某气田地面建设工程中钢结构的应用与创新

李光文 邓君富 于 庆 刘 弄

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然气工程有限公司,四川 成都 610066;3.中国石油集团工程设计有限责任公司,北京 100085;4.成都东软学院,四川 成都 611844



某气田地面建设工程中钢结构的应用与创新

李光文1邓君富2于 庆3刘 弄4

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然气工程有限公司,四川 成都 610066;3.中国石油集团工程设计有限责任公司,北京 100085;4.成都东软学院,四川 成都 611844

钢结构广泛应用于天然气处理厂管架、轻钢结构建筑和河流跨越工程。某气田地面建设工程中天然气处理厂钢结构管架采用高强螺栓连接形成稳定的空间结构来代替传统焊接结构,天然气外输管道河流跨越采用悬臂桁架结构代替传统的简支钢桁架结构,是钢结构应用与创新的一次理论与实践的结合,开创了气田地面建设工程钢结构设计的新理念,技术方案可行，具有较好的经济效益和社会效益。

钢结构;螺栓连接;悬臂结构;应用;创新;气田地面建设

0 前言

钢结构是气田地面建设工程中的主要结构之一，在天然气处理厂管架、轻钢结构建筑和河流跨越工程中应用广泛。

某气田地面建设工程是中国石油集团公司目前在海外承建的最大天然气能源建设总承包项目,该气田属典型的“六高气田”[1],因此对设计和施工要求严格。该工程设计考虑到所在国的实际情况和项目特点,充分利用总承包的组织集成[2]优势,克服设计与施工分离造成的各种弊端,在满足气田生产运行需要和降低工程施工难度的前提下,以设计创新和优化钢结构作为突破口。创新优化后的钢结构设计主要以螺栓连接、悬臂结构替代传统的焊接连接[3]和简支钢桁架结构,成功地解决了施工技术要求高、作业劳动强度大、施工质量受环境影响大、高空作业安全风险高等施工难题。天然气处理厂钢结构管架采用高强螺栓连接后,实现了钢结构工厂化预制[4]和现场地面组装、整体吊装的作业方式。天然气外输管道河流跨越采用悬臂桁架结构后解决了传统跨越技术施工难度大、费用高等问题。本文针对该工程钢结构两种设计模式下的优缺点进行分析说明,为今后气田地面工程的钢结构设计和施工提供指导意义。

1 钢结构设计

1.1 高强螺栓连接设计

该工程钢结构总量约12 500 t,其中天然气处理厂约11 800 t。考虑所在国工业基础落后、施工技术人才匮乏、中方人员至现场困难等特点,总承包方多次组织钢结构设计优化专题会,最后决定工程所有钢结构均采用高强螺栓连接[5]替代焊接设计。高强螺栓连接设计[6]比焊接设计要求高,不仅要考虑荷载大小和构件截面尺寸等关系,还需考虑结构受力的合理性以及结构支撑系统与工艺管道在位置、标高上互相矛盾的问题。

为完成高强螺栓连接的设计任务,设计方组建专业技术团队对相关规范[7]进行研究,同时将钢结构厂房高强螺栓连接设计的成熟经验运用在管架结构设计中,并将气田管道生产运行时的相关参数、振动荷载等数据录入钢结构设计软件中,通过采用建立模型进行实际工况模拟,不断调整和优化结构设计,满足气田管道生产运行需要。

设计过程中还充分考虑到所在国标准注册困难等因素,对涉及的节点详图,不能直接引用标准图集,只能把工程涉及到的部分标准内容、节点详图等以设计文件的方式体现。

1.2 河流跨越结构设计

河流跨越是长输油气管道不可或缺的一部分,随着科学技术的发展,出现了大跨度悬索跨越[8]和非开挖定向钻[9]等新技术,但这类技术施工难度大、费用高。如何选择经济合理和施工难度相对低的跨越方案,也是本工程技术攻关的重点。根据该工程管道跨越河流的地质情况及河道管理部门对跨越提出的相关技术条件,设计人员秉着结构满足安全性、耐久性和适用性的原则,按照经济最优、施工难度最低的方案对管道跨越工程进行设计。通过多次方案比选、调整优化,最终方案为:跨越工程基础下部结构采用钢管桩[10]代替传统钢筋混凝土灌注桩[11],上部结构采用悬臂桁架[12]结构代替三角形截面的简支桁架[13]结构,河流漫滩地段采用简易钢结构,人行检修通道位于管道顶部。河流段跨越悬臂桁架结构见图1，漫滩段跨越结构见图2，悬臂桁架与简支桁架方案对比方案见表1。采用悬臂桁架结构方案创造了外输管道河流跨越[14]的新思路,值得在国内外大中型天然气管道河流跨越中推广应用。

图1 河流段跨越悬臂桁架结构

图2 漫滩段跨越结构

表1 悬臂桁架与简支桁架方案对比

对比指标悬臂桁架简支桁架河流段跨越长度(主跨)/m75×1680×15漫滩段跨越长度(次跨)/m50×1650×16桩基础(桩长均为40m)/根主跨钢管桩Φ1020×16,4根次跨钢管桩Φ1020×16,2根主跨灌注桩Φ1050mm,2根次跨灌注桩Φ1050mm,1根上部结构(主跨)30m悬臂桁架80m简支桁架钢结构用量/t2334.3831399.742混凝土用量/m3-4800工程费用/万元5617.47083.0工期/月810

2 钢结构施工

2.1 高强螺栓连接施工

该工程位于沙漠腹地,为减少钢结构焊接工作量,将焊接连接改为高强螺栓连接,采用高强螺栓连接后的钢结构实现了工业化生产的条件。

国内钢结构预制车间按照图纸完成下料并对构件进行统一编号,材料运输至现场后,现场人员根据编号与图纸进行核对,保证部件按要求分类堆放。

地面完成每榀钢结构组装后整体吊装,主结构安装完成后开始安装各支撑系统的连系梁结构，高强螺栓连接安装见图3。待整体安装形成后,立即对下部的基础进行二次灌浆[15]。

图3 高强螺栓连接安装

钢结构高强螺栓连接在天然气处理厂管架结构中初次采用,安装上应注意[16]:

1)高强螺栓穿孔应自由传入,不允许强制打入孔中或任意扩孔,螺栓传入方向应力求一致。

2)高强螺栓安装时,临时螺栓不得少于接头螺栓数量的1/3,且不得少于2个,但不得使用高强螺栓兼作临时螺栓,防止损伤高强螺栓引起扭距总数变化。

3)高强螺栓安装不得在雨雪天进行,被安装构件的摩擦面应处于干燥状态。

5)高强螺栓连接部位的附近,严禁随意动用气割、电焊等,当天安装高强螺栓,必须当天初拧完毕。

6)为使螺栓群中所有高强螺栓均匀受力,保证摩擦面摩擦系数,初拧和终拧必须按一定的顺序进行,一般高强螺栓群由中央向外拧紧,对于作业面狭小或受限空间的螺栓,采用专用终拧扳手紧固,也可用手动测力扳手进行终拧,并在高强螺栓上涂白漆以便检查。

7)每个钢框架高强螺栓安装紧固顺序:一般应从接头刚度大的地方向不受拘束的自由端顺序进行;或者从栓群中心向四周扩散方向进行。

高强螺栓连接的安装技术要求与焊接连接相比更低,采用的安装设备也简单,当地员工经过培训合格后即可上岗,实现了用工属地化,为气田的按期投产提供了有力保证。

2.2 河流跨越结构施工

该工程的河流跨越采用钢管桩悬臂梁结构,整个跨越工程的施工难度相比钢筋混凝土灌注桩简支桁架结构难度显著降低。首先，基础采用钢管桩降低了灌注桩在水中浇筑混凝土的问题;其次,单跨悬臂结构比单跨简支结构重量更轻,便于运输和吊装。

在施工过程中,根据河流地质情况和打桩深度选择合适的打桩船,根据GPS定位系统抛锚定位[17],将钢管桩通过运桩船运至施工地点,打桩船移至运桩船侧,通过船上打桩架设备完成钢管桩的初步就位,最后根据GPS数据精确定位,启动打桩程序,并记录桩顶标高和贯入度。远程打桩定位系统采用GPS静态技术确定基准点数据,GPS发射台基准站应建立在办公区域固定物体上,便于管理维护。打桩过程中应根据设计桩位图进行碰桩验算,避免打桩时碰桩。打桩完成后进行上部悬臂结构施工。

3 对比分析

3.1 钢结构高强螺栓连接与焊接连接

实践证明,钢结构高强螺栓连接取代焊接具有明显优势,具体对比见表2。

3.1.1 预制程度和施工效率

表2 钢结构高强螺栓连接和焊接对比表

对比指标高强螺栓连接焊接连接预制程度和施工效率高低劳动强度和安全风险低高施工机具及人员少多施工难度低高

高强螺栓连接采用特制的扳手扭螺帽[18],使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力,同时在预压力作用下,被连接件表面产生较大的摩擦力,当轴力小于摩擦力,构件便不会滑移,连接则不会受到破坏,这就是高强螺栓连接的原理。因此钢结构高强螺栓连接替代焊接方式后,不仅施工流程更简化,而且安装效率提高了2～3倍。

3.1.2 劳动强度和安全风险

焊接连接主要包括选料、下料、焊接、焊缝防腐等过程,现场工人的劳动强度大,效率低,且受自然环境影响较大；高强螺栓连接不仅施工效率高、劳动强度低,而且能保证施工现场的整洁,满足文明施工的要求。

随着新《安全生产法》的正式实施,安全生产被提高到了一个前所未有的高度,高强螺栓连接的钢结构大部分工作在地面完成,减少了高空作业的风险,降低了因焊接造成的职业伤害[19]。

3.1.3 施工机具及人员

焊接连接需大量的机械设备投入,如电焊机、发电机、焊条烘烤机、吊车等，同时需要大量的操作人员；而钢结构采用高强螺栓连接仅需要吊车和扭矩扳手即可,实现了机械设备和人员的简化,操作更方便。

综上所述,高强螺栓连接具有施工简单,受力性能好,安装拆卸方便以及在动力荷载作用下不致松动等优点,同时也能保证施工现场的安全文明施工[20]。

3.1.4 施工难度

焊接连接属于特种作业,对焊工技能要求较高,必须持证上岗,且受自然环境影响较大[21]；高强螺栓连接没有严格的技术条件限制,仅需满足扭矩值要求即可,且受环境影响较小,普通操作人员经过培训合格后即可上岗,螺栓连接还减少了对焊缝的无损检测和焊缝防腐[22]等工作。

3.2 悬臂桁架结构与简支钢桁架结构

在同一条件下,悬臂桁架结构与简支钢桁架结构相比,不仅在工程总造价上有明显地降低,而且施工难度更低,更易于保证工程施工质量。表3为本工程相同条件下采用不同方案得出的工程量对比值。

表3 悬臂桁架结构与简支钢桁架指标对比说明表

对比指标悬臂桁架结构简支钢桁架工程量/t费用/万元工程量费用/万元钢筋混凝土灌注桩004480m34838.4建筑钢筋00680t918.0钢管桩16123640.700上部钢结构7221326.71399t2570.7

由表3可见,悬臂桁架结构更具优势,该河流跨越工程采用悬臂桁架结构比采用简支钢桁架结构节约3 359.7万元。同时其水下基础部分也具有以下优势:

1)施工机具设备方面。钢管桩施工设备简单,仅需要打桩船和运桩船就可以完成基础施工；灌注桩基础施工需打桩船、钻孔机、混凝土搅拌设备、混凝土运输设备和浇筑设备。

2)施工质量方面。钢管桩施工质量更易控制,施工周期短；灌注桩施工过程中质量风险和施工难度更大,容易出现孔壁坍塌、钻孔偏斜、断桩等质量问题[23],混凝土水下施工质量很难保证,一旦出现质量问题很难处理。由于混凝土的自身特性决定了其施工周期较长。

3)安全文明方面。钢管桩施工能够保证现场的安全文明施工,施工过程中对周围环境基本无影响；钻孔灌注桩成孔过程中产生大量的泥浆,会对河道造成环境污染,需要进行处理，搅拌混凝土也影响现场的文明施工。

综上,天然气外输管道河流跨越钢结构悬臂桁架结构与简支钢桁架结构相比,造价低,易施工,更能保证施工质量和工期。同时上部结构的运输和吊装悬臂桁架结构比简支钢桁架更容易施工。

4 结论

天然气处理厂钢结构高强螺栓连接技术和天然气外输管道河流跨越悬臂桁架钢结构技术创新设计成果在某气田地面建设工程中得到了成功应用,保证了施工质量及进度,减少了高空作业的安全风险,提高了现场的安全文明施工程度和国际化的管理水平,是一次理论与实践结合的创新,开创了油气管道河流跨越结构设计的新理念,从施工方面来说不仅节约了工程成本,还缩短了施工周期。钢结构高强螺栓连接技术和河流跨越悬臂桁架结构技术创新设计成果为同类工程建设的设计和施工提供借鉴。

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2016-01-28

中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(S 2010-14 E)

李光文(1983-),男,陕西柞水人,工程师,学士,主要从事石油天然气地面工程的总图设计工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.019