海洋市政管線擴散器安裝技術研究

李 明，王明強，王小東，彭 飛，劉 飛，程龍生

（中國石油管道局第六工程公司，天津 300272）

海洋市政管線擴散器安裝技術研究

李 明，王明強，王小東，彭 飛，劉 飛，程龍生

（中國石油管道局第六工程公司，天津 300272）

通過介紹當前海洋市政管線擴散器的主要構造形式和特點，分析了擴散器安裝的施工準備，剖析了海洋市政管線擴散器的主要安裝方式。研究總結了當前海洋工程擴散器安裝的施工工藝流程，明確了海洋市政管線擴散器安裝主要根據擴散器長度、材質及所在海域的海流、涌浪和當地氣候等因素選擇施工工藝。同時，闡明了一種較為常規、有效的擴散器安裝方式——通過陸地分段預制，海上精確定位，借助船舶分段運輸、分段起吊和安放，采用旋轉法蘭實現水下連接。這為海洋市政管線擴散器安裝指明了研究方向，也為探索更加安全、快捷的安裝方式奠定了基石。

擴散器；精確定位；分段起吊；水下連接；旋轉法蘭

0 引言

海洋市政管線為市政管線的海洋延伸部分，其主要作用是將陸地上經過泵站處理的達標廢水通過其排放至深海中，減少對環境的污染。

海洋市政管線的終點多數為擴散器，通過擴散器將廢水分流、稀釋于大海中。擴散器作為海洋市政管線的末端排放設備，具有其獨特的構造特點。通常根據日排水量及當地海況等設計成多孔排放及鴨嘴閥排放[1]。在施工中，現場安裝方式必須根據海水深度、水流及管道材質進行選擇，確定符合工程實際要求的安裝方法，從而有效而安全平穩地完成擴散器安裝[2]。鑒于此，本文主要通過闡述海洋市政管線擴散器的構造形式及具體安裝方法，進一步深刻明晰了海洋市政管線擴散器不同形式的不同安裝方式以及未來構造及安裝發展方向。

1 海洋市政管線擴散器的主要形式

隨著海洋市政管線的不斷增多，根據工程當地海洋環境和施工規范及業主、設計要求，其末端擴散器的形式各有不同，但其基本原理都是將管線輸送的廢水通過變徑、上升管等將其分流、稀釋于海水中。

1.1 海洋市政管線套筒保護型擴散器

對于較為繁忙的海域，過往船舶及海上建設較多，市政管線末端擴散器設計時必須充分考慮當地海域情況，根據其可能受到的外力情況進行設計。針對較為繁忙的海域，特別是船錨及塊石等經常拋投或散落區域，對其擴散器加以保護，設計成套筒型，從而有效保證其安全運行[3]。

廣東惠州大亞灣石化區污水排海工程中設計采用的即為套筒保護型擴散器，即在尾端擴散器的四周預制套筒與擴散器連接，對其形成保護，避免受到破壞，如圖1所示。

圖1 套筒保護型擴散器

1.2 海洋市政管線閥門型擴散器

考慮到部分海域的海洋生物情況，同時結合工程業主的投資概算，為了保證市政排水管線非工作狀態時海水倒流，其擴散器上升管處設置鴨嘴閥。排水時在沖水壓力的作用下自動打開，而非排水時就會自動合攏，有效的避免了海水及污物的倒流。另外，為了保護擴散器，其頂部采用粗砂和模袋混凝土進行壓實保護，形成保護套。

1.3 海洋市政管線閥門保護罩型擴散器

部分海洋市政管線工程為了有效的排水并減少外界對擴散器及排放口的破壞，同時考慮到排水能力和工程造價，擴散器排放口設置數量較少，其頂部設置鴨嘴閥且其周圍使用球形混凝土保護罩加以保護，構造相對簡單，如圖2所示。

圖2 閥門保護罩型擴散器

2 擴散器安裝調查及定位

擴散器安裝前，測量人員使用 GPS、多波束等測量設備對待安裝區域進行測量掃測，明確其區域內沒有任何阻礙物，同時進一步確認擴散器安裝位置，從而確保擴散器準確、安全和無障礙的安裝到位[4]。

2.1 擴散器安裝前施工預調查

擴散器安裝前，根據業主提供的有關地質資料對施工相關海域進行綜合調查和測量，為施工決策和方案實施提供數據支持。按照業主提供的海底擴散器擬安裝位置坐標，采用RTK-GPS定位測量儀器對業主書面給定的控制點進行校核，確保擴散器位置的準確性。如果校核結果與提供坐標有出入，及時向業主匯報。通過業主和當地有關部門復核擴散器位置附近是否存在其他設施。若與已知數據確實存在差距應及時通知業主和設計單位人員予以核實、變更[5]。同時，對其待安裝位置的海底地形狀況進行深入了解，確認是否存在海底建構筑物、異常障礙等，為施工方案決策、船舶和設備選擇等提供明確的數據支持和詳實的施工指導資料。

現場根據不同的水深確定使用不用的測量設備，對水深大于4m的測量區域采用多波束進行測量，小于4m的采用單波束進行測量，如圖3。

圖3 多波束測深系統示意圖

2.2 擴散器安裝船舶精確定位

擴散器安裝所使用的浮吊導航采用電羅經和 GPS定位系統對其進行定位導航，其中可將GPS設備兩個GA530天線分別架設在船頭和船尾用于定位定向，從而準確測出船舶和擴散器位置，如圖4。

圖4 數據連接定位系統示意圖

3 擴散器安裝技術分析

擴散器無論采用何種形式，其現場安裝主要分為擴散器整體甲板焊接后下放至海底、擴散器整體水下螺栓連接、擴散器分段下放至海底后分段螺栓連接等幾種形式?，F場主要根據業主、設計要求和擴散器材質及長度等進行安排，采取相應方式組織安裝，達到業主、設計要求[6]。目前，海洋市政管線擴散器安裝中較為普遍的方式是采用浮吊分段下放至海底后使用旋轉法蘭完成水下連接。

3.1 擴散器整體拆分

按照設計要求，擴散器一般較長，達100m以上，且其上部附屬有上升管及鴨嘴閥等，部分擴散器還涉及主管線直徑縮減變化等。這就要求現場安裝前首先將其按照管材及浮吊起吊能力進行拆分，一般50m左右為一節，具體長度需根據管道材質及管徑等進行計算、拆分，兩端預留法蘭，在水下與待連接管線相連。

3.2 擴散器分段起吊

分段預制完成后，使用駁船將其運輸至待安裝海域，根據預先測定的位置靠駁于浮吊一側，準備起吊。

3.2.1 擴散器吊點計算

擴散器起吊前，現場需要對其吊點進行認真測算，以確保起吊過程的安全、平穩。目前較為常用的是OFFPIPE計算軟件，通過對水深、水流、涌浪、風力、管材屈服強度等系數進行分析，測算出不同吊點的受力情況，從中選取受力最為合理的點作為吊點，以保證擴散器起吊安放中的安全性和穩定性，如圖5。

圖5 數據連接定位系統示意圖

3.2.2 擴散器起吊、安放

根據計算，擴散器起吊點已選定。按照預先布置好的浮吊進行擴散器起吊，然后將其牽引至待安裝位置，在水下潛水員的遙控指揮下，浮吊司機緩慢的下放分段擴散器，并隨時按照潛水員的指示加以調整，最終平穩地安放于待安裝位置，如圖6。

圖6 擴散器起吊、安放示意圖

3.3 擴散器水下連接

總結多個海洋市政管線擴散器安裝經驗，分段起吊并安放于海底后，然后在浮吊的向上拉力作用下，擴散器懸浮于水中[7]。同時，借助浮吊將已鋪管線管頭輕輕吊起，使其端口與擴散器待安裝端口處于同一直線上，從而使其能順利平直的連接在一起。

1）船舶及預制段準備就緒后，根據排污管段的浮漂，潛水員下水探摸，將兩根鋼絲繩的一端分別套在離管端 2m～4m的位置，用卡環連接。管線綁鋼絲繩的位置先用膠皮包扎，防止損傷污水管線[8]。其中一根鋼絲繩的另一端連接船舷系纜樁，另外一根鋼絲繩的另一端連接船吊。船吊輕輕起吊，使管端離開泥面50mm，如圖7。

圖7 管端超吊示意圖

2）在管端離開海底泥面50mm后，將連接在系纜樁上的鋼絲繩拉緊并系在系纜樁上，船舶舷吊釋放吊力，潛水員解開舷吊上的鋼絲繩與海底管端連接處。此時水下管道應保持一個微小的傾斜角度。潛水員下水檢查，若管道與海底泥面角度太大或者太小，根據潛水員的指揮對管道高度做略微調整，保持管道和海底泥面的夾角合適。

3）將第一預制段擴散器吊起，按照計算結果設置吊點。調整起吊鋼絲繩的長度，使預制段向管線末端微微下斜。預制段擴散器略帶傾斜角，傾斜角度和水下管線的傾斜角度相近。在吊起的預制段兩段分別套一根牽引繩，用來控制預制段擴散器的方向，在工程浮吊船左舷輕輕下水。

4）預制段擴散器下放至接近海底時停止下放，潛水員下水至管端附近，通過船上施工人員和潛水員配合，將預制段一端的牽引繩交到潛水員手中，潛水員通過牽引繩找到預制段擴散器，并指揮施工人員將其調整至管端位置(如下圖所示)。潛水員利用撬棍和船員配合進行預制段擴散器水下安裝。

考慮到水下螺栓連接的施工工藝，一般法蘭設計為可旋轉法蘭，即法蘭在管頭末端可 360°自由旋轉。根據對孔位置可隨時旋轉、調整，從而更快捷、方便地完成螺栓孔對接。

法蘭螺栓孔對接完成后，首先用2～3個螺栓固定法蘭位置。選擇一側放置墊片，在放置墊片時，用撬棍放在法蘭之間，防止預制段擴散器振動損傷墊片，接著再用對角的2～3個螺栓加固法蘭連接，確保法蘭對接完成，如圖8。

圖8 潛水員水下指揮安裝示意圖

5）水下法蘭初步對接完成后，利用液壓扳手緊固螺栓。同時，安裝好全部螺栓并緊固。

6）水下法蘭全部緊固完成后，釋放系纜樁上的鋼絲繩，潛水員水下解纜后，該預制段的安裝就完成了。

4 總結和展望

隨著海洋市政管線的不斷增多，其末端配置的擴散器是其中不可缺少的重要部分，這就促使擴散器安裝成為一個重要課題。作為海洋工程的重要實施者，經過多年的實戰摸索并總結實際施工經驗，采用擴散器分段預制、運輸、下放，然后使用旋轉法蘭進行水下連接較為普遍，相對傳統擴散器安裝方式具有如下優點：

1）擴散器現場分段預制，可將長達百米的大型構筑物分段預制成幾十米的小型物體，減小了吊裝、轉運難度，有利于現場操作；

2）擴散器連接時采用水下旋轉法蘭進行組對，其只需借助浮吊及舷吊將已鋪管線和擴散器微微吊起，潛水員即可快速、安全的完成水下連接。該預制、安裝方式的安全性和適用性已獲認可，已經發展成為海洋市政管線擴散器安裝的重要施工工藝。

[1]《海洋工程設計手冊—海上施工分冊》[M].第三版,161-165.

[2]馬良,王金英.海底管道的埋設[J].油氣儲運,1993(1): 15-17.

[3]《ANSI standards》.45-48.

[4]《ABS Steel vessel Rules 2007》.52-53.

[5]《中國油氣田地面工程技術交流大會論文集》.2013,756-759.

[6]《船舶工程》2013(5): 22-25.

[7]O.M.帕利.船舶結構力學手冊[M].北京: 國防工業出版社,2007: 21-23.

[8]竺艷蓉.海洋工程波浪力學[M].天津: 天津大學出版社,1991:25-27.

Research on Installation Technology of Marine Municipal Pipeline Diffuser

LI Ming,WANG Ming-qiang,WANG Xiao-dong,PENG Fei,LIU Fei,CHENG Long-sheng
(Sixth Engineering Company of CPP,Tianjin 300272,China)

The main structure forms and characteristics of the marine municipal pipeline diffuser is presented in this paper.Besides,the construction preparation and main installation methods of marine municipal pipeline diffuser are dissected.Finally,the current construction technology and procedure of the diffuser installation in the ocean engineering is summarized,which show that the construction technology selection of marine municipal pipeline diffuser installation mainly depending on the diffuser length,its material,local sea current,surge and local climate,etc.At the same time,this paper also illustrates a more conventional and effective diffuser installation method----its underwater connection is realized by prefabricatingon the land,accurate positioningat sea,transportation with the aid of the ships section by section,liftingsection by section and launchingand finally connecting by rotary flanges,which points out the research direction of marine municipal pipeline diffuser installation and also lays the foundation for exploring safer and faster installation method.

diffuser; accurate positioning; lifting section by section; underwater connection; rotary flanges

TV92

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.008

李明（1983-），男，工程師。研究方向：主要從事海洋市政管線鋪設、海洋市政管線擴散器安裝以及海洋構建筑物施工等關鍵技術研究工作