長輸管道定向穿越優化設計與應用探究

徐敏　石成金

摘 要：定向鉆穿越工藝對地質條件有相當嚴格的要求，該工藝適宜于穿越的地質條件有：黏土層、亞黏土層、粉砂層、中砂層。水平定向鉆穿越作為非開挖施工方式的一種，施工技術已相當成熟，憑借其工期短、不破壞河流原貌、對周圍的環境影響小的優點，在國內外大型河流穿越中得到廣泛應用。在實際工程項目中，穿越失敗案例也時有報道，影響定向鉆穿越的成功有很多因素，合理的設計至關重要。

關鍵詞：水平定向鉆穿越;優化設計;參數設定;強度設計;抗震設計

擬設計管道DN450 設計壓力 6.0 MPa。根據規劃對輸油管道路由比選，確定該管道最終路由需穿越區域位于二級水源保護地。主管部門要求本工程穿越采取最嚴標準進行建設，本文中對管道定向鉆穿越中幾個設計要點進行了重點分析。

1穿越地層的確定

需要穿越地層位于沖積平原，土質雖然比較適合穿越，但這種地質也有不利條件，如果土壤含水量少，在穿越過程中的固孔效果很好，但硬度增加，增加施工難度;如果含水量過

多，就會形成流沙層，固孔效果非常差。穿越時應根據地勘報告選擇在穩定土層穿越。本案例中，根據地勘報告，從標高 2.00～-10.00 m 約 12 m 的范圍內全部為流沙層。如果將穿越軌跡全部設置于流沙層中，風險就相當大，所以只有增加穿越深度，把穿越水平段定在黏土層（標高為-20.0m），使穿越管道大部分處于比較穩定的土層中。

2 穿越設計參數

2.1 定向鉆的出入土角度的確定

穿越時管道的出、入土角度直接影響到穿越的長度和深度，出、入土角度越大，拖拽管道的阻力就越大，施工難度就越大。根據 GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》，入土角取6°～20°，出土角取 4°～12°。實際工程中對于直徑較大的管道，入土角一般取 9°～12°，出土角取 4°～10°。本項目中，確定輸油管道的入土角為 12°，出土角為 10°。

2.2 曲率半徑

定向鉆鉆進時曲率半徑按規范要求不應小于1200D（D：鋼管外徑），這主要基于 RB5 大型定向鉆機的要求。若曲率半徑過小，不僅會使管道的拖拉力增大，而且還影響到管道的穩定性。具體曲率半徑的選擇，需要根據工程項目實際情況確定。在條件具備時，對于 DN600 以上的鋼管穿越，曲率半徑一般應大于1500D。對于DN600 以下，為避免在地層條件良好的小口徑穿越中出現定向鉆長度過長、投資較高的情況，建議不小于 1200D。當受現場穿越條件限制，在合理選擇鉆進的情況下，最小曲率半徑可進一步降低至 1000D。本案例中，管道的曲率半徑按照 1500D確定。

2.3 穿越深度

管道穿越深度受多種因素影響，包括拋錨、采沙、河道疏浚、以及水下管道本身的穩定性等。根據 GB 50423—2013 規定，“水域穿越管段管頂埋深不宜小于設計洪水沖刷線或疏浚深度線以下 6m”。根據地勘報告，本項目管道選擇在粉質黏土層內穿越，保障了穿越安全性，避免產生孔洞塌方。本案例中將穿越段管道管頂與江底距離提高至 10m。

3 強度設計

3.1 管材選取

長輸油氣管道用鋼管可選擇無縫鋼管（SMSL）、螺旋縫埋弧焊鋼管（SAWH）、直縫埋弧焊鋼管（SAWL）、高頻直縫焊鋼管（HFW）等。一般管道直徑DN<400 的河流穿越，通常選用母材無縫焊接、質量可靠的無縫鋼管，對于直徑 DN≥400 的河流穿越，可選焊接鋼管。本案例選用綜合機械性能更好的 HFW 鋼管，等級為 L360M。

3.2 壁厚確定

為保證管道在運輸、鋪設和埋管過程中，不發生圓截面的失穩，應保證管道的徑厚比不小于 100。在滿足穿越條件下的管道徑向穩定要求下，其管道壁厚計算應按照GB 50423—2013 中式 3.2.3 進行計算確定，設計系數按照該規范表 3.2.2 進行選取，本項目中，輸油管道的強度設計系數取 0.5。

3.3 應力校核

近年來國內定向鉆穿越過程中，出現過幾次管道徑向失穩變形的事故。造成徑向失穩的因素包括管道壁厚選取偏薄、施工方案不合理、以及管道自身的材質和橢圓度不達標等。在設計階段采取措施避免失穩至關重要。一般定向鉆穿越管段選材和壁厚確定后，還應進行應力校核，包括強度、剛度、穩定性以及穿越時的徑向屈曲失穩等。本文重點對設計階段管道選材后的徑向屈曲失穩進行校核說明。

定向鉆穿越時，在高水位和泥漿壓力下，管道有可能產生局部屈曲現象，為此，經內壓計算確定壁厚后，還需要按照鐵木辛珂公式進行外壓失穩校核：本工程采用定向鉆穿越的管道穿越深度不超過 25 m，經計算，本項目中管道穿越段徑向屈曲強度滿足規范要求。

4 抗震設計

按照 GB 50470—2017《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》的規定，當大中型穿越管道位于設計地震動峰值加速度大于或等于 0.1 g 地區時，應進行抗拉伸和抗壓縮校核。本項目中，定向鉆穿越位置地震動峰值加速度為 0.1 g，本工程按照規范進行穿越段的抗震校核。

4.1 彈性敷設時管道的軸向應變計算

直埋式穿越管道的應變應按埋地管道的規定組合。對定向鉆的彈性敷設管道，應計入彈性彎曲應變，經計算，本工程彈性敷設時的管道軸向應變e為±0.000 33。

4.2管道的最大軸向拉、壓應變校核

直埋式穿越管道的容許應變值應按埋地管道選用，并應按 GB 50470—2017 第 6.1.2 條校核。地震作用下管道截面積軸向的組合應變計算，應將地震引起的管道最大軸向應變與操作條件下荷載（內壓、溫差）引起的軸向應變進行組合，并應按公式校核。

5 防腐

定向鉆穿越的管道一般敷設比較深，一旦穿越完成，如管道出現問題將無法進行修復。為此，在設計階段加強管道的完整性管理至關重要。管道外防腐作為管道完整性的主要評價內容，如何提高穿越段管道外防腐層增加耐磨、耐劃傷保護層是國內外定向鉆穿越一個研究方向。筆者認為，在不過多增加管道投資情況下，適當提高管道的防腐等級，對于增強管道的抗磨損和腐蝕能力有重要意義。本案例中，經對常用的幾種管道外防腐材料比選，管道外防腐采用抗沖擊性能優異、抗劃傷性能好的雙層熔結環氧粉末涂層。同時對穿越段全部管線采用光固化套保護，避免管道拖拉中防腐層的破損。

為保證油氣管道定向鉆穿越成功，定向鉆設計的合理性至關重要，本文以輸油管道為例，從穿越地質的選擇、設計參數確定、管道強度設計、管道抗震、外防腐等幾方面對定向鉆穿越的設計要點進行了重點分析，并提出了合理化建議，供今后類似項目設計參考。

參考文獻：

[1] 油氣管道定向鉆穿越勘察設計及主要施工技術[J]. 趙倩維. ?化工管理. 2016（35）