管道沉管及保护措施在鲁皖成品油管道工程中的应用

刘斌

摘要：在城市建设过程中,往往遇到河道加深或改道,道路扩建等工程交叉施工对已投产的输油输气管道造成安全影响,为避免管道裸露，对管道进行沉管施工。本文根据我单位在大同天然气管道,鲁皖成品油管道工程多年的施工经验,对输油输气管道沉管施工过程中的施工技术、施工难点及对管道的安全保护措施进行了浅析阐述和经验总结。

关键词：管道；沉管；弹性曲率半径；管沟开挖

中图分类号：K826.16文献标识码：A 文章编号：

一、引言

随着城市建设热潮，城市道路修扩建、河流改道及加深改造工程不断增多，而这些工程施工过程中将对已建输油（输气）管道造成很大的安全影响，并且多数管道均已投产，为有利于道路修扩建、河流改道及加深改造工程的施工，降低管道安全隐患保证管道安全运行，采取合理的沉管施工方法对于管道施工安全、施工进度、管道运行安全和经济效益均具有重大意义。

二、施工特点

在管道沉管施工过程中,调整管道输油（输气）工艺,使管道处于停输状态,然后对管道进行开挖沉管施工，利用管道自重自然沉降的方式将管道沉降至道路修扩建、河流改道及加深改造等设计深度范围以下，最后采取措施对管道进行有效保护。

三、沉管方案

（1）沉管设计

1）弹性曲率半径

管道沉管的弹性曲率半径按下式计算：

R3600

式中 R——沉管弹性弯曲曲率半径（m）；

D——管道外径（cm）；

α——管道竖向转角。

当管道竖向转角为2°～3°时，计算值及实际取值相见下表。

表1、管道弹性曲率半径取值表

注：由于沉管一般为带压（低压）操作，因此管道竖向转角按2°考虑 (以鲁皖管道工程为例，管道规格为φ323.9×7.9mm L415)。

2）沉管允许跨距

管道沉管施工时，应根据合适的间距设置支撑，支撑间距（允许跨距）按水平直跨连续梁计算，公式如下：

L 

式中 L——允许跨距（m）；

W——管道截面系数（m3）；

f——焊缝系数，取0.9；

q——单位长度钢管重量＋介质重量＋防腐层重量（N/m）；

=，许用外载综合应力，Pa/m ；

d——管道内径（m）

P——管道工作压力（MPa）；

δ——管道壁厚（m）

表2、管道允许跨距计算表

3）伸长量计算

引起管线长度变化有两种作用形式，一是管道安装与现运行温度差作用，二是管道正常输送条件下的内压作用。

ΔL=

式中：—管线的伸长量，m；

α—管线的线膨胀系数，1.2×10-5m/（m·℃）

T1—管道安装闭合时的大气温度，取10℃；

T2—管道内被输送成品油的温度，取40℃；

μ—泊桑系数，0.3；

E—管材弹性模量，2.05×105 MPa；

σh＝Pd/2δ,内压产生的环向应力，MPa；

P—管道内压力；

d—管道内径，m；

δ—管道壁厚；

L—计算管段长度。

计算管段长度及伸长量相见下表。

表3、管道的伸长量

序号 计算伸长量（m） 备注

1 17.4634×10- 5L

注：表中计算管段长度L，即为沉管段长度。

4）过渡段长度计算

欲将埋深不足管段沉降至预定深度，沉管段两端需增加弹性敷设曲线过渡段，过渡段最小长度按下式计算：

Lmin=

式中 Lmin——沉管段应增加的最小开挖长度（m）；

E——钢材弹性模量（MPa），取2.05×105MPa；

I——管道惯性矩（m4）；

q——单位长度钢管重量＋介质重量＋防腐层重量（N/m）；

Dh——管道沉降量（m）；

根据现场实际需要，设计沉管深度及最小开挖长度Lmin对应值相见下表，具体沉管所需的长度根据褚河设计截面及穿越管段实际埋深及纵向曲线等情况确定。表4、管道的最小开挖长度及沉降量对应表

为保证管道安全，根据现场实际情况将开挖长度尽可能的延长。

5）支撑方式

开挖管沟至管底，利用预留管底约1m宽的原状土支撑管道，支撑间距取最大允许跨距L的一半（计算允许跨距26.92m，为安全起见宜取20m，支撑间距可按其一半选取，即为10m），然后开挖各支撑土台间的管沟（一次最大操作深度为1.0m，下沉1.0m后重复此过程），再间隔掏挖各个支撑台，根据所需的沉管深度，重复数次，直至将管段下沉至需要位置。根据现场土质情况，将增加承台在管道轴向的宽度。土台支撑之间支架一台手拉葫芦将管段吊稳增加稳定性。

根据沉管深度情况，为满足沉管实际操作，根据土质情况，最终管沟沟底宽取2.0m，沟坡比为1：0.5（土质为粉质粘土）。施工时，可根据现场情况适当调整边坡比，土堆堆放远离沟边5m以外。

（2）沉管作业措施

1）根据所需沉管长度，现场确定出整个沉管段的起点及终点，并在两端打桩作为标记。

2）采用分层开挖的方式进行，每开挖一层进行测量一次，测量包括中线位置和深度，上层采用机械开挖，开挖时分3层作业平台进行开挖。当管顶离开挖面1米时，停止机械开挖。采用人工开挖方式将整个沉管段全部先挖至管底位置，并将管道上方和两侧埋土全部挖掉并清除干净。

3）从沉管段起点每隔10m距离打一个桩并编顺序号，预留管底原状土台支撑。

4）将各预留管底原状土台之间的管沟开挖深度至最大不超过1.0m，并修整成形。

5）开始沉管作业，各操作人员站在单号桩操作坑内，将单号土台自管底掏挖削掉0.05m，使该支撑土台处悬空0.05m。然后将所有双号土台自管底掏挖削掉0.1m，接着再掏挖削掉单号土台0.1m，单双号轮换掏挖，沉管段每次下降0.1m 左右，直至达到沉管深度。过渡段支墩每次掏挖量由沉管中心向两侧逐渐减小，以保证管道顺利平稳沉降。为确保掏挖顺利，掏挖时可增加台挖掘机吊住管道，掏挖完成一个土台后，平稳放下管道后再进入下一个土台掏挖施工。

6）开挖时注意保护管道及光缆。管道下沉应缓慢进行。下沉时应仔细观察管道的下沉情况。降管时现场统一指挥，其他无关人员不得影响现场的指挥，管沟开挖后裸露期间应安排专人24h对施工现场进行看护。

7）管沟回填前，需对管道防腐层进行检漏补漏。

8）管沟回填时不得采用机械碾压和重锤夯实，应采用人工回填，并且按每0.5m分层压实。

9）作业示意图如下：

四、管道保护方案

（1）保护形式采用钢筋混凝土涵保护。

（2）底部垫层采用C15混凝土浇捣。

（3）墙体用C25混凝土浇筑；配筋8φ10；

（4）顶部采用C25混凝土浇筑，配筋φ8@200双向。

（5）两端采用砖砌封堵，并以1:2.5水泥砂浆抹面厚20，管道周围填沙进行保护管道防腐层。

a．平面视图

五、安全措施

⑴施工过程中应制定完善的HSE管理制度。施工操作、材料堆放、人员调度等应严格按照HSE管理制度执行，确保施工操作的安全性和施工计划的合理性。

⑵为确保管道安全，需对管道输油工艺进行调整，下调输送压力，有条件时尽量安排在停输阶段进行施工，设置安全监护人。

⑶施工过程全程用测量仪器测量管道埋深，开挖至管道1m范围内时全部采用人工进行开挖，保证管道和同沟光缆不受伤害。

⑷由于开挖管沟较深，为防止降管作业时管沟塌方，适当增大放坡系数，以及设置现场支护。开挖土方堆放远离管沟，距离沟边不小于5米。

⑸为防止降管作业管子突然下坠和侧滑，在降管操作一侧设置支撑，以及每个土台管子两侧增加楔形挡块防止横向移动，避免抖动，确保管道竖向平稳下降。

⑹因开挖管沟较深，预先配备4台以上潜水泵进行排水。

六、结束语

以上经验是对我们以往施工工程的沉管施工的经验总结，在大同市天然气管网施工中，大同市大庆西路改扩建，φ406.4天然气管道沉管0.5m，开挖长度500m；邯郸市褚河改道，鲁皖管道二期φ323.9成品油管道沉降1.5m；邯郸市北张庄镇道路修筑，鲁皖管道二期φ323.9成品油管道沉降2.6m.本方案在以上工程得以很好实践应用，并取得较好的效果。

参考文献：

[1] 朱晓峰,沈红光,赵海俊.管道沉管技术及应用的探讨.油气田地面工程.2008.08

[2] 张军宏,沈军.沉管技术在中沧输气管道保护中的应用.油气储运.2005.11

[3] 陈建民.不停输“弹性沉管”可行性初探.油气储运.1992.10(5)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。