混凝土加重稳管在管道穿越水域中的应用.docx

混凝土加重稳管在管道穿越水域中的应用王毓民3(四川石油管理局勘察设计研究院)摘要简要介绍了油气管道穿越水域工程, 混凝土加重稳管的几种主要形式。预制混凝土马鞍加重块, 现浇混凝土加重, 预制混凝土连续覆盖层加重, 装配式混凝 土加重块的主要优缺点, 适用条件, 运用应注意的问题。主题词管道穿越混凝土- 加重材料应用设计必须进行抗漂浮的核算, 其公式为:w k f s式 中: w 单位长度管段的总重力 ( 包括 钢管自重、防腐绝缘层重、加重 层重、管内介质重) , n m ;f s 单位长度管段的静水浮力 ( 包 括管段外壁的防腐绝缘层、加重层最大外形尺寸引起的静水浮力) , n m ;k 抗漂浮安全系 数, 对 大 型 穿 越 工程 k 1. 3, 对中型穿越工程k 1. 2, 对小型穿越工程 k 111。 管道穿越江河湖泊的加重稳管形式是多种多样的。主要有: 加厚管道壁厚即厚壁管加重; 大口径管套较小口径管, 其环形空间充注 水泥浆的复壁管加重; 压放钢筋铁丝石笼加重; 压放废钢锭或铸铁块加重; 压放预制混凝土马鞍块加重; 现浇混凝土加重; 预制混凝土 连续覆盖层加重; 预制装配式混凝土加重块 连续覆盖层加重等。 在油气管道穿越水域的大、中型工程中, 采用各类混凝结构加重稳管 是最多的形式。其主要因素是投资较省, 适应 性强, 施工技术成熟, 易于保证加重稳管质量概论油气输送管道通过江河水域有穿越和跨越两种方式, 一 般 穿 越 方 式 较 经 济, 工 期 较 短, 施工难度较少且易于克服, 通常采用穿越方式通过水域居多。 在穿越方式中有四种形 式: 裸露于水域 (河流或湖泊) 基床上敷设 (简称裸露敷设) ; 大开挖沟埋于水域基床冲刷稳 定 层以下敷设 ( 简称沟埋敷设) ; 隧道穿越敷 设和定向钻穿越敷设。 各种敷设形式各有其利敝和适用条件。在我国, 油气管道通过水域 一般以沟埋敷设形式较多。 本文就管道穿越 水域采用沟埋敷设方案的混凝土加重稳管问题作初步讨论。管道在水中均有浮力, 在不流动的水中 为静水浮力, 若处在流动的水中为动水浮力,动水浮力可分解为动水上抬力和水平推力。对采用沟埋敷设形式的水下管道稳定设计问 题, 只考虑平衡静水浮力就足够了。管道能否沉 入水底 ( 沟底) , 取决于管道本身是否具有负浮力而定。 当钢质管道壁厚与其直径之比 小于 313% 时, 均需另外加重, 方能获得负浮力。为确保沟埋敷设穿越水域管段的稳定性,3 王毓民, 高级工程师, 1941 年生; 1965 年毕业于东北石油学院机械系油田油厂建设专业, 现任四川石油管理局勘察设计研究院副总工程师。 地址: (610017) 四川省成都市小关庙后街 28 号。 电话: (028) 6917700。2天然气与石油1999 年等优点, 而得到广泛地应用。预制混凝土加重块较多地运用于大口径管道穿越湖泊、沼泽、冬水田及高洪水位可能 淹没区域的陆上管道的稳管加重。工厂预制,运至现场吊 放 就 位, 施 工 简 易 可 行, 效 果 较 好。只是加重荷载集中, 管道安装和管沟开挖尺寸不平度误差导致加重块吊放就位后引起 局部应力, 对此应提出必要的技术要求和施工措施。对水流较急, 河床不够稳定的穿越管段,由于预制混凝土加重块末与穿越管段连接一 体, 一旦穿越管段因河床冲刷出现裸露悬空状况时, 混凝土加重块容易发生倾覆而脱离穿越管段, 造成稳管加重失效, 因此一般不易 采用混凝土加重块稳管。 在四川省青白江至金堂的输气管道北河穿越、中河穿越工程中,曾作过成功地尝试, 取得了较好的效果。预制混凝土马鞍块稳管混凝土马鞍块有固定式 ( 图 1) 和铰链式(图 2) 两种。图 1固定式混凝土加重块现浇混凝土加重稳管采用现浇混凝土加重稳管在管道穿越江河工程中应用相当普遍, 四川石油设计院设 计并施工的大、中型穿越工程实例详见表 1。图 2铰链式混凝土加重块表 1 大、中河流穿越现浇混凝土加重稳管一览表穿越长度(m )管径壁厚(mm )序号工程名称敷设形式加重稳管输送介质完成年月19661101966110196611019661101977191977191977191977191977191981111198818198719198915198911219921121997121997121234567891011121314151617成德线鸭子河穿越成德线青白江穿越成德线石亭江穿越成德线毗河穿越中青线溺水河穿越中青线安昌河穿越中青线龙门河穿越中青线绵远河穿越中青线干河穿越合赤线习水穿越梓绵线潼江穿越万卧线戚家河穿越合赤线习水穿越峰汝线汝溪河穿越靖西线泾河穿越平藉线松华临溪河穿越平藉线西崃临溪河穿越234167343150485190100189119140206154268120889151451513318325103251032510426117209720972097209720927311219144261437714325144261232583258沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋沟埋现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇混凝土现浇不分散混凝土现浇不分散混凝土天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气天然气3258同沟18 平藉线白沫江穿越135沟埋现浇不分散混凝土 天然气199712 2196 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 3第 17 卷 第 1 期王毓民: 混凝土加重稳管在管道穿越水域中的应用采用现浇混凝土加重稳管时, 应当特别引起高度重视的几个问题:第 一 1 当 穿 越 管 道 由 于 各 种 因 素 的 制 约, 不能完全实现沟埋设计敷设方案 (未埋设 或未完全埋设于河床冲刷稳定层以下时) , 或者由于人类活动等因素作用导致河床变迁, 加剧了河床的冲刷, 引起穿越管道及其稳管 结构物的裸露或悬空的出现, 不宜于选用现 浇混凝土加重稳管方案。例如: 成都至德阳输 气管道穿越鸭子河、石亭江, 中坝至德阳输气管道穿越溺水、安昌河、绵远河, 在管道投入 运行若干年 后, 均 因 上 述 种 种 原 因, 出 现 裸 露、悬空甚至断裂事故, 不得不采取加固措施 或重新敷设新的穿越管道。第二 1 现浇混凝土加重稳管设计横截面有二种选择: 一是以开挖水下管沟沟壁为模 板, 浇注成倒梯形状 (图 3) ; 二是以钢材或木 材为模板, 或以现场砂石土充填的草袋或尼 龙编织带为模板, 现浇或成正梯形状 ( 图 4)。 前者现浇混凝土量增大, 造成水泥浪费, 且河 床冲刷混凝土结构物暴露后容易出现跌水掏空, 危及管道安全。后者可避免上述情况的发 生, 应在设计时优先采用。层渗水量较大, 如果围堰和抽水等施工措施不力, 现浇混凝土的水泥砂浆将会大量流失, 造成浪费, 并严重影响现浇混凝土加重稳管 的质量, 构成隐患。为了确保管道穿越工程现浇混凝土的加 重稳管质量, 近几年的管道穿越江河工程除严格要求实施沟埋设计方案外, 还采用了新材料 水下不分散混凝土。 该材料是在普 通混凝土中掺入一定比例的水溶性高分子化 合 物外加剂 ( 水泥抗分散剂) , 使其在水中浇 注时具有较 强 的 抗 水 洗 能 力, 不 分 散、不 离析, 水泥很少流失, 能自动流平和自动密实,不需振捣等优越性能。 在中坝至德阳输气管 道安昌河穿越、溺水穿越、石板河穿越的加固 工程, 平落坝至藉田输气管道白沫江穿越、西 崃临溪河和松华临溪河穿越、南河穿越均采 用了水下不分散混凝水现浇加重稳管, 大大 地提高加重稳管质量。预制混凝土连续覆盖层加重稳管从国外资料介绍, 混凝土连续覆盖层加重稳管结构早些时候在海洋油气管道工程开 发并大量应用, 并在内河、湖泊水域中铺设管 道扩展应用。我国海洋油管道在 80 年代建设的青岛黄岛单系油码头海底油管道、大连鲇鱼湾油码头海底油管道; 90 年代建设的海南 省崖城 13- 1 气田至香港和海南省三亚市南 山的两条输送天然气长输海底管道, 均以混 凝土连续覆盖层作为加重稳管结构。 穿越内 河管道最早于 60 年代的建设的四川省巴县至重庆输气管道穿越长江工程和 70 年代中期大港油田至天津市输送油田伴生气管道穿 越海河工程分别试用过。 最成功地运用重混 凝土连续覆盖层加重稳管结构是 70 年代竣 工的湖北省红花套长江穿越工程, 其结构详 见图 5。图 3 倒梯形混凝土现浇稳管图 4 正梯形混凝土现浇稳管第三 1 对砂卵石河床管沟开挖之后, 地 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 4天然气与石油1999 年年 1995 年仅有陕京线永定河穿越采用此结构稳管。装配式混凝土加重块连续覆盖层稳管装配式混凝土加重块连续覆盖层加重稳 管结构, 是四川石油设计院在总结四川乃至 全国油气管道建设穿越水域工程, 并收集国 外相关资料, 摸索、实践、发展总结出来的新 型加重稳管结构, 详见图 6。图 5 混凝土连续覆盖层稳管结构混凝土连续覆盖加重稳管结构有普通混凝土和重混凝土连续覆盖加 重 稳 管 结 构 之 分。普通混凝土加重稳管结构, 其容重一般控制在 2 200 2 400 k gm 3 , 多在中、小河流穿 越工程中应用; 以磁铁矿或重晶石为粗骨料的 重 混 凝 土 加 重 稳 管 结 构, 其 容 重 控 制 在2 800 3 200 k gm 3 , 多在大型、特大型穿越 工程中应用。 混凝土结构抗压强度通常要求不小于 20 m p a, 耐磨性高, 在管道吊装、牵引 就位时, 允许存在轻微的裂纹, 但应保持混凝土覆盖加重结构的完整性, 不允许出现脱落。 混凝土连续覆盖层加重稳管结构较常用的复壁管结构, 少耗钢材和水泥、节省投资, 保护钢管及其外防腐层不受破坏, 能实现穿 越水域管道的阴极保护, 延长其使用寿命的 优点。但是, 预制混凝土连续覆盖层施工工序复杂繁多: 混凝土的搅拌浇注和振捣, 蒸气养护, 模板制造与安装, 绑扎钢筋网, 定位块的 制作与安放, 混凝土连续覆盖层预制成品管 的运移和吊装, 待拖穿越管段的混凝土补口 等。施工期较长, 对大口径管道穿越大型河流 而言, 整体发送牵引就位需设置专用发送道, 以解决牵引力过大的矛盾, 当牵引设备功率 较小时, 尚应配置复式滑轮组及大量的钢丝 绳, 使牵引系统复杂化, 上述敝端约束了混凝 土连续覆盖层加重稳管结构推广使用。 1980图 6 装配式混凝土加重块稳管结构它与单管、复壁管、预制马鞍块、现浇混凝土、预制混凝土连续覆盖层结构对比, 扬其 长、避其短; 与单管结构相比, 克服了负浮力不足而需另外加压马鞍块; 与厚壁管或复壁管相比, 少耗 钢 材 和 投 资; 与 现 浇 混 凝 土 相 比, 加重稳管质量易于保证, 减少水泥耗量, 缩短施工期; 与预制混凝土连续覆盖层相比, 克服了现场施工工序复杂繁多、工期长的缺 点。 由于装配式混凝土加重块连续覆盖层加 重稳管结构具有其它结构难 以 比 拟 的 优 越 性, 从 1984 年 四 川 省 渠 县 至 成 都 输 气 管 线 ( 简称北干线) 穿越嘉陵江、涪江、中河、北河 四条大型河流, 首次采用装配式混凝土加重块加重稳管结构取得成功之后, 四川石油设计院完善了系列化设计, 并在以后 10 余年间 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 5第 17 卷 第 1 期王毓民: 混凝土加重稳管在管道穿越水域中的应用得到了广泛地推广应用, 工作实例详见表 2。表 2 混凝土加重块装配结构设计应用与推广一览表加重稳管穿越长度(m )管子规格(mm )砼设计容 重(k gm 3 )敷设形式输送介质管身结构设计比重序号穿越名称覆盖长度 (m )加重块7111214127直缝管7111214127直缝管7111214127直缝管7111214127直缝管7208公口丝管32510无缝管32510无缝管32510无缝管5258无缝管72014公口丝管2198无缝管2198无缝管2198无缝管2198无缝管720公口管660127直缝管6601217直缝管5258无缝管5258无缝管5258无缝管四川北干线南充嘉陵江穿越四川北干线射洪涪江 穿越四川北干线金堂北河 穿越四川北干线金堂中河 穿越61912911521沟埋重砼加重块5303 000天然气2680沟埋重砼加重块5603 000天然气115211523540沟埋重砼加重块3203 000天然气11344200沟埋普砼加重块1802 400天然气11345中青线绵远河穿越434沟埋重砼加重块3803 000天然气11746成德线鸭子河穿越313沟埋普砼加重块2542 400天然气7张邓线沱江穿越511沟埋普砼加重块2252 400天然气117411748张邓线金溪河穿越216沟埋普砼加重块1502 400天然气眉山氮肥厂供气工程雷家嘴岷山穿越两佛线黄氵兼长江穿越 复线平落坝外输工程西河 穿越平落坝外输工程羊马 河穿越平落坝外输工程西金 马河穿越平落坝外输工程东金 马河穿越两佛线井嘉陵江穿越 复线9849沟埋普砼加重块6302 400天然气11671144101 067沟埋重砼加重块7103000天然气11426沟埋普砼加重块3602 400天然气1193119312107沟埋普砼加重块682 400天然气13529沟埋普砼加重块4562 400天然气1193119314389沟埋普砼加重块2802 400天然气114415389沟埋重砼加重块4863 000天然气115816陕京线窟野河穿越428沟埋重砼加重块4003 000天然气陕京线无定河穿越98912284713115817沟埋重砼加重块3 000天然气18平藉线南河穿越524沟埋普砼加重块440132 400天然气115921212115919平藉线府河穿越300沟埋普砼加重块2 400天然气20平藉线蒲江河穿越160沟埋普砼加重块130182 400天然气1159 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 6天然气与石油1999 年元。 但因其现场预制施工工序多、繁而杂、且工期较长, 制约了它的推广使用。41 装配式混凝土加重块连续覆盖结构,是油气管道穿越水域, 特别是大、中型河流工 程首选的稳管结构。 改变了现场预制混凝土 连续覆盖层为工厂预制, 单个加重块体积小,重量轻, 装卸搬运装配等施工作业容易, 且经 济性优越, 以四川省输气管线北干线穿越大型河流工程为例, 711. 2 14. 27 装配式重 混凝土连续覆盖层加重稳管结构与复壁管结构相比, 每公里可节省钢材 250 t、水泥 12 t、 投资约 85 万元; 若采用装配式普通混凝土加重块连续覆盖层结构加重稳管, 每公里可节省钢材 215 t、投资约 60 万元。到目前为止的 不完全统计, 由四川石油设计院施工完毕的 大、中型河流管道穿越工程 20 余处, 为国家 节省钢材约 1 400 t。水泥约 60 t、投资近千万 元。 经济效益相当显著。参 考 文 献1 石油地面工程设计手册第五册 1 天然气长 输管道工程设计2 谢太浩 1 穿越资料汇编 11 020 输气管道穿越长江 1 石油工业出版社3 谭明星、王毓民 1 组装式加重块在穿越工程 中的应用 1 天然气工业 11986, 24 王毓民 1 油气管道穿越大型河流设计技术 进步简述 1 天然气与石油 11996, 3(收稿日期 1998- 09- 10)初步讨论选择各类混凝土加重稳管结构, 要遵循穿越水域工程规模大小、类别、重要程度、工 程地质和水文条件、施工的难易及其质量保 证、工程总造价等诸方面综合因素比较后择优而定。11 预制混凝土马鞍块加重稳管, 在油气 管道通过沼泽、湖泊的水下管道, 冬水田、高水位淹没的大片低地、地下水位较高的陆上 管道, 均可作为推荐选择方案。当马鞍块需要量较大时, 工厂预制化, 质量保证, 稳管效果 好, 较经济。 只是在动水条件下应用要慎重, 以防倾覆稳管加重失效。21 现浇混凝土是管道穿越中、小河流最 常用加重稳管结构之一。施工简易可行, 只是 地层渗水严重影响其质量, 除采取必要的技术措施外, 尚应采用新材料水下不分散混 凝土, 宜采用正梯形横截面现浇混凝土加重形式。31 预制混凝土连续覆盖层加重稳管结 构, 宜在大口径管道穿越大型和特大型河流工程中运用。 与复壁管结构比较, 节省钢材、水泥和投资。以湖北省红花套 1 01620. 62重混凝土连续覆盖层结构长江穿越为例, 节省钢材约 530 t、水泥约 330 t、投资约 45 万亚洲石油化学产品价格预计将一直下降到 2000 年由化学系统公司布鲁斯 h 皮克奥弗博士进行的调查研究预测: 到 2000 年, 亚洲石油化 学产品价格大约下降 20% , 结果将会导致装置利用率下降, 经济增长缓慢。预计在遍及全世界的装置的运行率开始增加的 2000 年后, 石油化学产品价格将会出现返弹现象。亚洲的石油化学产品受到了地区因素和国际因素的影响, 其中包括美国定价政策, 国内生产成本、能源选择经济情况, 供需平衡、关税税率等因素, 因为这些因素在亚洲国家当中是动态关系和历史关系, 将来美国会有些变化。大庆石油化工总厂设计院 董志杰译自“o il & ga s jo u rna l”1998. 2. p 53 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. na tural ga s & o il(q u a r t erl y)v o l. 17 n o. 1 (t o ta l n o. 175)m a rch 1999sel ected a bstractso il & ga s tra nspo rta t io n a nd sto ra gea pp l ica t ion of con cre te-w e igh t p ipe- sta b il iz in g in p ipe l in e un derwa ter cro ss in gw an g y um in. ngo , 1999, 17 (1) : 1 6a bstract: in th e u n de rw a te r c ro ssin g p ro jec t s app lied co n c re te2w e igh t p ip e2stab ilizin g m ea su re s m a in ly in c lu de u se o f sadd le p reca st2co n c re te b a lla st s, ca st2in 2p lace co n c re te b a lla st s, p reca st an d co n t in uo u s co n c re te w e igh t2co a t in g b a lla st s, fab r ica ted co n c re te b a lla st s. t h is p ap e r summ a r ize s advan tage s an d defec t s, su itab le co n d it io n s an d co n st ru c t io n qu e st io n s o f each m ea su re.subject head ings: p ip e lin e c ro ssin g, co n c re te w e igh t m a te r ia ls, a pp lica t io n.se lec t ion of stee l p ipe s an d w e ld in g rod s f or ga s ga ther in g l in e con struc t ion of chan gq in g ga s f ie ldy e x u e li, l in x u em e i. ngo , 1999, 17 (1) : 7 10a bstract: a cco rd in g to h 2 s co n ten t fea tu re o f n a tu ra l ga s, fo r ga s ga th e r in g lin e co n st ru c t io n x 52 do u b le b u r ied a rc lo n g itu d in a lly2w e lded p ip e s (u o e ) h av in g h 2 s co r ro sio n c rack in g re sistan ce h ave b een se lec ted, an d th e ce llu lo se typ e e lec t ro de s h ave b een u sed fo r m an u a l b u t t w e ld in g o f th e p ip e s fo r th e f ir st t im e in so u r ga s f ie ld a t hom e. t h is is a va lu ed a t tem p t. in o rde r to en su re h 2 s co r ro sio n c rack in g re sistan ce o f ga s ga th e r in g lin e, se r io u s tech n ica l requ irem en t s w e re sp ec if ied in o rde r co n t rac t o f th e p ip e s, an d p ip e p ro du c t s w e re o ve ra ll in sp ec ted.subject head ings: s tee l p ip e, w e ld in g ro d, t ech n ica l in dex , d e tec t io n , so u r ga s p ip e lin e.o il & ga s trea t ing a nd process inga pp l ica t ion of ac an d d c crude o il d e sa l