PE实壁管水平定向钻回拖力计算公式的比选

陈 伟 罗雪萍

(1.台州市城乡规划设计研究院,浙江 台州 318000； 2.台州市城市建设投资集团有限公司，浙江 台州 318000)

PE实壁管水平定向钻回拖力计算公式的比选

陈 伟1罗雪萍2

(1.台州市城乡规划设计研究院,浙江 台州 318000； 2.台州市城市建设投资集团有限公司，浙江 台州 318000)

PE实壁管因耐腐性、接头可融接、韧性好等特性，较多运用于水平定向钻进，其回拖力计算方法较多，计算结果也相差较大。针对这一问题，对《给水排水管道工程施工及验收条文规范》《油气输送管道穿越工程设计规范》和《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》等规范、文献中的4种计算公式：摩擦力法、净浮力法、土压力法、ASTM法进行了比较、计算分析，并结合台州当地实际工程实例，选择适合实际的公式，并提出了改进建议，能够更好的对工程进行监控，以使管道穿越工作更加安全、可靠。

PE实壁管，水平定向钻，回拖力

0 引言

水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。

浙江省加快美丽乡村建设，2013年率先提出了“五水共治”，即治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水。五水共治，治污先行。其中全面治理农村生活污水，是治污水的重点和难点。在农村污水治理中，PE实壁管因耐腐性、接头可融接、韧性好等特性，较多运用于水平定向钻进，最大限度的减少对居民正常生活和工作的影响，减小对环境的破坏。

现行多本规范中提供了水平定向钻回拖力计算公式，本文对各计算公式进行了计算对比，结合工程实际，最终选择适合台州软土地质的计算方法。

1 回拖力计算公式

管道牵引过程中受力复杂，且土的性质较难模拟，因此也很难有一个跟工程现状吻合的、具有普遍适用性的力学公式。

现行规范中，采用不同的受力模型，回拖力的计算公式也有不同。

1.1摩擦力计算法

GB 50268—2008给水排水管道工程施工及验收条文规范[1]和上海《排水管道定向钻进敷设施工及验收技术规范(试行)》采用摩擦力计算法，摩擦力主要分为管外壁周围摩擦阻力和扩孔钻头迎面阻力。

该公式计算简单、方便。单位摩阻力为经验值，取值波动大，而且施工技术水平的高低对摩阻力影响很大。

P=P1+PF

(1)

(2)

P1=πD0Lf1

(3)

式中：P——总回拖阻力,kN；

PF——扩孔钻头迎面阻力,kN；

P1——管外壁周围摩阻力,kN；

Dk——扩孔钻头外径,m；

D0——管节外径，m；

Ra——迎面土挤压力,一般情况下黏性土50 kN/m2～60 kN/m2，沙性土80 kN/m2～100 kN/m2；

L——回拖管道总长,m；

f1——管节外壁单位面积的平均摩阻力，黏性土0.3 kN/m2～0.4 kN/m2，沙性土0.5 kN/m2～0.7 kN/m2。

1.2净浮力计算法

GB 50423—2007油气输送管道穿越工程设计规范[2]和CECS 382—2014水平定向钻法管道穿越工程技术规程[3]采用净浮力计算法，认为进入钻孔内的管道主要受到浮力与管道自重差值引起的摩阻力、泥浆的粘滞力。

(4)

式中：T——总回拖阻力,kN；

L——回拖管道总长,m；

f1——摩擦系数，一般取0.1～0.3。

D0——管道外径,m；

D——管道内径,m；

t——管道壁厚,m；

γm——钻孔泥浆的重度,kN/m3；

γp——管材的重度,kN/m3；

ωw——进行浮力控制时单位长度管道的配重量,kN/m；

K——泥浆的粘滞系数，取0.15 kN/m2～0.35 kN/m2。

1.3土压力计算法

曹苏军[4]对土压力法进行了分析和简化，具体详见《多管组合穿越回拖力计算方法分析》，其公式适用于孔道内塌方严重的情况下使用。

T=[2P(1+Ka)+P0]feL

(5)

式中：T——总回拖阻力,kN；

Ka——主动土压力系数，一般取0.3；

L——回拖管道总长,m；

fe——摩擦系数，一般取0.1～0.3;

P——单位长度管段所受土压力，kN/m;

P0——单位长度穿越管段自重，kN/m。

简化得：

(6)

1.4ASTM计算法

CECS 382—2014水平定向钻法管道穿越工程技术规程中塑料管回拖力计算公式参考美国ASTM标准F1962—11大型水平定向钻进穿越障碍物(包括河流)敷设聚乙烯管道或导管技术指南[5]，并进行了优化，管道回拖必须要克服管道与孔壁的摩擦力、弯曲孔段中回拖管道增加的摩擦力等，取消了在钻进泥浆中回拖管道产生的粘滞阻力。

对于无水平方向弯曲的钻孔，采用递推关系估算回拖力。

典型钻孔轨迹简化示意图见图1。

TA=efgβfgωP(L1+L2+L3+L4)

(7)

TB=efhβ(TA+fh∣ωf∣L2+ωfH-fgωPL2efgβ)

(8)

TC=TB+fh∣ωf∣L3+efhβ(fgωPL3efgβ)

(9)

TD=efhα[TC+fh∣ωf∣L4-ωfH-efhβ(fgωPL4efgβ)]

(10)

式中：TA～TD——A～D点处管道所受回拖力,kN；

L1——焊接和热收缩而增加的长度,m；

L2——入土端曲线段的水平长度,m；

L3——最大埋深水平延伸距离,m；

L4——出土端曲线段的水平长度,m；

H——管道埋深,m；

fh——管道与钻孔孔壁摩擦系数，一般取0.1～0.3；

fg——管道与地面摩擦系数，一般取0.1～0.3；

ωP——单位长度管道重力,kN/m；

ωf——单位长度管道所受净浮力,kN/m；

α——入土角,rad；

β——出土角,rad。

2 管材最大承重力

管道在回拖施工时，管材所能承受的最大回拖力可按下式计算：

(11)

其中，N为安全系数，给排水管道、通信取2.0。

3 不同计算模型比较与分析

3.1回拖力组成及计算

以上几种计算法回拖力由摩阻力、端阻力、粘滞力等组成，如表1所示。

表1 回拖力组成

现采用PE实壁管(PE100，1.0 MPa)，对水平定向钻常用管径进行最大回拖力和最大牵引长度计算。管材屈服强度取18 MPa，安全系数2.0，摩擦系数(摩阻力)0.3 kN/m2，泥浆粘滞系数0.2，入土角10°，出土角8°，管道埋深6 m，计算结果见表2。

表2 回拖力和牵引长度计算

由表2可以看出：1)回拖力随管径加大而增加；2)摩擦力法和净浮力法的最大牵引长度与管径成正比，土压力法和ASTM法最大牵引长度与管径无关。

3.2DN400管受力计算

对四种水平定向钻计算法，采用DN400管进行牵引长度和回拖力计算，其关系如图2所示。

从图2可以看出：1)各计算公式的牵引长度与牵引力基本呈线性关系；2)回拖力值：净浮力法>摩擦力法>土压力法；3)ASTM法初始回拖力较大，为管道与地面的摩擦力，其摩擦力随牵引长度增长最慢。

3.3比较与分析

从计算公式及计算结果可以看出：

1)摩擦力法，是通过实践摸索和工程总结的经验公式，回拖力主要分为管外壁周围摩擦阻力和扩孔钻头迎面阻力。不足之处在于认为整个管壁完全与孔壁接触。

2)净浮力法，回拖力主要依据管段在泥浆中的浮力扣除自重后产生的摩擦力，再加上拖管前进时管段在泥浆中的粘滞力。该公式主要用于钢管等大型工程，计算结果偏保守，本次计算仅将材料密度改为塑料。

3)土压力法，适用于孔道内土塌方严重的情况，曹苏军对公式进行了简化。但从计算结构来看，同样距离回拖力最小，理论上孔道塌孔回拖力将急剧增大，因此该公式还需优化。

4)ASTM法，管道回拖必须克服管道与孔壁和地面(或滚筒)间的摩擦力、弯曲段中增加的管道摩擦力和泥浆中回拖管道产生的粘滞阻力等，充分考虑了钻孔轨迹的造斜段，最大回拖力通常在管道接近出口时出现。

4 结语

在台州污水治理工程实际中，DN315～ DN500的PE100管最大牵引长度为300多米。水平定向钻施工中不乏管道变扁、拉断现象，为了能够更好的对工程进行监控，以使管道穿越工作更加安全、可靠，结合以上各公式的计算分析，得出以下结论与建议：

1)回拖力计算公式中，大部分涉及到经验参数，尤其是摩擦力，对计算结果影响较大。合理的确定这些参数，以减少理论计算误差。

2)根据计算结果与实际工程经验，PE实壁管水平定向钻，推荐《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》规程中的ASTM计算法乘计算回拖力。

3)回拖力计算模型基本是假设钻孔完整的情况下，实际施工中，会出现塌孔或某些意外情况，导致回拖力增加。因此计算回拖长度时，建议乘以安全系数0.5。

[1] GB 50268—2008,给水排水管道工程施工及验收条文规范[S].

[2] GB 50423—2007,油气输送管道穿越工程设计规范[S].

[3] CECS 382—2014,水平定向钻法管道穿越工程技术规程[S].

[4] 曹苏军，艾志久,孔娜娜,等.多管组合穿越回拖力计算方法分析[J].给水排水,2009(35):105-107.

[5] ASTM F 1960，Standard guide for use of maxi-horizontal directional drilling for placement of polyethylene pipe or conduit under obstacles,including river crossings[S].

ComparisonandselectionofcalculationformulasforhorizontaldirectionaldrillingpullingforceofPEsolidwallpipes

ChenWei1LuoXueping2

(1.TaizhouUrbanandRuralPlanning&DesignandResearchInstitute,Taizhou318000,China; 2.TaizhouUrbanConstructionInvestmentGroupCo.,Ltd,Taizhou318000,China)

PE solid wall pipes which are more application in horizontal directional drilling for its corrosion resistance, joint connection and good toughness, have more methods of calculating the pulling force of PE pipes, while the results are different. To solve this problem, the article makes a comparison, calculation and analysis of four calculation methods of friction, net buoyancy, soil pressure, ASTM in the literature likeCodeforConstructionandAcceptanceofWaterandSeweragePipelineWorks,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineeringandTechnicalSpecificationforPipelineCrossingbyHorizontalDirectionalDrillingand etc., and it also combines with local practical case in Taizhou to choose the appropriate formula recommends improvements to monitor better for the project so that pipeline crossing will be more safe and reliable.

PE solid wall pipes, horizontal directional drilling, pulling force

1009-6825(2017)32-0102-03

2017-09-01

陈 伟(1986- )，男，硕士，工程师; 罗雪萍(1971- )，女，硕士，教授级高级工程师，国家一级注册结构工程师

TU990.3

A