管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置設(shè)計(jì)

摘 要：根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“油氣輸送管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時，應(yīng)設(shè)置地下通道（涵）或套管”，定向鉆穿越等級公路傳統(tǒng)工藝有全套管和半套管2種，施工成本高、難度大，尤其在大口徑厚壁管中更是明顯。為有效降低施工成本和難度，結(jié)合天然氣工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)一種管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置，套管長度僅延伸至道路外緣2～5 m，這尚屬首創(chuàng)，不僅適用于油氣管道工程，也適用于其他市政管道工程，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：定向鉆；等級公路；全自動解鎖；全套管；半套管

中圖分類號：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0038-05

Abstract： According to the JTG D20—2017 "Design Specification for Highway Alignment"， "when the oil and gas transportation pipeline intersects with all levels of highway and adopts the underpass mode， the underground passage（culvert） or casing should be set up." There are two traditional technologies of directional drilling through grade highway： full casing and semi-casing. The construction cost is high and difficult， especially in large diameter thick-walled pipes. In order to effectively reduce the construction cost and difficulty， a fully automatic unlocking device for pipeline directional drilling through grade highway is designed based on the practice of natural gas engineering， and the length of the casing only extends to 2～5 meters on the outer edge of the road， which is the first. It is suitable not only for oil and gas pipeline projects， but also for other municipal pipeline projects， with high economic benefits and promotion value.

Keywords： directional drilling; grade highway; automatic unlocking; full casing; semi-casing

經(jīng)過多年持續(xù)快速發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為石油、天然氣等液體和氣體能源的首選輸送方式，與鐵路、公路、水運(yùn)和航空運(yùn)輸并列為我國五大運(yùn)輸方式[1]。

2017年，國家發(fā)展改革委、國家能源局共同印發(fā)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，指出今后10～15年仍將是油氣管道建設(shè)的高峰期。預(yù)計(jì)到2030年，我國油氣管道總里程將達(dá)到25～30萬km，基本建成現(xiàn)代油氣管網(wǎng)體系[2]。

有數(shù)據(jù)顯示，我國70%以上的油氣管道需穿越公路。2015年交通運(yùn)輸部、國家能源局、國家安全監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于規(guī)范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知》，明確規(guī)定新建或改建油氣管道需要穿（跨）越既有公路的，宜選擇在非橋梁結(jié)構(gòu)的公路路基地段，采用埋設(shè)方式從路基下方穿越通過，或采用架設(shè)方式從公路上方跨越通過。并且油氣管道穿（跨）越公路前應(yīng)委托具有資質(zhì)的單位進(jìn)行安全技術(shù)評價(jià)，出具評價(jià)報(bào)告。政府公路管理部門組織公路行業(yè)專家評審?fù)ㄟ^后，才能批準(zhǔn)涉路工程的施工[3]。

交通運(yùn)輸部批準(zhǔn)實(shí)施的JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.5.6條規(guī)定“油氣輸送管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時，應(yīng)設(shè)置地下通道（涵）或套管”[4]。該規(guī)范2006版及JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》均有類似描述。

后工程實(shí)踐中逐漸出現(xiàn)了全套管和半套管2種定向鉆穿越等級公路的施工工藝。如2002年齊魯石化的青島天然氣管道工程采用定向鉆“管道+套管”的工藝[5]，中兵華錦集團(tuán)盤錦至營口輸油管道（DN500 mm原油管道和DN350 mm柴油管道）采用了短距離定向鉆套管穿越公路技術(shù)[6]，2018年浙江某天然氣管道工程定向鉆穿越高速公路時采用了全套管工藝（DN600 mm鋼套管）、某LNG接收站項(xiàng)目輸氣管線工程采用全套管穿越等級公路（DN1 400 mm）。

全套管工藝在回拖管外安裝一根等長、口徑略大的鋼制套管，施工中先回拖套管再回拖管道，或?qū)⒒赝瞎馨惭b到套管內(nèi)，再一起回拖。該工藝存在套管材料消耗量大、成本高、定向鉆鉆機(jī)功率要求大等缺點(diǎn)。半套管工藝只在前半段管道上安裝套管，即在穿越公路下方的管道上安裝套管，相比全套管工藝，半套管工藝可有效降低套管材料的消耗量和對鉆機(jī)功率的要求。但不論是全套管還是半套管，其工藝仍存在施工成本較大、依賴大功率鉆機(jī)、在長距離大口徑定向鉆中應(yīng)用困難等問題。

為改進(jìn)傳統(tǒng)全套管、半套管工藝，進(jìn)一步減小套管長度，降低鉆機(jī)功率、提高施工智能化與自動化水平、降低施工難度和施工成本。本文提出一種管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置的設(shè)想，該裝置在套管穿越等級公路時，在回拖孔中可通過遙控?cái)嚅_套管和管道之間的連接，套管長度僅延伸至道路路堤坡腳或排水溝外邊緣外2～5 m，從而大幅減小套管長度，降低施工成本和對鉆孔機(jī)的功率要求[7]。尚屬首創(chuàng)，適用于各種距離、各種口徑的定向鉆穿越等級公路，可用于油氣長輸管道和市政管道等套管穿越等級公路，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值、廣泛的應(yīng)用前景、重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 概述

管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置包括擴(kuò)孔器、連接頭、管道、套管、地下定位裝置、鎖緊機(jī)構(gòu)和地面遙控器，外形示意如圖1所示。

2 主要構(gòu)造及工作原理

2.1 主要構(gòu)造

擴(kuò)孔器、設(shè)置在擴(kuò)孔器上的連接頭、需要鋪設(shè)的管道、用于套在管道上的套管、設(shè)置在套管上的地下定位裝置、設(shè)置在管道上并能將套管鎖緊在管道上的鎖緊機(jī)構(gòu)和用于控制鎖緊機(jī)構(gòu)以松開套管的遙控器（圖2、圖3）。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)——限位機(jī)構(gòu)

限位機(jī)構(gòu)包括休息狀態(tài)（圖2）和限位狀態(tài)（圖4、圖5）。限位機(jī)構(gòu)處于休息狀態(tài)時，彎折板貼合在管道上，若干轉(zhuǎn)動板拼接形成錐形結(jié)構(gòu)，以減小套管前進(jìn)時的阻力，滑塊設(shè)置在防滑機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動板的一側(cè)；限位機(jī)構(gòu)處于限位狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動板遠(yuǎn)離套管的一端分散打開，彎折板嵌入回拖孔的孔壁，滑塊位于防滑機(jī)構(gòu)上（圖4），防滑機(jī)構(gòu)防止滑塊背向轉(zhuǎn)動板運(yùn)動，以防止轉(zhuǎn)動板合攏。

2.3 工作原理

第一步，將鉆頭安裝在鉆桿的端部，利用鉆頭在地下鉆出一個導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔從等級公路下方經(jīng)過。

第二步，鉆頭鉆至地面后，將鉆頭從鉆桿上拆下，并安裝擴(kuò)孔器，管道的一端通過連接頭和擴(kuò)孔器連接，管道靠近連接頭的一端加設(shè)套管，鎖緊機(jī)構(gòu)將套管鎖緊在管道上。

第三步，鉆機(jī)本體回拖鉆桿，擴(kuò)孔器沿導(dǎo)向孔運(yùn)動并對導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，導(dǎo)向孔擴(kuò)孔后形成回拖孔，管道和套管隨擴(kuò)孔器前進(jìn)并進(jìn)入回拖孔中，地面的施工人員通過地下定位裝置定位套管在地下的位置。

第四步，當(dāng)套管到達(dá)等級公路下方時，地面的施工人員通過遙控器控制鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)放開套管，套管被滯留在等級公路下方，發(fā)揮保護(hù)管道的作用。

第五步，鉆機(jī)本體繼續(xù)回拖鉆桿，直至擴(kuò)孔器和管道的端部到達(dá)地面（圖6）。

第六步，將鎖緊機(jī)構(gòu)從管道上拆下來，將管道和連接頭脫開。

2.4 其他補(bǔ)充說明

根據(jù)規(guī)范要求，套管端部伸出等級公路的路堤坡腳、排水溝外邊緣需要大于等于2 m，考慮到誤差問題，可以適當(dāng)增加套管長度，控制伸出邊緣5 m左右。

套管上設(shè)置有若干鎖孔，鎖緊機(jī)構(gòu)包括套設(shè)置在管道的底座上，底座的外側(cè)轉(zhuǎn)動連接有若干滾珠，底座的外側(cè)設(shè)置有若干可插入鎖孔的插銷，底座內(nèi)安裝有用于驅(qū)動插銷沿底座徑向運(yùn)動的第一驅(qū)動缸，以使插銷插入鎖孔或從鎖孔中拔出；套管鎖緊在管道上時，底座位于套管和管道之間，滾珠和套管內(nèi)壁抵接，插銷插入鎖孔；插銷從鎖孔中拔出時，鎖緊機(jī)構(gòu)放開套管，套管和管道之間可相對運(yùn)動。

第四步中，當(dāng)限位機(jī)構(gòu)處于限位狀態(tài)時，管道在繼續(xù)前進(jìn)時萬一碰到滾輪，會使?jié)L輪受力后彎折板會更加嵌入導(dǎo)向孔的孔壁上，增加套管的穩(wěn)定性；另外，滾輪可減小管道的摩擦力，從而防止管道帶動套管運(yùn)動。

在鎖緊機(jī)構(gòu)剛開套管前，驅(qū)動機(jī)構(gòu)打開轉(zhuǎn)動板，使得彎折板嵌入導(dǎo)向孔的孔壁，彎折板類似于倒刺，防止后續(xù)運(yùn)動的管道帶動套管繼續(xù)前進(jìn)。在轉(zhuǎn)動板向外轉(zhuǎn)動的過程中，轉(zhuǎn)動板通過第二支撐桿、第一支撐桿帶動滑塊向防滑機(jī)構(gòu)運(yùn)動，當(dāng)彎折板嵌入導(dǎo)向孔的孔壁后，滑塊運(yùn)動至防滑機(jī)構(gòu)，防滑機(jī)構(gòu)和滑塊配合，防止滑塊回退而轉(zhuǎn)動板合攏。另外，當(dāng)管道繼續(xù)前進(jìn)時，底座慢慢離開管道，軌道、滑塊第一支撐桿、第二支撐桿從避讓槽經(jīng)過，從而使得底座順利離開套管。底座通過螺栓和管道可拆卸連接，方便將鎖緊機(jī)構(gòu)從管道上拆下。

3 全自動解鎖裝置經(jīng)濟(jì)性分析

以某LNG接收站項(xiàng)目輸氣管線工程定向鉆穿越等級公路為例測算。項(xiàng)目特征：穿越處天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，主管管徑為Φ1 016 mm，壁厚26.2 mm，L485M PSL2 SAWL直縫埋弧焊鋼管，防腐層采用常溫加強(qiáng)級3PE防腐+環(huán)氧玻璃鋼外防護(hù)層，光纜套管穿越采用Φ114 mm×6 mm鍍鋅鋼管，套管管徑為Φ1 420 mm，壁厚16 mm，Q235B鋼管。定向鉆管線曲率半徑1 500 D，入土角8°，出土角6°，水平長度663 m，穿越深度21.2 m，淤泥土為主。

通過費(fèi)用測算（表1）可以看出，采用自動解鎖工藝比全套管工藝可節(jié)省投資約454萬元，套管管材費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、組裝焊接費(fèi)和定向鉆穿越費(fèi)用均會有明顯下降。

同時，對其他各種規(guī)格天然氣管道的全套管工藝與自動解鎖工藝的成本進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

由表2、圖7可知，隨著天然氣管道管徑的增大，自動解鎖工藝較全套管工藝的總投資節(jié)省費(fèi)用也隨之增加，尤其是DN400 mm管徑以上天然氣管道尤其明顯。同樣，自動解鎖工藝較全套管工藝的每米節(jié)省造價(jià)也隨著管徑增大而明顯增加。

另同一規(guī)格的管道定向鉆穿越等級公路，定向鉆長度越長，自動解鎖工藝的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢就越突出：以管徑DN400 mm天然氣管道定向鉆穿越等級公路為例進(jìn)行分析，在穿越長度為420 m時，全自動解鎖工藝較全套管工藝可節(jié)省造價(jià)約55萬元，在穿越長度為1 620 m時，可節(jié)省造價(jià)223萬元（圖8）。

4 市場分析

近幾年，浙江省內(nèi)管道定向鉆穿越等級公路采用套管的應(yīng)用案列較多，如某LNG輸氣管線工程（DN1000天然氣管道）及某企業(yè)的城市燃?xì)夤艿赖?。某企業(yè)城市燃?xì)夤艿涝?022—2023年定向鉆穿越等級公路共計(jì)146處（表3），且未來2年計(jì)劃穿越200處以上。

該企業(yè)定向鉆穿越等級公路應(yīng)用較多的管道規(guī)格為De250 mm和De315 mm占54%，De250 mm/De315 mm每條至少可節(jié)省18萬元/25萬元，結(jié)合該企業(yè)未來2年計(jì)劃，自動解鎖裝置收益較明顯。

由上分析，管道定向鉆穿越等級公路較為常見，因此套管全自動解鎖裝備有廣泛的應(yīng)用市場，且經(jīng)濟(jì)效益明顯，尤其在長距離、大管徑管道穿越中。如DN800 mm管徑定向鉆（最短情況下）每條可節(jié)省造價(jià)267萬元，按照30%比列分成，做3條即收回投入成本，De315 mm管徑定向鉆（最短情況下）每條可節(jié)省造價(jià)25萬元，按照30%比列分成，約做30條即可收回投入成本。因此，從目前市場的體量和效益來看，管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝備的研發(fā)是有意義的，且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這在大口徑管道中尤其明顯。

5 主要難點(diǎn)

由于定向鉆穿越等級公路深度較深，一般的遙控技術(shù)難以保證深地層信號的穩(wěn)定性，需要研發(fā)電磁屏蔽狹長空間和復(fù)雜埋地環(huán)境、遠(yuǎn)距離快響應(yīng)套管與管道遙控可靠分離技術(shù)。

需要考慮各種不同地質(zhì)、不同管徑、橢圓度超標(biāo)等情況下，解鎖裝置的適應(yīng)性和可靠性運(yùn)行。

6 下一步計(jì)劃

利用有限元仿真軟件，分析解鎖裝備鎖緊機(jī)構(gòu)在大載荷服役條件下的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性情況，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在不同復(fù)雜埋地環(huán)境條件下，研究開發(fā)具有遠(yuǎn)距離、快響應(yīng)能力的高可靠性電子遙控分離技術(shù)；研究設(shè)計(jì)套管快速止動裝置和安全止動控制技術(shù)，確保解鎖裝備與管道分離后套管精準(zhǔn)落位；集成上述關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)基于參數(shù)化的回拖可視化三維仿真模擬平臺。

在滿足總體設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，基于上述關(guān)鍵技術(shù)，完善解鎖裝備各功能部件設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具繪制機(jī)械和電路工程圖紙，完成機(jī)械、電子部件的加工、性能測試和調(diào)試，完成樣機(jī)試制；按照定向鉆穿越等級公路實(shí)際場景，搭建解鎖裝備擬實(shí)工況性能測試平臺，開展性能測試試驗(yàn)，針對試驗(yàn)過程中存在的機(jī)械或電子故障問題，對樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化升級。

在解鎖裝備擬實(shí)工況試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)達(dá)成的條件下，基于某定向鉆穿越等級公路具體工程，開展解鎖裝備示范應(yīng)用，并對經(jīng)濟(jì)投入、裝備使用性能、工程質(zhì)量等方面進(jìn)行分析評價(jià)。

7 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置可明顯減低施工的成本，經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著。管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝備有利于建設(shè)單位降低投資成本，加快項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，能帶來可觀的效益，對于管道施工單位而言甚至有可能降低施工方的利潤，因此，全自動解鎖裝置的推廣應(yīng)用合作主體為建設(shè)單位。

根據(jù)國家管網(wǎng)規(guī)劃，還有大量的天然氣管線需要建設(shè)，同時隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、規(guī)劃調(diào)整等因素，改線工程也屢見不鮮，因此，本裝置具有較為廣闊的應(yīng)用市場。

全自動解鎖裝置突破了天然氣等管線定向穿越等級公路的限制，隨著成本降低，定向鉆穿路工藝會越來越受建設(shè)單位青睞。

本裝置不僅適用于天然氣管道工程，也適用于其他管道穿越工程，可有效解決管道穿越公路整體壁厚增加的問題，從而降低用戶成本。

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