適應(yīng)山區(qū)管道全自動(dòng)焊的隧道設(shè)計(jì)探討

王曉峰 葛華 茍鳴宇 康凱

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 四川 成都 610041

2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西南管道分公司 四川 成都 610041

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，國(guó)家對(duì)石油、天然氣能源的需求更加迫切。截至2018年我國(guó)國(guó)內(nèi)油氣管道總長(zhǎng)度已達(dá)12.9萬公里，到2025年，中國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬公里。近幾年多起管道失效事故主要發(fā)生在管道環(huán)焊縫斷裂。主要原因是：鋼材冶煉、鋼管制管技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，焊接材料技術(shù)發(fā)展遲后，導(dǎo)致管道母材與焊接材料不匹配；環(huán)焊縫焊接施工基本采用自保護(hù)半自動(dòng)焊或者手工向下焊技術(shù)，存在較大的人為不利因素，主要體現(xiàn)為環(huán)焊縫焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接缺陷多、焊縫金屬韌性差、力學(xué)性能不穩(wěn)定、焊縫微裂紋普遍存在等缺點(diǎn)。尤其是施工環(huán)境更差，管道組裝殘余應(yīng)力大、地質(zhì)條件差、施工難度大的山地與丘陵地段，焊接接頭的失效率高于地勢(shì)平坦段；同時(shí)，全自動(dòng)焊的優(yōu)勢(shì)在于焊接工藝參數(shù)易控制、焊接過程穩(wěn)定、焊縫力學(xué)性能優(yōu)良、焊接參數(shù)可實(shí)時(shí)采集與傳輸。結(jié)合我國(guó)山區(qū)和丘陵等地形占比重、災(zāi)害多發(fā)、人口眾多等國(guó)情特點(diǎn)，全自動(dòng)焊施工對(duì)保障管道本體安全、公眾和環(huán)境安全至關(guān)重要。

我國(guó)管道自動(dòng)焊技術(shù)歷經(jīng)西氣東輸一線、二線、三線，中靖聯(lián)絡(luò)線，陜京二線、三線、四線，中俄原油二線管道工程等工程的技術(shù)改進(jìn)和經(jīng)驗(yàn)積累，在中俄東線北段普遍采用。中俄東線北段總體地勢(shì)較平緩，僅有40km左右的管線經(jīng)過坡度較小的丘陵，因此中俄東線平原及緩坡（坡度≤12°）管道正常焊口全面進(jìn)行全自動(dòng)焊接施工，在坡度不大于27°、坡長(zhǎng)小于130米的短坡段，采用場(chǎng)地全自動(dòng)焊預(yù)制、滑橇順管就位法，應(yīng)用比例達(dá)到了管道工程總焊口數(shù)的96.5%。采用場(chǎng)地全自動(dòng)焊預(yù)制、滑橇順管下溝就位的施工工法（施工周期約一周），是利用現(xiàn)有裝備最有效的工法，該工法雖然提高了全自動(dòng)焊口數(shù)量，但是降低了施工功效。在坡度>12°坡長(zhǎng)大于130m的陡坡段、連頭位置、熱煨彎管位置等，受設(shè)計(jì)理念、焊接裝備能力、施工設(shè)備能力及工法等制約，自動(dòng)焊技術(shù)仍得不到全面的推廣應(yīng)用。中俄東線北段的實(shí)施是我國(guó)平原及緩坡地段高輸送壓力、大口徑、高鋼級(jí)輸送管道溝上全自動(dòng)焊施工流水作業(yè)的里程碑。

為提高山區(qū)輸送管道本體質(zhì)量，適應(yīng)管道快速發(fā)展的需要，山區(qū)溝下全自動(dòng)流水作業(yè)與平原溝上全自動(dòng)流水作業(yè)技術(shù)平衡發(fā)展，開展山區(qū)管道全位置自動(dòng)焊研究是非常必要。

2 現(xiàn)狀調(diào)研

針對(duì)目前油氣輸送管道隧道工程的縱、橫斷面設(shè)計(jì)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有：《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50423-2013、《油氣輸送管道工程礦山法隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》SY/T6853-2019、《油氣管道山嶺隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》Q/SY 1444-2011等，相關(guān)規(guī)范明確的隧道橫斷面凈空尺寸，均為考慮管道在隧道內(nèi)采用半自動(dòng)焊接或手工焊接的操作工藝，因此，斷面尺寸相對(duì)較小【1】。在此情況下，無法在隧道內(nèi)的受限空間進(jìn)行全自動(dòng)焊接施工。

3 適應(yīng)全自動(dòng)焊的隧道設(shè)計(jì)研究

3.1 隧道橫斷面確定的原則

由于隧道所處地理位置、地質(zhì)條件、水文條件的差別，隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)襯砌支護(hù)的型式也不一樣；結(jié)合后期管道運(yùn)營(yíng)的要求，絕大部分山嶺隧道的防水等級(jí)較低，洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)部分滲水、滴水等，且洞內(nèi)空氣濕度相對(duì)較大；在隧道土建施工完畢后，由于洞口自然高差，導(dǎo)致洞內(nèi)形成的自然風(fēng)速較大（一般都大于3～5m/s）。因此，在隧道內(nèi)采用全自動(dòng)焊工藝時(shí)，必須采用防風(fēng)棚等防風(fēng)措施，才能滿足焊接質(zhì)量要求。

為了滿足在隧道內(nèi)進(jìn)行管道的全自動(dòng)焊接工作，需要充分考慮管道直徑、自動(dòng)焊機(jī)尺寸、管道起吊龍門架行走有效空間以及必要的應(yīng)急人行通道等等，綜合確定隧道內(nèi)凈空斷面尺寸。通過前期的理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合隧道實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，在此基礎(chǔ)上綜合比較分析，初步總結(jié)出下列相關(guān)計(jì)算公式：

3.1.1 隧道最小凈寬度可按照下式計(jì)算：

單根管道：

雙根管道：

式中：

W1—敷設(shè)單根管道的隧道凈寬，mm；

W2—敷設(shè)雙根管道的隧道凈寬，mm；

L1--自動(dòng)焊機(jī)防風(fēng)棚寬度，mm；

L2—單側(cè)龍門架行走空間，mm，可按300mm左右考慮；

L3—管道外壁距隧道側(cè)墻的凈距，mm，可按400～500mm考慮；

L4—兩根管道中直徑較大管道的外徑，mm；

L5—兩根管道中直徑較大管道的外壁距直徑較小管道的防風(fēng)棚外沿的凈距，mm，可按200mm左右考慮；

L6—兩根管道中直徑較小管道的防風(fēng)棚寬度，mm。

3.1.2 隧道最小凈高度可按照下式計(jì)算：

式中：

H— 隧道凈高，mm；

H1—自動(dòng)焊機(jī)防風(fēng)棚高度，mm；

H2—龍門吊距防風(fēng)棚的凈距，mm，可按100～500mm考慮（單根管道取小值，多根管道取大值）；

H3—隧道內(nèi)通風(fēng)管道有效高度，mm，可按500mm左右考慮。

隧道凈空斷面尺寸計(jì)算示意圖詳見圖1、圖2。

圖2 雙根管道架空敷設(shè)示意圖

3.1.3 隧道橫斷面推薦表

根據(jù)式1～式3計(jì)算，結(jié)合已建管道工程的實(shí)例，充分考慮在管道隧道施工、運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的各種情況，綜合比選確定幾種典型管道管徑及其組合的隧道橫斷面凈空尺寸，見表1。

表1 適應(yīng)管道自動(dòng)焊要求的山嶺隧道典型斷面推薦選用表

3.2 隧道內(nèi)平、縱斷面型式研究

根據(jù)已建工程的管道隧道施工實(shí)際情況，以及后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、定期檢測(cè)的情況，再結(jié)合目前需采用的隧道管道的全自動(dòng)焊技術(shù)，初步總結(jié)歸納了針對(duì)單坡隧道斜井的相關(guān)要求：

隧道斜井傾角不應(yīng)大于25°；

斜井傾角大于等于10°，且小于20°，斜井長(zhǎng)度不宜大于500m；

斜井傾角大于等于20°，且不大于25°，斜井長(zhǎng)度不宜大于400m。

按照現(xiàn)行規(guī)范的要求，中長(zhǎng)隧道和長(zhǎng)隧道建議優(yōu)先采用“人字坡”，以便于自然排水。隧道內(nèi)的坡度不宜小于3‰。在最冷月平均氣溫低于-3℃和地下水發(fā)育的地區(qū)，隧道內(nèi)的坡度不宜小于5‰。

根據(jù)以往已建工程的管道隧道施工實(shí)際情況，以及后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、定期檢測(cè)的情況，再結(jié)合目前需采用的隧道管道的全自動(dòng)焊技術(shù)，初步推薦隧道平面轉(zhuǎn)角不宜小于120°，以便于清管器的順利通過。

針對(duì)于隧道內(nèi)管道采用自動(dòng)焊的要求，結(jié)合洞內(nèi)焊接空間條件、等壁厚焊接等，推薦采用冷彎彎管方式進(jìn)行隧道洞口段施工。

3.3 隧道內(nèi)管道安裝方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

為了后期管道維搶修及改擴(kuò)建的方便，山區(qū)段隧道大多采用支墩架空敷設(shè)管道的方式。考慮到管道溫度應(yīng)力的變化，特別是壓氣站附近的隧道內(nèi)管道受影響較大，通過采用設(shè)置溫度補(bǔ)償段、錨固墩、限位管卡等方式，來有效抵抗和吸收溫度應(yīng)力產(chǎn)生的變形。通過對(duì)上述出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行仔細(xì)分析、歸納總結(jié)，我們對(duì)隧道內(nèi)管道支墩及管卡設(shè)計(jì)也進(jìn)行優(yōu)化：

對(duì)管道管卡設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在應(yīng)力分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，再適當(dāng)預(yù)留管卡與管道之間的活動(dòng)變形空間，保證管道在運(yùn)營(yíng)前不受附加外力，使得管道在豎向和橫向的一定范圍內(nèi)進(jìn)行有限位移，而沿管道軸向可以自由伸縮變形，這樣能更好進(jìn)行的溫度應(yīng)力補(bǔ)償。

針對(duì)于超過2000m的長(zhǎng)隧道以及部分管道應(yīng)力變形較大的中長(zhǎng)隧道，為了抵抗溫度應(yīng)力等，在洞外設(shè)置錨固墩以外，在隧道中部可以加設(shè)錨固墩，以滿足受力變形要求；錨固墩位置處應(yīng)采用特殊段隧道橫斷面（擴(kuò)大斷面）。

針對(duì)山區(qū)段隧道，可以充分依托隧道洞口外地形地勢(shì)條件，采用設(shè)置水平及豎向補(bǔ)償器方式，滿足管道受力變形需要。

4 結(jié)束語

綜上所述，在山區(qū)段隧道內(nèi)的管道全部采用自動(dòng)焊作業(yè)（內(nèi)焊機(jī)+雙焊炬），需要充分結(jié)合焊接機(jī)械和吊裝設(shè)備的運(yùn)行凈空尺寸，并兼顧隧道掘進(jìn)施工的特點(diǎn)，綜合確定隧道的橫斷面大小及縱斷面形式。通過簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析，同樣管徑的管道采用全自動(dòng)焊和非全自動(dòng)焊所需要的隧道斷面的土建投資增加百分比，敷設(shè)雙管的隧道大致增加費(fèi)用18%～23%左右；敷設(shè)單管的隧道大致增加費(fèi)用14%～33%左右。

同時(shí)，隧道結(jié)合項(xiàng)目智能化管道建設(shè)以及安全運(yùn)營(yíng)的需求，對(duì)隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)本體、管道及附屬結(jié)構(gòu)，以及洞外周邊可能對(duì)隧道洞口安全造成影響的潛在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行必要的監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，提出相關(guān)的規(guī)定和要求。

目前，相關(guān)的研究成果已經(jīng)在油氣管道行業(yè)的最新隧道設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中得以應(yīng)用（《油氣管道山嶺隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》Q/SY 06341-2022，已正式頒布實(shí)施 ），對(duì)于指導(dǎo)油氣管道隧道工程的建設(shè)起到重要作用。