某氣田地面建設工程中鋼結構的應用與創新

李光文 鄧君富 于 慶 劉 弄

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 成都 610066;3.中國石油集團工程設計有限責任公司,北京 100085;4.成都東軟學院,四川 成都 611844

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某氣田地面建設工程中鋼結構的應用與創新

李光文1鄧君富2于 慶3劉 弄4

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 成都 610066;3.中國石油集團工程設計有限責任公司,北京 100085;4.成都東軟學院,四川 成都 611844

鋼結構廣泛應用于天然氣處理廠管架、輕鋼結構建筑和河流跨越工程。某氣田地面建設工程中天然氣處理廠鋼結構管架采用高強螺栓連接形成穩定的空間結構來代替傳統焊接結構,天然氣外輸管道河流跨越采用懸臂桁架結構代替傳統的簡支鋼桁架結構,是鋼結構應用與創新的一次理論與實踐的結合,開創了氣田地面建設工程鋼結構設計的新理念,技術方案可行，具有較好的經濟效益和社會效益。

鋼結構;螺栓連接;懸臂結構;應用;創新;氣田地面建設

0 前言

鋼結構是氣田地面建設工程中的主要結構之一，在天然氣處理廠管架、輕鋼結構建筑和河流跨越工程中應用廣泛。

某氣田地面建設工程是中國石油集團公司目前在海外承建的最大天然氣能源建設總承包項目,該氣田屬典型的“六高氣田”[1],因此對設計和施工要求嚴格。該工程設計考慮到所在國的實際情況和項目特點,充分利用總承包的組織集成[2]優勢,克服設計與施工分離造成的各種弊端,在滿足氣田生產運行需要和降低工程施工難度的前提下,以設計創新和優化鋼結構作為突破口。創新優化后的鋼結構設計主要以螺栓連接、懸臂結構替代傳統的焊接連接[3]和簡支鋼桁架結構,成功地解決了施工技術要求高、作業勞動強度大、施工質量受環境影響大、高空作業安全風險高等施工難題。天然氣處理廠鋼結構管架采用高強螺栓連接后,實現了鋼結構工廠化預制[4]和現場地面組裝、整體吊裝的作業方式。天然氣外輸管道河流跨越采用懸臂桁架結構后解決了傳統跨越技術施工難度大、費用高等問題。本文針對該工程鋼結構兩種設計模式下的優缺點進行分析說明,為今后氣田地面工程的鋼結構設計和施工提供指導意義。

1 鋼結構設計

1.1 高強螺栓連接設計

該工程鋼結構總量約12 500 t,其中天然氣處理廠約11 800 t。考慮所在國工業基礎落后、施工技術人才匱乏、中方人員至現場困難等特點,總承包方多次組織鋼結構設計優化專題會,最后決定工程所有鋼結構均采用高強螺栓連接[5]替代焊接設計。高強螺栓連接設計[6]比焊接設計要求高,不僅要考慮荷載大小和構件截面尺寸等關系,還需考慮結構受力的合理性以及結構支撐系統與工藝管道在位置、標高上互相矛盾的問題。

為完成高強螺栓連接的設計任務,設計方組建專業技術團隊對相關規范[7]進行研究,同時將鋼結構廠房高強螺栓連接設計的成熟經驗運用在管架結構設計中,并將氣田管道生產運行時的相關參數、振動荷載等數據錄入鋼結構設計軟件中,通過采用建立模型進行實際工況模擬,不斷調整和優化結構設計,滿足氣田管道生產運行需要。

設計過程中還充分考慮到所在國標準注冊困難等因素,對涉及的節點詳圖,不能直接引用標準圖集,只能把工程涉及到的部分標準內容、節點詳圖等以設計文件的方式體現。

1.2 河流跨越結構設計

河流跨越是長輸油氣管道不可或缺的一部分,隨著科學技術的發展,出現了大跨度懸索跨越[8]和非開挖定向鉆[9]等新技術,但這類技術施工難度大、費用高。如何選擇經濟合理和施工難度相對低的跨越方案,也是本工程技術攻關的重點。根據該工程管道跨越河流的地質情況及河道管理部門對跨越提出的相關技術條件,設計人員秉著結構滿足安全性、耐久性和適用性的原則,按照經濟最優、施工難度最低的方案對管道跨越工程進行設計。通過多次方案比選、調整優化,最終方案為:跨越工程基礎下部結構采用鋼管樁[10]代替傳統鋼筋混凝土灌注樁[11],上部結構采用懸臂桁架[12]結構代替三角形截面的簡支桁架[13]結構,河流漫灘地段采用簡易鋼結構,人行檢修通道位于管道頂部。河流段跨越懸臂桁架結構見圖1，漫灘段跨越結構見圖2，懸臂桁架與簡支桁架方案對比方案見表1。采用懸臂桁架結構方案創造了外輸管道河流跨越[14]的新思路,值得在國內外大中型天然氣管道河流跨越中推廣應用。

圖1 河流段跨越懸臂桁架結構

圖2 漫灘段跨越結構

表1 懸臂桁架與簡支桁架方案對比

對比指標懸臂桁架簡支桁架河流段跨越長度(主跨)/m75×1680×15漫灘段跨越長度(次跨)/m50×1650×16樁基礎(樁長均為40m)/根主跨鋼管樁Φ1020×16,4根次跨鋼管樁Φ1020×16,2根主跨灌注樁Φ1050mm,2根次跨灌注樁Φ1050mm,1根上部結構(主跨)30m懸臂桁架80m簡支桁架鋼結構用量/t2334.3831399.742混凝土用量/m3-4800工程費用/萬元5617.47083.0工期/月810

2 鋼結構施工

2.1 高強螺栓連接施工

該工程位于沙漠腹地,為減少鋼結構焊接工作量,將焊接連接改為高強螺栓連接,采用高強螺栓連接后的鋼結構實現了工業化生產的條件。

國內鋼結構預制車間按照圖紙完成下料并對構件進行統一編號,材料運輸至現場后,現場人員根據編號與圖紙進行核對,保證部件按要求分類堆放。

地面完成每榀鋼結構組裝后整體吊裝,主結構安裝完成后開始安裝各支撐系統的連系梁結構，高強螺栓連接安裝見圖3。待整體安裝形成后,立即對下部的基礎進行二次灌漿[15]。

圖3 高強螺栓連接安裝

鋼結構高強螺栓連接在天然氣處理廠管架結構中初次采用,安裝上應注意[16]:

1)高強螺栓穿孔應自由傳入,不允許強制打入孔中或任意擴孔,螺栓傳入方向應力求一致。

2)高強螺栓安裝時,臨時螺栓不得少于接頭螺栓數量的1/3,且不得少于2個,但不得使用高強螺栓兼作臨時螺栓,防止損傷高強螺栓引起扭距總數變化。

3)高強螺栓安裝不得在雨雪天進行,被安裝構件的摩擦面應處于干燥狀態。

5)高強螺栓連接部位的附近,嚴禁隨意動用氣割、電焊等,當天安裝高強螺栓,必須當天初擰完畢。

6)為使螺栓群中所有高強螺栓均勻受力,保證摩擦面摩擦系數,初擰和終擰必須按一定的順序進行,一般高強螺栓群由中央向外擰緊,對于作業面狹小或受限空間的螺栓,采用專用終擰扳手緊固,也可用手動測力扳手進行終擰,并在高強螺栓上涂白漆以便檢查。

7)每個鋼框架高強螺栓安裝緊固順序:一般應從接頭剛度大的地方向不受拘束的自由端順序進行;或者從栓群中心向四周擴散方向進行。

高強螺栓連接的安裝技術要求與焊接連接相比更低,采用的安裝設備也簡單,當地員工經過培訓合格后即可上崗,實現了用工屬地化,為氣田的按期投產提供了有力保證。

2.2 河流跨越結構施工

該工程的河流跨越采用鋼管樁懸臂梁結構,整個跨越工程的施工難度相比鋼筋混凝土灌注樁簡支桁架結構難度顯著降低。首先，基礎采用鋼管樁降低了灌注樁在水中澆筑混凝土的問題;其次,單跨懸臂結構比單跨簡支結構重量更輕,便于運輸和吊裝。

在施工過程中,根據河流地質情況和打樁深度選擇合適的打樁船,根據GPS定位系統拋錨定位[17],將鋼管樁通過運樁船運至施工地點,打樁船移至運樁船側,通過船上打樁架設備完成鋼管樁的初步就位,最后根據GPS數據精確定位,啟動打樁程序,并記錄樁頂標高和貫入度。遠程打樁定位系統采用GPS靜態技術確定基準點數據,GPS發射臺基準站應建立在辦公區域固定物體上,便于管理維護。打樁過程中應根據設計樁位圖進行碰樁驗算,避免打樁時碰樁。打樁完成后進行上部懸臂結構施工。

3 對比分析

3.1 鋼結構高強螺栓連接與焊接連接

實踐證明,鋼結構高強螺栓連接取代焊接具有明顯優勢,具體對比見表2。

3.1.1 預制程度和施工效率

表2 鋼結構高強螺栓連接和焊接對比表

對比指標高強螺栓連接焊接連接預制程度和施工效率高低勞動強度和安全風險低高施工機具及人員少多施工難度低高

高強螺栓連接采用特制的扳手扭螺帽[18],使螺栓產生巨大而又受控制的預拉力,同時在預壓力作用下,被連接件表面產生較大的摩擦力,當軸力小于摩擦力,構件便不會滑移,連接則不會受到破壞,這就是高強螺栓連接的原理。因此鋼結構高強螺栓連接替代焊接方式后,不僅施工流程更簡化,而且安裝效率提高了2～3倍。

3.1.2 勞動強度和安全風險

焊接連接主要包括選料、下料、焊接、焊縫防腐等過程,現場工人的勞動強度大,效率低,且受自然環境影響較大；高強螺栓連接不僅施工效率高、勞動強度低,而且能保證施工現場的整潔,滿足文明施工的要求。

隨著新《安全生產法》的正式實施,安全生產被提高到了一個前所未有的高度,高強螺栓連接的鋼結構大部分工作在地面完成,減少了高空作業的風險,降低了因焊接造成的職業傷害[19]。

3.1.3 施工機具及人員

焊接連接需大量的機械設備投入,如電焊機、發電機、焊條烘烤機、吊車等，同時需要大量的操作人員；而鋼結構采用高強螺栓連接僅需要吊車和扭矩扳手即可,實現了機械設備和人員的簡化,操作更方便。

綜上所述,高強螺栓連接具有施工簡單,受力性能好,安裝拆卸方便以及在動力荷載作用下不致松動等優點,同時也能保證施工現場的安全文明施工[20]。

3.1.4 施工難度

焊接連接屬于特種作業,對焊工技能要求較高,必須持證上崗,且受自然環境影響較大[21]；高強螺栓連接沒有嚴格的技術條件限制,僅需滿足扭矩值要求即可,且受環境影響較小,普通操作人員經過培訓合格后即可上崗,螺栓連接還減少了對焊縫的無損檢測和焊縫防腐[22]等工作。

3.2 懸臂桁架結構與簡支鋼桁架結構

在同一條件下,懸臂桁架結構與簡支鋼桁架結構相比,不僅在工程總造價上有明顯地降低,而且施工難度更低,更易于保證工程施工質量。表3為本工程相同條件下采用不同方案得出的工程量對比值。

表3 懸臂桁架結構與簡支鋼桁架指標對比說明表

對比指標懸臂桁架結構簡支鋼桁架工程量/t費用/萬元工程量費用/萬元鋼筋混凝土灌注樁004480m34838.4建筑鋼筋00680t918.0鋼管樁16123640.700上部鋼結構7221326.71399t2570.7

由表3可見,懸臂桁架結構更具優勢,該河流跨越工程采用懸臂桁架結構比采用簡支鋼桁架結構節約3 359.7萬元。同時其水下基礎部分也具有以下優勢:

1)施工機具設備方面。鋼管樁施工設備簡單,僅需要打樁船和運樁船就可以完成基礎施工；灌注樁基礎施工需打樁船、鉆孔機、混凝土攪拌設備、混凝土運輸設備和澆筑設備。

2)施工質量方面。鋼管樁施工質量更易控制,施工周期短；灌注樁施工過程中質量風險和施工難度更大,容易出現孔壁坍塌、鉆孔偏斜、斷樁等質量問題[23],混凝土水下施工質量很難保證,一旦出現質量問題很難處理。由于混凝土的自身特性決定了其施工周期較長。

3)安全文明方面。鋼管樁施工能夠保證現場的安全文明施工,施工過程中對周圍環境基本無影響；鉆孔灌注樁成孔過程中產生大量的泥漿,會對河道造成環境污染,需要進行處理，攪拌混凝土也影響現場的文明施工。

綜上,天然氣外輸管道河流跨越鋼結構懸臂桁架結構與簡支鋼桁架結構相比,造價低,易施工,更能保證施工質量和工期。同時上部結構的運輸和吊裝懸臂桁架結構比簡支鋼桁架更容易施工。

4 結論

天然氣處理廠鋼結構高強螺栓連接技術和天然氣外輸管道河流跨越懸臂桁架鋼結構技術創新設計成果在某氣田地面建設工程中得到了成功應用,保證了施工質量及進度,減少了高空作業的安全風險,提高了現場的安全文明施工程度和國際化的管理水平,是一次理論與實踐結合的創新,開創了油氣管道河流跨越結構設計的新理念,從施工方面來說不僅節約了工程成本,還縮短了施工周期。鋼結構高強螺栓連接技術和河流跨越懸臂桁架結構技術創新設計成果為同類工程建設的設計和施工提供借鑒。

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2016-01-28

中國石油天然氣集團公司重點工程資助項目(S 2010-14 E)

李光文(1983-),男,陜西柞水人,工程師,學士,主要從事石油天然氣地面工程的總圖設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.019