远距离大直径工业管道自重变位下置铺设直埋施工技术

远距离大直径工业管道自重变位下置铺设直埋施工技术1.前言近年来随着城市化进程的加快，加之人们环境意识的增强和对生活质量提高的关注，无论在人稀罕至的地区还是城市当中，地下管道工程越发普遍，特别是石油、天然气等介质输送管道工程，若采用大开挖沟下焊接施工工艺，不仅大范围的需要占用土地，造成环境破坏还易发生安全隐患。一方面大开挖沟下焊接需要对边坡进行支护，防止坑坍塌事故，另一方面成本加大，如何解决面临的两难问题是摆在行业面前的重大课题。为保证工程顺利推进，采用长输管线原位组对焊接后利用重力变位双侧沉管的施工工艺，在保证安全和质量的前提下，达到了节约支护成本、保证了支护安全、缩短了施工工期，实现了高效、节约、绿色发展的目标。2.技术特点2.1利用自重变位下置铺设施工技术，避免了地下埋置管道传统施工工艺先下管后焊接的沟下作业危险，和先焊接后下管的复杂应力作用，提高了施工效率，保证了施工安全，降低了施工成本。2.2长输管线主线接头主要采用下向焊焊接工艺，比采用传统上向焊焊接工艺，不仅提高了焊接效率，降低了施工成本，且焊缝成形质量美观，减少了焊缝缺陷。3.适用范围可广泛应用于石油、天然气等介质长距离输送管道等建设领域大规模推广应用。技术适用范围：利用钢管为载体的管道；地质条件复杂的砂土地带。4.工艺原理地面焊接完成后，采用符合技术参数的2台反铲挖掘机，沿管道一端开始，在管道两侧各一台挖掘机按规定宽度、放坡率、深度同步后退式进行管沟土方开挖，随着开挖管沟的延长，管道底部出现悬空状态，组装好的管道在自重力的势能作用下控制在铅垂平面内产生向下变位，实现了管道段逐渐下置铺设于沟底并自然伸直。5.工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程见图5.1-1所示。图5.1-1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1场地清表正式作业前，根据业主征地线内进行作业带清理（清表）。一般地段施工作业带清理、平整采用推土机进行，在施工作业带范围内，对于影响施工机具通行或施工作业的石块、杂草、树木、构筑物等清理干净，沟、坎整平，达到爬行设备能行走为准。施工过程中最大程度的推平、压实，为后期作业打好基础。5.2.2管沟中线定位清表作业完成后，测量人员进行管道中心线的确定（即管沟中心线的确定）。为了满足管道数字化坐标的要求，对管道沉管下沟后中心坐标应严格控制。为此，对计划沉管的地段，提前确定好管沟中心线和布管焊接中心线。依据图纸纵断面深度、里程与管道对应的具体位置要做好深度标记，特别是重点陡坡、低洼地段、沟渠地段开挖曲率半径应符合设计要求。变坡点起点里程、深度，变坡点终点里程、深度等都要在管道醒目位置做好标记，为操作手和检查人员提供现场技术数据。5.2.3管道布管管道中线确定后，进行布管，选择相邻阀门井间距的中点做为起始点，沿相反方向逐节将管材进行布管，布管时应首尾相接，相邻管口应相互错开。管道应卸放在管道组对一侧，布管的间距应与管长基本一致，每布15～20根管应核对一次距离，发现过疏或过密应及时调整。见图5.2.3-1所示。图5.2.3-1布管平面示意图5.2.4管道组对焊接管口组对选用液压外对口器，对口间隙2-3mm。管道组对后，先点焊固定，在完成大于根焊道总长度的60%，且焊完的焊道应沿圆周均匀分布方可撤离。根焊2人，填充、盖面焊2人，对称焊接。根焊与填充焊间隔：＜10min；层间温度：≥80°。每焊完一层，用钢丝刷和角向磨光机清理干净焊道表面后方可进行下一层焊接。管道组对焊接如图5.2.4-1。图5.2.4-1管道组对焊接5.2.5自重变位下置铺设1、对于管道焊接位置不满足沉管要求的要将管道位置重新进行调正。为了防止管墩下沉，避免在开挖过程中造成局部管段下滑移位，因此，在进行沉管前，根据情况对管道进行适当的位置调正。2、沉管下沟前应满足的条件：管道焊接、无损检测已完成，并检查合格；防腐补口、补伤已完成，经检查合格；现场监理及业主对将沉管下沟段检查确认同意。3、双侧沉管可行性计算1）建立沉管施工的受力模型管道下沟的示意图，见图5.2.5-1，其受力状态可以简化为受均布荷载的超静定梁模型如图5.2.5-2。图5.2.5-1管道下沟示意图图5.2.5-2受均布荷载超静定梁模型2）力学分析计算支座反力FRB和均布荷载q在支座处产生的变形之和为零，因此（5.2.5-1）可得公式5.2.5-2、公式5.2.5-3。（5.2.5-2）（5.2.5-3）由材料力学可知，由B点处的力矩平衡∑MB=0 （5.2.5-4）可以求得：L1=0.586LL2=0.414LA截面的弯矩（5.2.5-5）B截面的弯矩（5.2.5-6）带入以上公式计算比较，得MA-MB<0，B截面弯矩比A截面弯矩大，B截面为最大危险截面钢管Φ820×10mmq=199.758Kg/m≈2000N/md=0.82md1=0.80m弹性模量:E=2.06×105惯性矩 （5.2.5-7）钢管净截面模量 （5.2.5-8）由公式（5.2.5-9）可得（5.2.5-10）查管材材质报告可知屈服强度σ=380MPa则当σ取最大值380MPa时可得：L2max=43.97m则可得：max=106.21mL1max=62.24m带入公式5.2.5-11：（5.2.5-11）则钢管最大挠度（5.2.5-12）即开挖最大深度4.23m，开挖深度不超过4.23m钢管就处于安全状态，建议开挖深度不超过3.5m。4、双侧开挖演示演示前要召集相关施工人员进行现场学习。操作时，需要技术人员现场指导作业。双侧开挖钢管应位于管沟中心线。机械设备链轨板距管壁距离为1m，即贴近支墩外侧，确保挖掘机配重旋转空间，倒土位置可根据地形和施工作业带宽度确定，开挖起头要超过管端不少于3m为宜。风积砂段标准开挖断面如下图5.2.5-3所示（图号TKSS-水工-输水线-23）：图5.2.5-3开挖断面每米土方开挖量：（0.9+4.35）×2.3×1=12.075m3因施工征地线仅为20米，开挖断面两侧土方无法完全堆积下。采取措施：根据计算L2max=43.97m，前70米土方量超出征地线范围，通过临时征地解决，后沉入的管段每隔24米检漏一次，符合要求后，后开挖的土方用挖沟机逐步将前段回填，减少土地占用量。开挖尺寸深度偏差至少要满足＋50mm，－100mm为宜，管顶埋深要符合设计要求。土质松软地段，为了保证管顶覆土埋深，避免过程中因塌方垫层产生的沟底偏浅，因此，在沉管开挖时，要适当加深，并为塌方垫层留有余量。5、试验段验收管沟开挖试验段长为100m，检查管道置于沟底的深度、钢管平直度、管道中心线偏离误差。工程技术人员和质量人员对本工艺的可操作性进行评估，确认操作工艺可行后，方可进行多个作业面施工。6、沉管开挖正式沉管开挖之前，技术人员对施工人员提出技术要求及安全注意事项。进入正式沉管作业施工时，设备、人员数量要配备齐全，开挖操作手技术熟练。为了防止开挖过程中防腐层的损坏，除了对操作手有严格的技术要求之外，还要派专业防腐工在沉管前后分别进行电火花检漏。沉管下沟前，应于施工前48小时报请区段监理请监理到场进行全程旁站监督。沉管下沟前，用白漆笔在管子上标注设计开挖深度，以保证管道按照图纸设计要求沉管下沟。沉管下沟前，派专职安全员监督整个施工过程，确保在施工过程中不会有闲杂人等进入作业带。管道沉管下沟应由挖掘机机手、测量工、质检员、安全监督员、警戒人员、清理人员、防腐工共同配合完成，且应由专人统一指挥。通过开挖管沟，管头可以依靠自身挠度贴附于沟底，将管端摆到管沟中心线位置，之后随着管沟的开挖，管道依靠管道自身重量自然、逐步沉降至管沟底部，完成沉管施工。开挖时，在距离挖掘机最近的位置上铺盖橡胶板，防止挖掘机碰伤管道，并在橡胶板下部设置勾环，使橡胶板在人的拖动下能够及时对挖掘机开挖部分的管道进行防护。挖掘机的斗铲在距离管道200mm处应缓慢入土开挖，操作动作不得过大，要做到慢落慢起，确保斗铲不接触管道。整个过程中应有专人进行监督，一旦发现有防腐层被碰伤的情况，应立即进行补伤并再次检漏。当管道一端下到沟底后，继续向后开挖管沟，随着管沟长度不断增加，管道在自身重力作用下贴服于管沟底部，从而成功实现管道下沟。如下图5.2.5-4示。图5.2.5-4开挖沉管5.2.6沉管验收沉管下沟后，首先应根据设计要求和挖沟通知书的要求进行自检，合格后由项目部负责验收，并按项目部的规定填写记录，报监理复查，合格后签字确认。管沟、下沟质量检验项目、检验数量、检验方法及合格标准应符合下表5.2.6-1规定。表5.2.6-1管沟检验项目、检验数量、检验方法及合格标准表检验项目检验数量检验方法合

格

标

准外观全部观察检查施工记录直线段管沟顺直，曲线段圆滑过渡，无凹凸和折线；沟壁和沟底平整，无沟坎阶梯，无锐器物；沟内无塌方、无杂物；转角符合设计要求。管沟中心偏移每千米不少于5处用经纬仪检查允许偏差应小于100mm沟底宽度每千米不少于5处用尺检查允许偏差为±100mm沟底标高每千米不少于5处用水准仪检查允许偏差为

+50

mm-100

mm变坡点位移全部用尺检查允许偏差应小于1000mm5.2.7沉管回填沉管管子经实测标高、中心线位移、外观符合设计及规范要求后，即可进行沉管回填。回填分层进行，第一层回填从槽底至管顶以上500mm范围内，回填砂土从两侧对称运入槽内，并进行压实。第二层回填剩余部分至地面，并将多余砂土回填在管线上部，自然下沉。5.2.8沉管作业注意事项挖掘机应严格注意防腐层的保护，挖斗离钢管应有一定安全距离，同时旋转角度不宜过大，防止旋转时碰伤防腐层。挖方时应采取先表层再下层的顺序，管沟开挖处断面应呈缓坡状，防止大面积土层突然塌落。5.2.9管道打压实验管道试压采用离心泵将试压用水从水源提升到上水端蓄水沉淀池内，然后用1台多级离心泵往试压管道内上水，再用另1台高压往复柱塞泵进行升压。试压时，应逐步（每次0.2MPa）升压到实验压力，每次升压后，都要在检查没有问题时，再继续升压。升至工作压力后，稳压不少于10min（为保持压力，允许向管内补水），对钢管进行检查，情况正常时方可逐步升至试验压力保持5min，再下降至工作压力，保持30min。如整个试验过程中无渗水及其它异常现象即为合格。试压注意事项1、在升压过程中，不得撞击和敲打管道，稳压期间安排专人负责巡线，发现管道破裂和异常情况，及时联系汇报。2、强度试验时，若压力出现急剧下降，要及时查找泄漏点，泄压后组织抢修，并重新进行试压。5.3管道焊口焊接具体实施5.3.1焊接工艺流程焊接工艺流程见图5.3.1-1所示。合格合格不合格坡口检查预热组对热焊、填充焊（及层间检查打磨）根焊（及检查打磨）盖面焊（及检查清理）外观检查后热或缓冷处理无损检验进入下道工序焊缝返修层间温度控制图5.3.1-1焊接工艺流程图5.3.2焊接工艺要点1、坡口检查1）管道的坡口形式和坡口尺寸应按设计文件或焊接工艺卡规定要求进行。2）坡口加工宜采用机械方法，坡口端面应与管轴线垂直。3）坡口加工后应进行外观检查，坡口表面不得有裂纹、分层等缺陷。2、组对1）焊件组对前应清除坡口两侧各50mm表面上的油污、浮锈、水分、泥沙等，并对坡口内外侧表面不小于10mm范围内的油、漆、垢、锈、毛刺等清除干净。2）管子或管件对接接头组对时，内壁应齐平。宜采用内对口器进行组对，在撤离内对口器前必须焊完全部根焊道。若采用外对口器组对时，撤离外对口器前根焊道必须焊完50%以上，且均匀分布。3）下向焊管道组对尺寸见表5.3.2-1。表5.3.2-1下向焊管道组队尺寸表组对项目纤维素型下向焊条的管道组对尺寸低氢型下向焊条的管道组对尺寸坡口角度（°）55～6560～70钝边厚度（mm）1.0～1.51.0～2.0间隙（mm）1.0～2.01.0～3.5最大错边量（mm）不大于管外径的3/1000，且不大于24）有直缝（或螺旋焊缝）的管道组对时，应将直焊错开间距≥100mm，相邻环缝间距≥1.5Do（管外径）。3、预热1）在本工程中，当环境温度在0℃以上，可不预热。环境温度在0℃以下预热温度100～150℃。2）对有焊前预热要求的管道在焊件组对并检验合格后，进行预热。预热方法可采用火焰加热法、电加热法和喷灯加热的方法。3）预热宽度以焊缝中心为基准，坡口两侧大于50mm为宜，该范围内预热温度应均匀。测温方式可采用触点式温度计或测温笔，在距离焊缝中心线50mm处对称测量。4、焊接1）焊条的选用原则见下表5.3.2-2所示。表5.3.2-2焊条选用序号接头名称打底填充盖面备注1主线纤维素焊条，下向药芯焊丝，下向药芯焊丝，下向2连头纤维素焊条，上向药芯焊丝，下向药芯焊丝，下向3返修纤维素焊条，上向低氢焊条，上向低氢焊条，上向2）施焊顺序及焊接层次主线即管道除碰头之外的所有接头，采用传统下向焊工艺，由两名焊工分两侧纤维素焊条下向打底，药芯自保护焊丝填充，盖面；连头即分段的碰头接头，由两名焊工分两侧纤维素焊条上向打底，药芯自保护焊丝填充，盖面；返修接头，由两名焊工分两侧纤维素焊条上向打底，低氢焊条填充，盖面；采用不同的工艺流都程是为了保证接头的强度，连头和返修接头采用纤维素焊条上向焊接，是为了更好的保证打底层的合格率，虽然损失了一些效率。返修接头含氢量本来就高，为了保证接头的强度，一定采用低氢类的焊条，所以返修接头的填充与盖面采用低氢焊条，而不是继续用自保护焊丝。施焊顺序及焊接层次应按焊接工艺卡规定要求执行。管道下向焊的施焊顺序见图5.3.2-1。对管道直径小于711mm，每层焊道由二名焊工同时施焊。当管道直径大于或等于711mm时，每层焊道宜由三名焊工同时焊接。图5.3.2-1施焊顺序管道下向焊采用多层单道焊，不同管壁厚度的焊接层数参见表5.3.2-3所示。表5.3.2-3不同管壁厚度要求的焊道层数壁厚（mm）67～89～1010～1212～14层数3～444～55～66～73）焊接工艺参数施焊时的焊接工艺参数应在焊接工艺卡规定的范围内。纤维素型下向焊焊条施焊的焊接工艺参数参见表5.3.2-4。表5.3.2-4用纤维素型下向焊条焊接工艺参数项目焊条直径（mm）电流极性电流（A）电压（V）焊接速度（cm/min）运条方法根焊5.2直流反接70～11021～2612～20直拉4.0100～14022～2815～35热焊、填充焊及盖面焊第二层5.2直流反接100～13022～2815～30直拉4.0110～18022～3015～35第三层及以后各层4.0直流反接110～18025～3010～35直拉或小幅度摆动4.8140～22026～3215～35低氢型下向焊焊条施焊的焊接工艺参数参见表5.3.2-5。表5.3.2-5用低氢型下向焊条焊接工艺参数项目焊条直径（mm）电流极性电流（A）电压（V）焊接速度（cm/min）运条方法根焊5.2直流反接70～12019～266～20直拉热焊、填充焊及盖面焊第二层5.2直流反接90～14020～2715～30直拉或小幅度摆动4.0120～18021～3015～35第三层及以后各层5.2直流反接90～14020～3015～25直拉或小幅度摆动4.0140～21021～3015～354）施焊技术①全位置下向焊接必须采用焊接速度快、熔敷金属单层厚度薄的多层焊原则。并对根焊、热焊、填充焊、盖面焊以及层间的修磨和清理采用流水作业的形式。②根焊焊道必须采用直向焊，其余焊道的焊接可直向焊或小幅度摆动焊。③根焊道必须熔透，背面成形良好。根焊道焊完后，立即用角向磨光机打磨整条根焊道，使焊缝中间部位稍有圆滑下凹。并应尽快进行热焊道焊接，根焊道与热焊道焊接间隔时间不宜超过5min。④热焊、填充焊和盖面焊的层间，应对换焊条的接头高出部位和其它凸出的熔敷金属用角向磨光机修磨平整，并用专用钢丝轮清理焊缝后，方可焊接次层。⑤相邻两焊层更换焊条的接头不得重叠，应错开20～30mm。⑥施焊时，每层焊道应连续焊完，中间一般不应中断。⑦焊接层间温度不低于规定的预热温度下限。5）操作注意事项①严禁在被焊工件表面引弧、试电流或随意焊接临时支撑物。②施焊时管子应保持平稳，不得受到震动和冲击。③每根焊条引弧后应一次焊完，应保证起弧和收弧处的质量。更换焊条应迅速，应在熔池未冷却前再次起弧。④根焊焊接时，管内应防止穿堂风。⑤焊接完毕应对焊缝进行清理，经自检合格后做好焊工代号的标识。6）后热及缓冷处理后热或缓冷处理按焊接工艺卡规定要求进行，并做好记录。5、焊接质量检验1）外观检验不合格的焊缝，不允许进行其它项目的无损检验。2）管道对接焊缝表面质量应符合下列规定：焊缝表面成型良好，焊缝边缘应圆滑过渡到母材，焊缝表面不允许有裂纹、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。焊缝咬边深度≤0.5mm，在任何长300mm焊缝中两侧咬边累计长度≤50mm。余高：以0.5～1.6mm为宜，局部不得大于3mm，且长度不超过50mm。宽度：焊缝宽度以每侧坡口增宽0.5～2.0mm为宜。3）焊缝的无损检验所有焊缝进行100%射线探伤（RT），20%超声波探伤（UT）。主线对接焊缝采用探伤机器人周向曝光，连头（碰头）探伤采用定向射线机双壁单影透照。探伤合格级别为Ⅱ级，100%合格。6、返修当焊接接头有超标缺陷时，必须进行返修，并应遵守下列规定：1）焊缝返修工艺，应有经评定合格的焊接工艺评定。2）焊缝返修应由持有相应合格项目的焊工担任。3）对于不合格的焊接接头，应查明原因，采取对策，提出返修工艺，进行返修。返修后还应重新进行检验，并认真做好记录。4）焊缝修补宜使用同等强度级别的低氢型焊条，返修按返修工艺要求进行。5）当焊缝裂缝累计长度大于或等于焊缝长度的8%时，该焊缝宜割掉重新焊接。6）所有修补的焊缝长度，均应大于50mm。7）返修一般采用机械挖补的方法来清除缺陷，对厚壁管道亦可采用碳弧气刨清除缺陷。确认缺陷清除后，并对返修部位进行坡口清理和修磨，方可进行补焊。8）焊缝同一部位的返修次数一般不得超过二次。当超过二次返修时，其返修工艺措施必须经项目总工批准。6.材料设备6.1所需材料及设备所需材料及设备见表6.1-1。表6.1-1材料设备一览表序号名称型号规格数量单位备注1汽车吊25t1台临时租用2自吊8t1台临时租用3铲车502台清表/布管4挖掘机3205台沉管/对口5推土机2台清表6发电机2台焊接7半自动电焊机6台焊接8对口器1套对口9GPS1套测量定位10磨光机1256台打磨11射线检测仪1套无损检测12超声波检测仪1套无损检测13电火花检测仪1套防腐检测14管道爬行器1套无损检测15管道打压泵车1台打压16其他各类小工具若干7.质量控制7.1组织全体施工人员认真学习掌握施工技术规程和质量标准，并开展岗位技术培训，提高施工人员的技术操作水平。7.2工程开工前，由项目工程师组织项目专业技术人员，针对该工程特点编制详细可行的施工技术安全措施，经审批后执行。7.3开工前，技术人员要做详细的技术交底，施工中坚持“三检”制，质量检查人员随时抽查、检查，以确保每道工序都受到控制。7.4严把材料进场关，进场材料须质量证明文件齐全，经检验合格后入场。7.5管道焊接时，严格遵守施工操作规程，严格控制焊接制作过程，保证焊接质量，杜绝错口、咬边、夹渣、气孔等缺陷。7.6管道搬运必须采用尼龙带，宽帆布吊索或加垫吊索的装车设备；7.7吊装时，严禁用钢丝绳穿心吊，堆放时应采用足够多的吊绳分层搁分管道，以不使某个支撑点荷载过大，损坏防腐层；7.8长途运输时，管道的承口插口段应妥善包扎，以防管滚动碰伤，路况不好时应减速慢行；7.9严禁直接将管材从运输车上滚落到地面上；7.10管材存放时，两处垫物支点距管端距离不超过管长的1/5；7.11管道排气阀、排水阀及截断阀留置的位置必须符合设计要求；7.12严格控制管道埋置深度，确保管道在冻结深度以下。8.安全措施8.1针对工程特点制定专项安全方案，并进行安全交底。制定应急预案，确保施工安全。8.2吊装作业要有专人指挥，信号要清晰、明确。8.3吊装作业