用挖溝沉管的方式將管道沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，安裝壓載后及時(shí)進(jìn)行管溝回填。

3 工藝流程

根據(jù)施工總體方案，水域段漂管施工工藝流程如圖1所示。

圖1 漂管工藝流程

4 施工方法

4.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)圖紙對(duì)水域進(jìn)行實(shí)地踏勘，深入了解線路經(jīng)過水域的全年水位情況及地下障礙物情況，采用水下地形無人測(cè)量技術(shù)對(duì)水下地貌情況進(jìn)行測(cè)量，了解是否存在未注明的溝渠。無人測(cè)量船見圖2。

圖2 無人測(cè)量船

4.2 測(cè)量放線

采用漁船載人和測(cè)量?jī)x器RTK對(duì)水域段進(jìn)行測(cè)量放線，測(cè)量放線使用插長(zhǎng)竹竿的方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，放線間距控制在30～50 m。

4.3 施工便道修筑

（1）當(dāng)便道通過小的農(nóng)田灌溉溝渠時(shí)，敷設(shè)過流涵管，涵管數(shù)量根據(jù)水渠里的水量而定。管道周圍采用編織袋裝土填實(shí)，并使用推土機(jī)壓實(shí)，保證施工設(shè)備的通行，竣工后將涵管拆除恢復(fù)地貌。

（2）對(duì)承載力較差的軟土地基段，應(yīng)對(duì)原有的土路進(jìn)行加固，可采取底層鋪一至兩層竹排、樹木廢料等，再鋪土工布，上面墊袋裝砂石對(duì)其進(jìn)行加固，增加施工便道的承載力，以滿足設(shè)備通行需要。

4.4 預(yù)制平臺(tái)搭建

4.4.1 平臺(tái)類型

（1） 臨近水域邊有地基承載力較好的旱地，可以直接修建漂管平臺(tái)，在漂管預(yù)制的中軸線上鋪設(shè)鋼板進(jìn)行錨固后安裝混動(dòng)軸承，進(jìn)行漂管。

（2） 臨近水域邊有地基承載力一般的旱地，可以采取漂管平臺(tái)地面滿鋪鋼排或鋼板，在漂管預(yù)制的中軸線上鋪設(shè)鋼板進(jìn)行錨固后安裝混動(dòng)軸承，進(jìn)行漂管。

（3）漂管起點(diǎn)地質(zhì)承載力較差或無漂管位置，可以采取拉運(yùn)渣石或素土修筑漂管平臺(tái)，在漂管預(yù)制的中軸線上鋪設(shè)鋼板進(jìn)行錨固后安裝混動(dòng)軸承，進(jìn)行漂管。

4.4.2 平臺(tái)搭建規(guī)格

4.4.2.1 平臺(tái)長(zhǎng)度

綜合考慮漂管的長(zhǎng)度、工期要求以及機(jī)組施工資源的配置決定平臺(tái)搭建的長(zhǎng)度。首先需要考慮在漂管過程中發(fā)送管道需達(dá)4～5根管長(zhǎng)方可返平，在滾動(dòng)軸承上將發(fā)送管道與預(yù)制管段進(jìn)行連頭作業(yè)；其次需考慮焊接機(jī)組每日焊接長(zhǎng)度及平臺(tái)兩端需留有設(shè)備通行的寬度。

平臺(tái)長(zhǎng)度=單機(jī)組每日焊接長(zhǎng)度+返平長(zhǎng)度+兩端設(shè)備通行道路寬度。

唐山LNG項(xiàng)目AA108-AA112段平臺(tái)焊接機(jī)組每日焊口約為11道（長(zhǎng)度約為144 m），返平段長(zhǎng)度約為60 m，兩端設(shè)備通行寬度約為26 m，所以此處平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總長(zhǎng)度為230 m。

4.4.2.2 平臺(tái)寬度

因預(yù)制段管道需要經(jīng)過100% AUT+100% RT檢測(cè)24 h后再進(jìn)行防腐作業(yè)，為了保證焊接機(jī)組的連續(xù)作業(yè)，平臺(tái)上必須保證預(yù)制三趟管道的施工作業(yè)面。漂管平臺(tái)平面布置見圖3。

圖3 漂管平臺(tái)平面布置

平臺(tái)寬度=｛4～6 m｝ （吊管機(jī)行走位置） +｛2～2.5 m｝ （漂管滾輪架安裝位置）+8 m（3趟預(yù)制管道占位）+6m（焊接設(shè)備占位）+｛2～10m｝（平臺(tái)設(shè)備過道占位）。

平臺(tái)的搭設(shè)寬度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)是否就近設(shè)置臨時(shí)堆管場(chǎng)而調(diào)整，一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況搭設(shè)寬度控制在22～35 m為宜。經(jīng)核算唐山LNG項(xiàng)目AA108-AA112段漂管平臺(tái)寬度為35 m。

4.4.2.3 平臺(tái)高度

漂管平臺(tái)以高出全年最高水位0.5 m左右為宜；AA108-AA112段漂管平臺(tái)搭設(shè)在池塘內(nèi)，平臺(tái)搭設(shè)高度為2 m，現(xiàn)場(chǎng)具體情況見圖4。

圖4 AA108-AA112段漂管平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)

4.4.3 漂管預(yù)制平臺(tái)的搭設(shè)與制作安裝

4.4.3.1 發(fā)送滾輪小車的設(shè)置

（1）在管道發(fā)送軸線上設(shè)置發(fā)送滾輪小車，安裝間距滿足GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[1]中管道吊管下溝間距要求。滾輪規(guī)格按照其承受管材質(zhì)量的1.5～2倍選擇，一般規(guī)格有15 t/20 t/25 t/30 t幾種常規(guī)類型。以唐山LNG項(xiàng)目為例，按照DN1422管道吊管下溝的吊點(diǎn)間距不大于20 m的原則，選擇滾動(dòng)軸承小車的承重能力（30 t），安裝間距選擇在15 m左右。發(fā)送滾輪見圖5。

圖5 平臺(tái)發(fā)送滾輪

（2）入水段的第一個(gè)滾輪小車由于承受的壓力最大，因此其所墊的鋼板需要鋪墊在路基板上，增大抗變形的承受能力以及抗沉降的能力。

4.4.3.2 預(yù)制管排支架的施工

在預(yù)制區(qū)，可采用工字鋼、H型鋼制作預(yù)制管排支架，支撐下面一般鋪設(shè)厚20 mm、板幅1.2 m×6 m的鋼板做地板墊，以提高地基承載力。支架橫梁的安裝高度與緊鄰的滾輪小車的斜軸承最高邊緣齊平。唐山LNG項(xiàng)目支架橫梁高度為0.8 m。管排支架見圖6。

圖6 預(yù)制管排支架

4.5 漂管平臺(tái)上管道的預(yù)制、探傷、防腐

（1）根據(jù)全自動(dòng)焊焊接工藝規(guī)程在預(yù)制管排支架上進(jìn)行管道的分段預(yù)制，在滾輪支架上共預(yù)制3排管道，每排管道有11道焊口，長(zhǎng)144 m為一段。

（2）在第一段的端部焊接帶牽引裝置的橢圓封頭。

（3） 管道焊接后立即進(jìn)行無損檢測(cè)，全自動(dòng)焊焊口一般采RT和AUT檢測(cè)；無損檢測(cè)合格后，立即進(jìn)行防腐補(bǔ)口補(bǔ)傷。

（4）管道無損檢測(cè)、補(bǔ)口補(bǔ)傷合格后將其移位吊裝至滾輪上。

4.6 漂管施工

4.6.1 管道漂管計(jì)算

4.6.1.1 漂管深度計(jì)算

以AA108-AA112段漂管施工為例，管道規(guī)格為D 1 422 mm×25.7 mm，截取1 m管道，兩端密封，全部沉入于水中時(shí)，管道漂浮情況見圖7。

圖7 管道漂管示意

管道漂浮深度計(jì)算步驟如下：

式中：G重為1 m管道自身重力，kN；F浮為1m管道在水中受到的浮力，kN；ν管為1 m管道的體積，m3；ν水為1 m管道沒在水中的體積，m。

若G重＜F浮，則管道可浮在水面上。當(dāng)管道浮于水面時(shí)，依據(jù)G重=F浮，可計(jì)算管道漂管所需最淺水深H。

D 1 422 mm管材的截面積：S=πR2=3.14×0.711×0.711=1.587 （m2）

D 1 422 mm沉入水下截面積為S1，由F浮=S1×ρ水gL=G重（L為管長(zhǎng)），計(jì)算可得S1為0.885 m2。

浮在水面上弓形面積為S2=1.587-0.885=0.702（m2）。

扇形面積公式為：

式中：S為鋼管截面積，m2；S1為管道沉入水中截面積，m2；H1為管道沉入水中深度扣除半徑的高度，m；H為管道沉入水中深度，m；θ為鋼管浮在水面部分扇形中心角，（°）；R為鋼管半徑，m。計(jì)算得θ≈169.63°。

所以H=H1+R=0.711 m+0.064 m=0.775 m，考慮防腐層厚度和水域底部的不平整，因此增加部分管體入水深度，按照當(dāng)管溝中水的深度大于0.9 m時(shí)管道在水中就能浮起來，在外力的輔助牽引下就能輕松移位，達(dá)到漂管的目的。

4.6.1.2 管道漂管彈敷受力和高差計(jì)算

管道漂管時(shí)彈敷落差高度為h，根據(jù)分析第一個(gè)滾輪位置管道受力最大，漂管過程中，由彎曲產(chǎn)生的管道彎曲應(yīng)力公式以懸臂梁均布載荷梁模型推導(dǎo)出。當(dāng)梁的最大彎曲應(yīng)力σmax等于許用彎曲應(yīng)力[σ]時(shí)，就可計(jì)算簡(jiǎn)支梁端點(diǎn)處撓度，即最大允許溝深hmax。將模型簡(jiǎn)化為分別受均布載荷q、支反力FB作用的懸臂梁，示意見圖8。

圖8 管道自由端彈敷受力

漂管彈敷高差計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

式中：L為變形段總長(zhǎng)度，m；L1為滾輪上變形段長(zhǎng)度，m；L2為懸空段長(zhǎng)度，m；h為彈敷高差，m；hmax為最大允許高差，m；ωB為支點(diǎn)B的撓度，mm；ωC為支點(diǎn)C的撓度，mm；FA為支點(diǎn)A提供的支反力，N；FB為支點(diǎn)B提供的支反力，N；MA為嵌固端A處提供的力矩，N·m；∑MA為以A點(diǎn)為支點(diǎn)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的力矩之和，N·m；D為管道外徑，mm；d為管道內(nèi)徑，mm；q為管道單位長(zhǎng)度自重，N/m；E為彈性模量，一般取2.06×105MPa；I為管道的慣性矩，mm4；σ為鋼管屈服強(qiáng)度，MPa；σmax為管道漂管最大應(yīng)力。

漂管斷面見圖9，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高差為：0.8m（滾輪高度）+0.5m（平臺(tái)至水面高度）+0.775 m（管道入水深度）≈2.1 m。

圖9 管道漂管斷面

由最大允許彈敷高差計(jì)算公式可知，材質(zhì)為X80鋼的D 1 422 mm×25.7 mm管道允許最大彈敷高差為3.97 m，而實(shí)際漂管彈敷高差為2.1 m，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4.6.2 引溝開挖

（1）對(duì)于水深不滿足漂管要求的水域，用水陸兩棲挖掘機(jī)提前進(jìn)行預(yù)挖溝，使管道漂管位置水深滿足要求。AA108-AA112段水域深度為1 m，滿足漂管要求。

（2）在漂管開始前，由于管道入水存在扎頭向下情況，為了不損傷管道的防腐層，因此在緊靠平臺(tái)前端的管道中心位置進(jìn)行預(yù)挖溝，預(yù)挖溝深度一般在2 m左右，并且在漂管段的前端用挖掘機(jī)進(jìn)行輔助吊裝漂管。

（3）對(duì)于連片池塘之間的塘壩或鄉(xiāng)村道路，采取斷路后兩側(cè)進(jìn)行打樁增加鋼基礎(chǔ)，上面架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)橋的方式進(jìn)行打通漂管通道，漂管過塘壩或道路見圖10。

圖10 漂管過塘壩或道路示意

4.6.3 漂管施工

（1） 漂管前采用環(huán)形電火花檢漏儀進(jìn)行整個(gè)下水段的防腐層外觀電火花檢漏，如有損傷或漏點(diǎn)及時(shí)安排人員進(jìn)行修補(bǔ)。

（2） 在預(yù)制平臺(tái)用3臺(tái)70 t的吊管機(jī)輔助發(fā)送管道，在專職起重工的指揮下，行動(dòng)協(xié)調(diào)一致，將管道緩慢前移入水。在管道入水后，前端安排一臺(tái)水陸兩棲挖掘機(jī)輔助前端的走位（沿管道中心線位漂管），若水深較大，可用小型拖船進(jìn)行管道的牽引，直至第一段管道漂管就位，末端停留在與后段連頭位置。

4.7 管段連接

第一段管道漂管完成后，在平臺(tái)上預(yù)留4～5根管長(zhǎng)度，然后將預(yù)制好的第二段管道吊裝移位至滾輪上進(jìn)行連接。平臺(tái)上管段的連接一般采用組合自動(dòng)焊的施工工藝，焊接完成后立即進(jìn)行AUT檢測(cè)，24 h后進(jìn)行RT檢測(cè)，合格后進(jìn)行連接口的防腐補(bǔ)口工作。

重復(fù)進(jìn)行平臺(tái)上管道預(yù)制、探傷、防腐、漂管施工、管段連接工序，直至管道漂管全部完成。

4.8 入水管道限位

為了減少大面積水域水面上的波浪及風(fēng)力對(duì)管道在漂管過程中的沖擊以及管道對(duì)口過程的影響，漂管完成后立即進(jìn)行打樁限位作業(yè)，采取沿管位中心線兩側(cè)各1m的位置打“井”字型的固定樁，使用D 89 mm×4.5 mm無縫鋼管固定，每隔50～100 m距離打一個(gè)樁。限位樁形式見圖11。

圖11 限位樁示意

4.9 圍堰、抽水

（1）當(dāng)水深較淺時(shí)，可用水陸兩棲挖掘機(jī)進(jìn)行就地取土圍堰，唐山LNG項(xiàng)目采取就地取土方式進(jìn)行圍堰，兩次堆積成型；當(dāng)水深較大或地質(zhì)情況較差時(shí)，可采取打插板樁或采用雙排木樁+竹笆片（中間就地取土填充）方式進(jìn)行圍堰[2]，對(duì)于水深大于2 m且無法總體降水的可采取外購?fù)林螄摺?/p>

（2）圍堰完成后，利用水泵將作業(yè)帶內(nèi)的水排出，管道在自身重力下緩慢降至塘底。

（3）排水降管過程中，可使用水陸兩棲挖掘機(jī)調(diào)整管位，確保其落在設(shè)計(jì)中線上。

4.10 挖溝沉管

（1）由于水域段地基承載力較低，管溝成型質(zhì)量較差，無法采用常規(guī)管溝開挖后吊管下溝方式施工，一般采用雙側(cè)開挖沉管下溝方法進(jìn)行施工，即沿管道雙側(cè)開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢將管道自然降落到管溝內(nèi)。

（2）雙側(cè)沉管下溝時(shí)，在管道一端用2臺(tái)單斗挖掘機(jī)在管道兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行管溝開挖[3]。一次沉管深度應(yīng)滿足規(guī)范QSY GDJ 0387《油氣輸送管道沉管下溝施工規(guī)范》[4]，D 1 422 mm×25.7 mm管道每層沉管深度不大于3.97 m，如管道埋深較大，可進(jìn)行分層沉管。

（3）沉管下溝過程中，挖掘機(jī)應(yīng)與管道保持足夠的距離，且大于挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑，宜采取防腐層保護(hù)措施，防止損傷管道防腐層。

（4）沉管下溝過程中，管道與溝底接觸前，應(yīng)采用電火花檢漏儀檢查管道防腐層，如有破損或針孔應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，檢測(cè)電壓應(yīng)符合設(shè)計(jì)或現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（5）水域段穿越時(shí)，管溝開挖滿足GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》[5]的技術(shù)要求。

4.11 壓載安裝、數(shù)據(jù)采集

（1）管段沉降到管溝底部后，應(yīng)立即測(cè)量管道的管頂標(biāo)高、地面標(biāo)高、焊口坐標(biāo)，確認(rèn)管道埋深達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并填寫竣工測(cè)量表。

（2）沉管下溝過程中，遇到高地下水位地區(qū)需要對(duì)管道壓載的，應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求測(cè)量定位，并在管道安裝位置作標(biāo)記，用水陸兩棲挖掘機(jī)吊裝壓載、將其安裝到位。

4.12 管溝回填、地貌恢復(fù)

（1）管道下溝、壓載安裝完成，經(jīng)測(cè)量符合規(guī)范要求，監(jiān)理確認(rèn)后應(yīng)立即進(jìn)行管溝一次回填、鋪設(shè)警示帶，隨后進(jìn)行原土回填。

（2）在管道下溝回填后，應(yīng)使用雷迪音頻測(cè)儀進(jìn)行地面檢漏，如有漏點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行開挖補(bǔ)傷。

（3）管溝回填完成后，立即進(jìn)行地貌恢復(fù)。

5 實(shí)施效果

對(duì)于唐山LNG項(xiàng)目AA108-AA112段穿越3 850 m水域的管道漂管施工，在2020年8月進(jìn)行了方案的編制，并通過業(yè)主組織的專家審查會(huì)，2020年10月1日開始漂管作業(yè)，至2021年1月10日漂管作業(yè)完成，有效焊接時(shí)間為60 d，且至2021年5月25日，完成本段全部挖溝沉管、管溝回填、地貌恢復(fù)作業(yè)，水域占用時(shí)間為235 d，管道焊接一次合格率達(dá)98%。而在類似地區(qū)的AA112-AA115段穿越2 840 m水域施工，采取圍堰排水、作業(yè)帶硬化處理后進(jìn)行布管、焊接作業(yè)，此段管道自2020年11月3日開工，至2021年9月15日完成地貌恢復(fù)，焊接時(shí)間100 d，水域占用時(shí)間322 d。通過兩段水域施工的對(duì)比，平臺(tái)預(yù)制漂管作業(yè)無論是在施工功效、減少占地時(shí)間，還是在施工質(zhì)量上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，此施工工藝在唐山LNG項(xiàng)目取得了較好的應(yīng)用效果，受到業(yè)主和監(jiān)理的一致好評(píng)。

6 結(jié)束語

通過唐山LNG項(xiàng)目、北燃LNG項(xiàng)目、蒙西項(xiàng)目等多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，與圍堰排水、作業(yè)帶硬化、管道布管焊接等一般施工方法相比，預(yù)制平臺(tái)漂管施工方法解決了水網(wǎng)地段地基承載力差、全自動(dòng)焊設(shè)備行走和施工困難的難題。搭設(shè)漂管平臺(tái)，將焊接、防腐、檢測(cè)的施工集中在平臺(tái)上進(jìn)行，創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，有效提高了施工質(zhì)量，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)；施工總工期較短，減少了征水域占用時(shí)間，降低了征地費(fèi)用；并且減少了施工作業(yè)對(duì)近距離并行管道的擾動(dòng)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。漂管施工技術(shù)可在大面積水域、地基承載力較差的地段進(jìn)行推廣應(yīng)用。