杨伟胜
江苏环宇建设工程有限公司,中国·江苏 苏州 215699
天然气管道;大开挖河道;浮力;配重;预制安装
在天然气长输管线施工中,经常性要大开挖穿越河道,特别在南方地区,大部分河道淤积着厚厚的淤泥,管道开挖敷设时,因敷设管道受到淤泥的浮力和其他外力的作用,使敷设完毕的管道重新上浮,达不到管道敷设的埋深要求,留下事故隐患。轻则在施工期间发现此情况,重新进行开挖敷设,增加施工成本;较严重情况下,在天然气投产时发现此隐患,并进行返工作业,综合成本很大;最严重情况下,天然气管受水流的冲刷而出现移位变形,直至断裂和爆炸,可能酿成无法估量的损失。
因此,对于天然气管道大开挖穿越河道时,施工单位应计算淤泥对管道产生的浮力,并综合分析管道自身的重量、河道水文、地形地貌等情况,采取适当的配重方式,按要求进行预制和安装配重。
天然气管道在穿越河道时,在施工过程中、施工完毕以及投产后均会出现管道上浮的现象,究其上浮的原因,是物体在液体中受到的上下压力差,只不过这个液体是有一定流塑性的淤泥。其本质还是遵循阿基米德浮力定律(指:浸在流体里的物体受到向上的浮力,其受力大小等于物体排开的流体所的受重力),计算公式是:
F:管道所受的浮力,单位牛;
ρ:所在液体的密度;
g:重力加速度;
V:管道排开流体的体积
天然气管道大开挖穿越河道时,管道敷设在淤泥中,受到淤泥的浮力,其大小计算如下。
要计算管道敷设在淤泥中所受的浮力,必须知道淤泥的密度,在施工现场可采用一种简单且方便的方法来粗略计算淤泥密度:
①样本选择:因淤泥所含砂粒、腐殖物、含水率等不同,其密度差别也比较大。因此,要测定天然气管道敷设处的淤泥密度,一般来说,根据河道的实际情况,在两侧选取不同点(至少3 点以上),进行人工开挖取样坑,开挖的深度大约在1.2m 左右,取样时要及时。
②称重:用预先准备好的250mL 的矿泉水瓶,分别在取样坑中取土,装入矿泉水瓶中,直至装满,然后根据不同的取样点进行标识;用瓶盖密封后对取样物进行称重,并作好记录。
③测定:根据各瓶的取样物的实际重量(塑料空瓶本身的重量可以忽略),然后计算各瓶的中淤泥密度ρ1=G/V,G为重量Kg,V=250mL(即矿泉水瓶的体积)。后对各组的淤泥密度作算术平均,测算出河道中管道敷设段的淤泥平均密度。
计算管道本身的重量时,因管道内的介质为天然气,介质的重量一般不予考虑,只考虑钢管以及其外侧防腐层的重量,计算如下:
2.2.1 没有防腐时预制管道重量(G1)
G1:穿越段管道重量,单位为t;
L:穿越段管道长度,单位m;
φ:管道外径,单位为mm;
δ:管道壁厚,单位为mm;
2.2.2 预制管道3PE(加强级)防腐层重量(G2)
G2:穿越段管道3PE 的防腐层重量,单位为t;
L:穿越段管道长度,单位m;
φ:天然气管道外径,单位为mm;
μ:防腐管道的防腐层厚度,单位为mm;
ρ2:3PE 防腐层的密度,单位为t/m3,高密度聚乙烯的密度为0.94t/m3;
2.2.2 预制管道的总重量:
G3:穿越段管道名义总重量,单位为t(为计算方便);
作者简介:林海纯,女,深圳市龙华区柏克莱幼儿园,幼儿园一级教师,深圳市南山区优秀班主任,本科学历,研究方向:快乐教学、幼儿园教育。
ξ:挠动的经验系数,即在天然气管道投产后,因天然气在管道内流速快,对管道弯头冲击,使管道产生一定幅度的振动,在淤泥地质下,而产的一种向上的提升力,在0.85 ~0.9之间。
F1 为所受的浮力,单位t;
ρ1 为淤泥的平均密度,单位t/m3。
(注:前述的F=ρgV 中的浮力F 单位为牛)
在计算出大开挖穿越河道敷设段管道本身的重量和其所受的浮力后,两者之间所存在的差值就是需要增加的配重。但管道的配重并不是越大越好,如配重过大则管道所受的向下的应力过大,在此力的长期作用下,导致管道不断下沉,局部应力增加,可能会导致焊接处产生裂纹,发生严重危险,如配重不够,安装后管道就有可能上浮,导致敷设深度不够,易受其它外力的破坏。所以管道敷设后所受的向上和向下的力要基本平衡,要达到这种较为稳定的状态,则要根据河道具体的情况、施工难易等综合因素来考虑[1]。
采用混凝土配重块的方式来设置,这是最简单的一种配置方式,主要适用于所开挖的河道水流平缓,无冲刷或冲刷线较浅,水流对管道敷设层的淤泥不会产生影响,或者说,敷设后的管道只受上下的力,基本上不会受左右两侧的外力。
这种配重安装方式,必须将大开挖敷设段的管沟积水抽干,才能进行配重块的敷设。
混凝土配重块的样式有装配式和马球鞍式,一般设计院均有标准的图样,不同规格的配重块具有不同技术参数。目前,应用最多是马鞍式配重块,现以的管径为Φ457 的马鞍式配重块为例,说明其样式、技术参数和图如下:
在空气中每块的重量为1000Kg/块,而在水中每583Kg/块,每块的体约0.417m3。
图1 中石油西南管道设计院马鞍式配重块标准图
配重块设置数量计算:K=(F1-G3)/F2;(K 单位为只或个);
配重块设置的间距:λ=m/L(λ 为配重块设置间距,单位m;L 为管道敷设长度,单位m)
平衡压袋的使用环境与混凝土压重块相近,其受力和使用量的计算方式也与压重块相近,但与压重块相比的优缺点如下。
3.2.1 优点
①搬运方便:用混凝土配重块,需在预制场预制,再搬运到现场,搬运成本高。而平衡压袋主要在现场填装、安装的吊装。
②取材方便:填充料可就地挖取当地的沙砾为主料,取材较为方便。
③施工周期短:混凝土压重块预制需要长时间的制作过程、养护等多个工序,施工周期较长;而平衡压袋相对工序少,施工周期短。
④配重调整方便:每组浮力平衡压袋有许多小袋,调整小袋的数量从面调整配重。
3.2.2 缺点
①配重的设置不够精确:因浮力平衡压袋需要现场填装,所用填装材料密度、填装的饱满度对配重的重量均有较大影响,而平衡压袋的体积也较难精确计算,造成浮力平衡压袋的浮力计算误差较大;造成有时会出现即使满铺后,仍有出现管道上浮现象。
②敷设环境:平衡压袋采用聚丙烯纤维制作而成,不适合铺设在带尖锐物的泥泽里,易被刺穿造成漏料。
这种管道配重的方式比较特别,不如混凝土配重块和浮力平衡压袋使用那么广泛,但当须大开挖穿越的河道无法断流、水流湍急、河道的冲刷线较深或管道敷设后易受其他外力损伤,在这种情况下,无法用安装混凝土压重块或浮力平衡压袋,只能采用混凝土包覆式配重方式敷设管道。
这种混凝土配重采用连续性,在管道防腐层外侧全部包覆混凝土,混凝土层既作为配重也同时管道进行保护。
这种配重计算、预制和安装比较复杂,为便于说明,举例计算如下:
某工程中天然气管道管道穿越一种河道,管道规格为φ660*15.7mm(外径φ660,管壁厚δ=15.7mm);穿越段长为L=32m,3PE 的防腐厚度δ=3.5mm,3PE 的密度ρ2=0.94(按高密度聚乙烯),挠动系数ξ=0.88,防腐层外再包裹2层10mm 厚的橡胶皮,经现场测定管道敷设区域的淤泥平均密度为1.19t/m3。
3.3.1 管道(包括外层的3PE 防腐层)的自重
①管道钢材重量
②管道防腐层重量
③管道外包裹橡胶皮重量
④修正后的自重
3.3.2 混凝土配重的重量(φ 为管道外侧包覆混凝土后的直径,以包覆100mm 厚混凝土厚近似计算)
①混凝土包覆层配重的重量
φ4为包裹温凝土层后的直径,根据计算φ4=700m=0.7m;混凝土采用C30,其密度取ρ3=2.2t/m3;δ1=100mm
②包覆混凝土后管道重量总重量
3.3.3 管道所受的淤泥浮力
从计算结果来看:G5/F1=1.072,根据施工的实际情况,现场施工过程可作一些细微的调整(为混凝土浇筑方便,截掉上部50mm 左右,如下截面图),从而达到敷设管线自重和浮力相对的平衡。
当选择的混凝土厚度在计算后,达不到基本平衡的要求,则重新选一个计算厚度,再进行计算,直到达到管道加配重后的自身重量稍大于浮力的5 ~10%为宜。
根据以上的计算,说明选择100mm 厚的混凝土保护层是可行的,但为了从顶部浇筑土,须切除顶部的部分钢(截面图如图2所示),有以下两种情况可供考虑。
①如果考虑到配重的重量略少,可以混凝土脱模后,重新修补切除部分;
②如果考虑配重略大,则不必修补初切除部分,或稍增加切割部分的混凝土量;
图2 截面示图
混凝土配重块的预制较为简单,根据设计的图纸制作模具,然后按图进行钢筋的制作和安装,接着进行混凝土浇筑,最后为拆模和养护,在这里不作详细的说明。
混凝土配重块安装也比较容易,将预制好的配重块用搬运到施工现场,在天然气管道上标出安装配重块的位置,并包裹一层橡胶皮,再利用挖掘机等机械安装配重块即可,在此不作细述。
浮力平衡压袋安装技术目前也比较成熟,将粗砂用车辆运送到施工现场,然后进行填装,再用手动缝纫工具进行封口,最后将浮力平衡压袋根据预先计算好的位置安装即可,在这里不作细述。
此种配重安装的方式比较特殊,预制时工序比较繁琐,以上述某工程穿越河道为例,管道规格为φ660⋆15.7mm;穿越段长为L=32m,预制要点说明如下。
4.3.1 混凝土包覆结构
图3 管道保护截面图
4.3.2 管道混凝土保护层安装
①管道混凝土安装的程序
②混凝土模子制作
模子制作图如下所示:
混凝的模子采用φ920×8 螺旋管(Q235)制作,长度12m,分成2 节,每节6 米,以方便拆卸和搬运;
模子分上下两部分,共3 个部分,3 个部分之间采取螺栓连接;为了保证管道重心不偏离和混凝土浇筑,模子上端削去一个小弧,去了弧长609mm,高部分度50mm;
模子的内壁涂上油,以方便模子的拆卸;
模子的一端分成梯形,以利于与下道进行搭接,保证混凝土保护层的整体性;
在模子拼装的接缝中,利用塑料薄膜粘贴,以防漏浆。
③外层包覆橡胶板
为加强对管道内的防腐层的保护,再在3PE 防腐层的外侧包裹两层δ=10mm 橡胶皮。
④包覆纤维网
在为增加混凝土的附着力,在橡胶皮的外侧缠绕一层纤维网。
加好纤维网后,再加φ800 左右的竹笼,以增加混凝土强度和塑性,并保证混凝土配重层的整体性,示图如下:
图4 模子截面示图
⑤下层混凝土浇筑
管道组对焊接防腐完毕后,安装下层的混凝土模子,为保证脱横的方便,在钢模下用木锲子进行锁紧。
在模子中灌注入混凝土,为了保证振捣过程中不损伤管道外的橡胶和防腐层,宜将振动泵放在模子的一侧。
⑥上部模子安装
在下层混凝土浇筑完毕后,再安装上部的钢模,并用螺栓锁紧。
利用上层模子上层的开口,将混凝土逐渐灌入,进行分批进行振捣。
⑦拆模、移位和安装
上下层的混凝土浇筑完毕后,并过24 小时左右,轻敲模子,拧开连接的螺栓,拆卸模子,进行下一下位置的浇筑。
将混凝土梯形端与下一道搭接,使保护层成为一体。
⑧管道安装时要求
管沟开挖要求:采用水上开挖、水下成沟的办法,水下管沟的宽度应比陆上管道宽2~3 倍。
预制管道下沟:因管道外包裹首混凝土,两者的韧性不相同,混凝土配重层韧性差易碎,因此需用多台起重机械起吊、搬运包裹着混凝土配重的预制管道;为保证顺利下沟必须要还开挖发送沟。每个吊点的间距不宜超过12m。
管道就位:预制管道在滑移或吊运到管位上方时,利用管道自身的重量安放到位,并进行相关数据的测量。
管沟回填:在各项测量数据均符合设计和施工验收规范的要求后,利用预制好的砂袋快速在管道上方回填一层,然后用水上挖掘机械将管沟充分回填。
在天然气长输管道施工过程中,选择大开挖穿越河道方案时,应充分对河道两侧的环境、水文、地质情况作深入的了解,综合考虑采用何种配重形式,测定淤泥的密度,计算管道所受的浮力,再进行配重的预制和安装,以保证天然气管道的敷设符合要求,保证天然气管道的安全。