大直径HDPE管道水下合龙对接施工中拉弧法工艺要点

曾凡，薛林虎

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

在HDPE管道的取排水工程应用中，为加快施工进度，一般选取陆上结构施工和海底管道安装同步进行的方式[1-2]，这就造成了最终合龙段[3-4]，其施工工艺和施工质量对整个项目影响重大，通常采用伸缩节工艺进行最终合龙段施工[1，5-7]，但由于价格昂贵，因此有必要开发一种替代工艺，从而节约项目成本、提高经济效益。本文首次提出了利用拉弧法工艺进行大直径HDPE管道最终合龙段水下安装，阐明了拉弧法工艺要点，并成功应用于沙特吉赞JIGCC取排水项目中。

1 拉弧法工艺

拉弧工艺是指合理加长管段长度，使其大于实际缺口长度，然后牵拉造弧，通过控制管段横向偏差来调整轴向长度，完成合龙段的水下安装。

拉弧法工艺的重点在于，在满足管段允许曲率半径要求的前提下，需要综合考虑施工误差、管道热胀冷缩效应和基槽平整度等所有不可控因素，合理确定管道焊接长度，满足合龙段“塞入”工艺的要求，完成最终合龙段的水下安装。

2 拉弧法工艺要点

拉弧法施工关键是确定合龙段焊接长度L，其由HDPE管道曲率半径以及横向允许误差控制，在管段弯弧程度及缩进距离上存在一定阈值，该阈值及管道因热胀冷缩导致的变形量为拉弧法中确定合龙段管道焊接长度的重要因素。

合龙段管道焊接长度L应为理论合龙长度La及富余焊接长度Lb之和，通过测量已沉放管段的对接端头获取La，监测确认陆上管道因温度导致胀缩的调整长度Lt及计算评估拉弧段允许回缩量ΔL来判断所需要焊接的富余长度Lb。

即：

以下将分别对理论合龙长度La和富余焊接长度Lb的影响因素和确定方法展开阐述。

2.1 理论合龙段缺口长度La

将辅助船舶定位于对接端位置，由潜水员在管头处固定测绳并监控测绳位置稳定后，引线至方驳，采用GPS测量测绳位置，可得到La。

2.2 胀缩调整长度Lt

胀缩调整长度指因管壁温度变化而造成的长度变化。需要在考虑理论变化长度的基础上[8]，结合实测数据予以确定。根据PE管材的线膨胀系数0.18 mm/（m·℃）求出管段理论变化长度。实测中，选取若干个热胀冷缩性能的监测点，利用全站仪测量监测点位置，并记录当时的管壁温度和气温，则可得到实测长度。二者相互修正，最终得到Lt。

2.3 拉弧段回缩量ΔL

2.3.1 工况考虑

由管道允许曲率半径确定允许最大拉弧段回缩量ΔLmax。允许曲率半径的取值分为两类工况：

一是管道以弧形摆位最终沉放，此为长期工况。将长期工况的最小曲率半径以及横向允许偏差作为已知限定条件可试算出相关的拉弧参数，包括弯弧管长L1、拉弧荷载F1和管端回缩量ΔL，此为管道拉弧对接完成后所能允许的最低条件。

二是短时间内对管道进行拉弧，此为短期工况。管道在满足最小曲率半径的情况下，管道长度相同，拉弧荷载F2越大，回缩量ΔL越多，则合龙段管道更容易塞入缺口内，以便解决管道拉弧时风浪等不确定因素导致的管道拉弧荷载不稳定或回缩不充分的问题。

针对两种不同的工况，分别进行数值分析，验证拉弧状态，并对管段的位移、强度进行分析和验算，再根据两种工况下的回缩量综合评估确定拉弧段回缩量ΔL。

2.3.2 计算方法

利用简支梁模型进行计算，分别在管长1/4处和3/4处添加荷载，利用试算法确定达到既定管段变形位移时所需的荷载数值。拉弧前的管段长度为L1，拉弧后沿管道轴线方向的投影长度为L1′，弯弧弦高即横向偏移误差为H，ΔL1为管段拉弧所产生的回缩量，即拉弧前后的管段长度差。见图1。

图1 拉弧原理示意图Fig.1 Sketch of arc-drawing method

以最小曲率半径以及横向允许偏差作为已知限定条件，可得：

带入式（3）简化可得：

根据式（6），可由管道允许曲率半径R以及横向偏移偏差H确定回缩量ΔL，而后进行强度验算，确保管段安全性。

3 工程应用

沙特吉赞JIGCC取排水工程HDPE管道包括6根内径3 000 mm的HDPE管，每根管由陆侧混凝土结构消能池向海侧延伸约2.5 km，陆上消能池结构与海侧HDPE管道同时施工，S1为最终合龙段，对S2管段进行拉弧，管道平面图见图2。

图2 沙特吉赞JIGCC取排水工程HDPE管道平面图Fig.2 Plan layout of HDPE pipeline of JIGCC seawater intake and drainage project in Jazan,Saudi Arabia

3.1 合龙段最终长度确定

3.1.1 合龙段缺口长度La

由2.1节方法，实测本工程理论合龙段缺口长度见表1。

表1 最终合龙段缺口长度统计Table 1 Summary of gap length of final closure section

3.1.2 胀缩调整长度Lt

考虑项目可供利用的船机资施工作业海域可利用的拉弧操作空间等因素，确定了S2管段的拉弧长度为189.802 m。在此条件下，根据理论计算值，焊接时与管道水下安装时管壁温差为6℃，则PE管材理论管长减小21 cm。现场实际监测结果显示管长减小约20 cm。这是因为管材受出运小车与轨道间摩擦力约束，而在水中无约束状态下会完全发挥其胀缩特性，会比由监测数据计算得到的安装管长稍微缩短一些。综合理论值与实测值，同时兼顾不可预测因素，最终确定温度变化而产生的Lt=25 cm。

3.1.3 拉弧段回缩量ΔL

1）长期工况

计算结果表明两处所加荷载值F1=13.1 t时，管段变形达到设定情况，管段回缩量ΔL=0.621 m，管段垂向位移H（即实际弦高）为3.513 m。在拉弧过程中，管段自身会产生弹性变形，但是因为该值较小，不会对最终实施效果产生实质影响。

2）短期工况

根据弯弧管长L1=189.802 m及50D（D为管道外径）的曲率半径进行弦高计算，最大弦高即管道拉弧的最大竖向位移为7.12 m。以现场15 t卷扬机为基准，分3种情况进行计算，见表2。

表2 短期工况下拉弧验算结果汇总表Table 2 Summary of arc-draiwng calculation results in short term

针对管道合龙对接后弧形摆位这种长期工况，管段S2弯弧管长为189.802 m，拉弧荷载为13.1 t，弯弧弦高为3.513 m，管端回缩量ΔL1为0.621 m，因此ΔL必须小于0.621 m才能满足对接沉放后弧形摆位所要求的横向偏移误差及曲率半径要求，ΔL取整数值为0.6 m。

3.1.4 管道焊接长度L

根据现场施工条件及短期工况3种荷载作用下的管道回缩量，现场施工可以满足17 t的作用荷载，可通过加载及卸载的方式提供约0.44 m的调节长度进行对接施工，且因水下温度较低导致冷缩形成的Lt=0.25 m，由公式Lb=Lt+ΔL计算，合龙段管道焊接富余长度Lb为0.85 m。

3.2 应用效果

本文结果成功应用于沙特吉赞JIGCC取排水工程中，共完成了6段合龙段对接施工，安装精度满足设计要求，合龙段安装完成后管道监测结果见表3。

表3 合龙段安装完成后管道监测数据分析表Table 3 Analysis of pipeline inspection data after completion of closure section installation

4 结语

阐述了拉弧法工艺要点，总结出的相关经验方法以及计算公式，为今后类似的大直径HDPE管道合龙对接提供了理论数据及施工参考。

本文研究成果成功应用于沙特吉赞JIGCC取排水项目中，比伸缩节合龙管道节约了近一半的费用，降低了成本。

拉弧法合龙施工所需船机设备较多、准备工作较为复杂等方面还需进一步研究及优化，这是今后在大直径深海HDPE管道施工中需重点优化的问题之一。