大口徑長輸管道水域段漂管施工技術

郭華鋒，鄭 亮，王智明，楊 坤，郭 祥，侯 宇

1.天津大港油田集團工程建設有限責任公司，天津 300271

2.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北廊坊 065000

3.國家管網集團建設項目管理分公司，河北廊坊 065000

在中俄東線天然氣管道工程項目（DN1422、X80鋼級）啟動的同時，京津冀周邊的河北新天唐山LNG外輸管道項目（DN1422、X80鋼級，簡稱唐山LNG項目）、北京燃氣天津南港LNG應急儲備項目外輸管道工程（DN1219、X80鋼級，簡稱北燃LNG項目）、蒙西煤制天然氣外輸管道項目一期工程（DN1016、X80鋼級，簡稱蒙西項目）陸續開工建設。上述工程有一個共同的特點：管道口徑較大，施工主體要求采取全自動焊接施工工藝，都有連片的水域段施工，存在地面承載力差、設備行走困難等難題，施工難度較大，本文依托唐山LNG項目AA108-AA112段管道施工對大口徑管道在水域段漂管施工技術進行介紹。

1 工程概況

唐山LNG項目中AA108-AA112段穿越大面積養殖塘，穿越長度3 850 m，水域寬度約0.5 km，管道規格為D 1 422 mm×25.7 mm，材質為X80鋼。此段水深約1 m，地表淤泥厚度0.9 m，下層土質為淤泥質土，且并行陜京管道敷設，間距為15～20m，無道路可以依托，管中心距離岸邊約35m。

2 施工總體方案

經調研和現場勘查，由于此段路由水域面積巨大，地質為淤泥，若采取以往的圍堰排水方案，作業帶內運布管及焊接作業施工難度極大，且由于并行管道距離較近，全自動焊重型設備在作業帶內來回碾壓，對地下管道和伴行光纜造成較大風險。經多次研討和專家評審，最終確定采取以下施工方案：首先在岸邊搭建預制平臺，管道在平臺上分段預制，利用滾輪將管道分段發送至水中，在平臺上進行段與段間的連頭，重復上述步驟直至漂管段全部完成；在漂管發送的同時，用水上挖掘機進行圍堰；漂管完成后，排水將管道沉至塘底，采用挖溝沉管的方式將管道沉至設計標高，安裝壓載后及時進行管溝回填。

3 工藝流程

根據施工總體方案，水域段漂管施工工藝流程如圖1所示。

圖1 漂管工藝流程

4 施工方法

4.1 施工準備

根據圖紙對水域進行實地踏勘，深入了解線路經過水域的全年水位情況及地下障礙物情況，采用水下地形無人測量技術對水下地貌情況進行測量，了解是否存在未注明的溝渠。無人測量船見圖2。

圖2 無人測量船

4.2 測量放線

采用漁船載人和測量儀器RTK對水域段進行測量放線，測量放線使用插長竹竿的方式進行標識，放線間距控制在30～50 m。

4.3 施工便道修筑

（1）當便道通過小的農田灌溉溝渠時，敷設過流涵管，涵管數量根據水渠里的水量而定。管道周圍采用編織袋裝土填實，并使用推土機壓實，保證施工設備的通行，竣工后將涵管拆除恢復地貌。

（2）對承載力較差的軟土地基段，應對原有的土路進行加固，可采取底層鋪一至兩層竹排、樹木廢料等，再鋪土工布，上面墊袋裝砂石對其進行加固，增加施工便道的承載力，以滿足設備通行需要。

4.4 預制平臺搭建

4.4.1 平臺類型

（1） 臨近水域邊有地基承載力較好的旱地，可以直接修建漂管平臺，在漂管預制的中軸線上鋪設鋼板進行錨固后安裝混動軸承，進行漂管。

（2） 臨近水域邊有地基承載力一般的旱地，可以采取漂管平臺地面滿鋪鋼排或鋼板，在漂管預制的中軸線上鋪設鋼板進行錨固后安裝混動軸承，進行漂管。

（3）漂管起點地質承載力較差或無漂管位置，可以采取拉運渣石或素土修筑漂管平臺，在漂管預制的中軸線上鋪設鋼板進行錨固后安裝混動軸承，進行漂管。

4.4.2 平臺搭建規格

4.4.2.1 平臺長度

綜合考慮漂管的長度、工期要求以及機組施工資源的配置決定平臺搭建的長度。首先需要考慮在漂管過程中發送管道需達4～5根管長方可返平，在滾動軸承上將發送管道與預制管段進行連頭作業；其次需考慮焊接機組每日焊接長度及平臺兩端需留有設備通行的寬度。

平臺長度=單機組每日焊接長度+返平長度+兩端設備通行道路寬度。

唐山LNG項目AA108-AA112段平臺焊接機組每日焊口約為11道（長度約為144 m），返平段長度約為60 m，兩端設備通行寬度約為26 m，所以此處平臺現場總長度為230 m。

4.4.2.2 平臺寬度

因預制段管道需要經過100% AUT+100% RT檢測24 h后再進行防腐作業，為了保證焊接機組的連續作業，平臺上必須保證預制三趟管道的施工作業面。漂管平臺平面布置見圖3。

圖3 漂管平臺平面布置

平臺寬度=｛4～6 m｝ （吊管機行走位置） +｛2～2.5 m｝ （漂管滾輪架安裝位置）+8 m（3趟預制管道占位）+6m（焊接設備占位）+｛2～10m｝（平臺設備過道占位）。

平臺的搭設寬度可以根據現場是否就近設置臨時堆管場而調整，一般根據現場情況搭設寬度控制在22～35 m為宜。經核算唐山LNG項目AA108-AA112段漂管平臺寬度為35 m。

4.4.2.3 平臺高度

漂管平臺以高出全年最高水位0.5 m左右為宜；AA108-AA112段漂管平臺搭設在池塘內，平臺搭設高度為2 m，現場具體情況見圖4。

圖4 AA108-AA112段漂管平臺現場

4.4.3 漂管預制平臺的搭設與制作安裝

4.4.3.1 發送滾輪小車的設置

（1）在管道發送軸線上設置發送滾輪小車，安裝間距滿足GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》[1]中管道吊管下溝間距要求。滾輪規格按照其承受管材質量的1.5～2倍選擇，一般規格有15 t/20 t/25 t/30 t幾種常規類型。以唐山LNG項目為例，按照DN1422管道吊管下溝的吊點間距不大于20 m的原則，選擇滾動軸承小車的承重能力（30 t），安裝間距選擇在15 m左右。發送滾輪見圖5。

圖5 平臺發送滾輪

（2）入水段的第一個滾輪小車由于承受的壓力最大，因此其所墊的鋼板需要鋪墊在路基板上，增大抗變形的承受能力以及抗沉降的能力。

4.4.3.2 預制管排支架的施工

在預制區，可采用工字鋼、H型鋼制作預制管排支架，支撐下面一般鋪設厚20 mm、板幅1.2 m×6 m的鋼板做地板墊，以提高地基承載力。支架橫梁的安裝高度與緊鄰的滾輪小車的斜軸承最高邊緣齊平。唐山LNG項目支架橫梁高度為0.8 m。管排支架見圖6。

圖6 預制管排支架

4.5 漂管平臺上管道的預制、探傷、防腐

（1）根據全自動焊焊接工藝規程在預制管排支架上進行管道的分段預制，在滾輪支架上共預制3排管道，每排管道有11道焊口，長144 m為一段。

（2）在第一段的端部焊接帶牽引裝置的橢圓封頭。

（3） 管道焊接后立即進行無損檢測，全自動焊焊口一般采RT和AUT檢測；無損檢測合格后，立即進行防腐補口補傷。

（4）管道無損檢測、補口補傷合格后將其移位吊裝至滾輪上。

4.6 漂管施工

4.6.1 管道漂管計算

4.6.1.1 漂管深度計算

以AA108-AA112段漂管施工為例，管道規格為D 1 422 mm×25.7 mm，截取1 m管道，兩端密封，全部沉入于水中時，管道漂浮情況見圖7。

圖7 管道漂管示意

管道漂浮深度計算步驟如下：

式中：G重為1 m管道自身重力，kN；F浮為1m管道在水中受到的浮力，kN；ν管為1 m管道的體積，m3；ν水為1 m管道沒在水中的體積，m。

若G重＜F浮，則管道可浮在水面上。當管道浮于水面時，依據G重=F浮，可計算管道漂管所需最淺水深H。

D 1 422 mm管材的截面積：S=πR2=3.14×0.711×0.711=1.587 （m2）

D 1 422 mm沉入水下截面積為S1，由F浮=S1×ρ水gL=G重（L為管長），計算可得S1為0.885 m2。

浮在水面上弓形面積為S2=1.587-0.885=0.702（m2）。

扇形面積公式為：

式中：S為鋼管截面積，m2；S1為管道沉入水中截面積，m2；H1為管道沉入水中深度扣除半徑的高度，m；H為管道沉入水中深度，m；θ為鋼管浮在水面部分扇形中心角，（°）；R為鋼管半徑，m。計算得θ≈169.63°。

所以H=H1+R=0.711 m+0.064 m=0.775 m，考慮防腐層厚度和水域底部的不平整，因此增加部分管體入水深度，按照當管溝中水的深度大于0.9 m時管道在水中就能浮起來，在外力的輔助牽引下就能輕松移位，達到漂管的目的。

4.6.1.2 管道漂管彈敷受力和高差計算

管道漂管時彈敷落差高度為h，根據分析第一個滾輪位置管道受力最大，漂管過程中，由彎曲產生的管道彎曲應力公式以懸臂梁均布載荷梁模型推導出。當梁的最大彎曲應力σmax等于許用彎曲應力[σ]時，就可計算簡支梁端點處撓度，即最大允許溝深hmax。將模型簡化為分別受均布載荷q、支反力FB作用的懸臂梁，示意見圖8。

圖8 管道自由端彈敷受力

漂管彈敷高差計算公式推導如下：

式中：L為變形段總長度，m；L1為滾輪上變形段長度，m；L2為懸空段長度，m；h為彈敷高差，m；hmax為最大允許高差，m；ωB為支點B的撓度，mm；ωC為支點C的撓度，mm；FA為支點A提供的支反力，N；FB為支點B提供的支反力，N；MA為嵌固端A處提供的力矩，N·m；∑MA為以A點為支點時整個系統的力矩之和，N·m；D為管道外徑，mm；d為管道內徑，mm；q為管道單位長度自重，N/m；E為彈性模量，一般取2.06×105MPa；I為管道的慣性矩，mm4；σ為鋼管屈服強度，MPa；σmax為管道漂管最大應力。

漂管斷面見圖9，現場實際高差為：0.8m（滾輪高度）+0.5m（平臺至水面高度）+0.775 m（管道入水深度）≈2.1 m。

圖9 管道漂管斷面

由最大允許彈敷高差計算公式可知，材質為X80鋼的D 1 422 mm×25.7 mm管道允許最大彈敷高差為3.97 m，而實際漂管彈敷高差為2.1 m，滿足設計及規范要求。

4.6.2 引溝開挖

（1）對于水深不滿足漂管要求的水域，用水陸兩棲挖掘機提前進行預挖溝，使管道漂管位置水深滿足要求。AA108-AA112段水域深度為1 m，滿足漂管要求。

（2）在漂管開始前，由于管道入水存在扎頭向下情況，為了不損傷管道的防腐層，因此在緊靠平臺前端的管道中心位置進行預挖溝，預挖溝深度一般在2 m左右，并且在漂管段的前端用挖掘機進行輔助吊裝漂管。

（3）對于連片池塘之間的塘壩或鄉村道路，采取斷路后兩側進行打樁增加鋼基礎，上面架設鋼結構橋的方式進行打通漂管通道，漂管過塘壩或道路見圖10。

圖10 漂管過塘壩或道路示意

4.6.3 漂管施工

（1） 漂管前采用環形電火花檢漏儀進行整個下水段的防腐層外觀電火花檢漏，如有損傷或漏點及時安排人員進行修補。

（2） 在預制平臺用3臺70 t的吊管機輔助發送管道，在專職起重工的指揮下，行動協調一致，將管道緩慢前移入水。在管道入水后，前端安排一臺水陸兩棲挖掘機輔助前端的走位（沿管道中心線位漂管），若水深較大，可用小型拖船進行管道的牽引，直至第一段管道漂管就位，末端停留在與后段連頭位置。

4.7 管段連接

第一段管道漂管完成后，在平臺上預留4～5根管長度，然后將預制好的第二段管道吊裝移位至滾輪上進行連接。平臺上管段的連接一般采用組合自動焊的施工工藝，焊接完成后立即進行AUT檢測，24 h后進行RT檢測，合格后進行連接口的防腐補口工作。

重復進行平臺上管道預制、探傷、防腐、漂管施工、管段連接工序，直至管道漂管全部完成。

4.8 入水管道限位

為了減少大面積水域水面上的波浪及風力對管道在漂管過程中的沖擊以及管道對口過程的影響，漂管完成后立即進行打樁限位作業，采取沿管位中心線兩側各1m的位置打“井”字型的固定樁，使用D 89 mm×4.5 mm無縫鋼管固定，每隔50～100 m距離打一個樁。限位樁形式見圖11。

圖11 限位樁示意

4.9 圍堰、抽水

（1）當水深較淺時，可用水陸兩棲挖掘機進行就地取土圍堰，唐山LNG項目采取就地取土方式進行圍堰，兩次堆積成型；當水深較大或地質情況較差時，可采取打插板樁或采用雙排木樁+竹笆片（中間就地取土填充）方式進行圍堰[2]，對于水深大于2 m且無法總體降水的可采取外購土筑壩圍堰。

（2）圍堰完成后，利用水泵將作業帶內的水排出，管道在自身重力下緩慢降至塘底。

（3）排水降管過程中，可使用水陸兩棲挖掘機調整管位，確保其落在設計中線上。

4.10 挖溝沉管

（1）由于水域段地基承載力較低，管溝成型質量較差，無法采用常規管溝開挖后吊管下溝方式施工，一般采用雙側開挖沉管下溝方法進行施工，即沿管道雙側開挖管溝，利用管道自身重力作用緩慢將管道自然降落到管溝內。

（2）雙側沉管下溝時，在管道一端用2臺單斗挖掘機在管道兩側對稱進行管溝開挖[3]。一次沉管深度應滿足規范QSY GDJ 0387《油氣輸送管道沉管下溝施工規范》[4]，D 1 422 mm×25.7 mm管道每層沉管深度不大于3.97 m，如管道埋深較大，可進行分層沉管。

（3）沉管下溝過程中，挖掘機應與管道保持足夠的距離，且大于挖掘機旋轉半徑，宜采取防腐層保護措施，防止損傷管道防腐層。

（4）沉管下溝過程中，管道與溝底接觸前，應采用電火花檢漏儀檢查管道防腐層，如有破損或針孔應及時修補，檢測電壓應符合設計或現行有關標準的規定。

（5）水域段穿越時，管溝開挖滿足GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》[5]的技術要求。

4.11 壓載安裝、數據采集

（1）管段沉降到管溝底部后，應立即測量管道的管頂標高、地面標高、焊口坐標，確認管道埋深達到設計要求，并填寫竣工測量表。

（2）沉管下溝過程中，遇到高地下水位地區需要對管道壓載的，應按設計圖紙要求測量定位，并在管道安裝位置作標記，用水陸兩棲挖掘機吊裝壓載、將其安裝到位。

4.12 管溝回填、地貌恢復

（1）管道下溝、壓載安裝完成，經測量符合規范要求，監理確認后應立即進行管溝一次回填、鋪設警示帶，隨后進行原土回填。

（2）在管道下溝回填后，應使用雷迪音頻測儀進行地面檢漏，如有漏點及時進行開挖補傷。

（3）管溝回填完成后，立即進行地貌恢復。

5 實施效果

對于唐山LNG項目AA108-AA112段穿越3 850 m水域的管道漂管施工，在2020年8月進行了方案的編制，并通過業主組織的專家審查會，2020年10月1日開始漂管作業，至2021年1月10日漂管作業完成，有效焊接時間為60 d，且至2021年5月25日，完成本段全部挖溝沉管、管溝回填、地貌恢復作業，水域占用時間為235 d，管道焊接一次合格率達98%。而在類似地區的AA112-AA115段穿越2 840 m水域施工，采取圍堰排水、作業帶硬化處理后進行布管、焊接作業，此段管道自2020年11月3日開工，至2021年9月15日完成地貌恢復，焊接時間100 d，水域占用時間322 d。通過兩段水域施工的對比，平臺預制漂管作業無論是在施工功效、減少占地時間，還是在施工質量上都有明顯的優勢，此施工工藝在唐山LNG項目取得了較好的應用效果，受到業主和監理的一致好評。

6 結束語

通過唐山LNG項目、北燃LNG項目、蒙西項目等多個工程現場應用驗證，與圍堰排水、作業帶硬化、管道布管焊接等一般施工方法相比，預制平臺漂管施工方法解決了水網地段地基承載力差、全自動焊設備行走和施工困難的難題。搭設漂管平臺，將焊接、防腐、檢測的施工集中在平臺上進行，創造了良好的施工環境，有效提高了施工質量，降低了施工安全風險；施工總工期較短，減少了征水域占用時間，降低了征地費用；并且減少了施工作業對近距離并行管道的擾動，降低了施工風險。漂管施工技術可在大面積水域、地基承載力較差的地段進行推廣應用。