《交通運輸科學技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《超大直徑 HDPE 管水下安裝成套技術(shù)研究與應(yīng)用》

1. 項目名稱: 超大直徑 HDPE 管水下安裝成套技術(shù)研究與應(yīng)用

2. 完成單位: 中交第四航務(wù)工程局有限公司、中交四航局第二工程有限公司、 中交四航工程研究院有限公司

3. 主要完成人: 陳猛、 周愛軍、 馬億光明、王偉智、 曾凡、 薛林虎、 梁邦炎、 井陽、 馮振周、周楊

　　(一)項目背景

　　沙特吉贊JIGCC取排水工程是大型綜合性EPC項目,工程位于沙特西南部的紅海東岸,主要是為吉贊經(jīng)濟城內(nèi)的煉油廠和發(fā)電廠引入海水以冷卻設(shè)備,廢水經(jīng)由6根內(nèi)徑3m的海底HDPE管道至離岸2.5km的水域進行溫度擴散。HDPE管道單段安裝長度550m,設(shè)計與安裝難度大,目前尚屬世界首例,僅有少數(shù)國外公司掌握其關(guān)鍵技術(shù),可參考信息極少。HDPE管雖然應(yīng)用廣泛,但其管用于海底管道工程的記錄屈指可數(shù),且管徑還局限于630mm以下,大直徑乃至超大直徑的HDPE管的應(yīng)用案例仍較少。

　　目前僅有阿爾及利亞直徑2.4m管的施工、西班牙直徑2.2m管的施工、秘魯直徑3m管的施工各一例,且應(yīng)用于海底管道取排水工程的大直徑超長HDPE管段安裝核心技術(shù)僅由少數(shù)國外公司掌握。隨著經(jīng)濟生產(chǎn)水平的提高,性價比優(yōu)越的大管徑HDPE管將進入更多領(lǐng)域,擔負更多高規(guī)格輸送任務(wù)。

　　針對大直徑超長HDPE管段的安裝工藝進行系統(tǒng)的研究,突破國外公司的技術(shù)壁壘,解決在工程設(shè)計、施工、檢測中的一些關(guān)鍵技術(shù)及核心問題,研發(fā)出大直徑超長HDPE管段水下安裝工藝,并將其應(yīng)用于沙特吉贊JIGCC取排水工程中,為該項目建設(shè)提供有力技術(shù)支撐。

　　(二)技術(shù)概況

　　本課題研究了HDPE管道出運軌道入水段變化坡比的設(shè)計,并給出了確定坡比的原則與思路,保證軌道出運連續(xù)性、出運小車和出運軌道受力安全性的同時,又節(jié)省了出運軌道施工工程量;引進長大柔性管道浮運導航與實時監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)HDPE管道浮運過程中的平曲線型控制和沉放過程中的豎曲線型控制,確保管道安裝過程安全順暢;采用對管道安裝適用性強的新型氣囊,同時利用管道的柔性,以氣囊放氣或氣囊配合“犧牲繩冶(即分段割繩)的工藝8進行管道沉放和對接施工,降低了頻繁水上操作帶來的安全風險;采用“反向拉合冶待對接管段并配合導向限位裝置的工藝,提高管道安裝工效;提出利用“塞入冶的工藝完成管段最終合龍段的水下安裝,避免了較為昂貴的伸縮節(jié)的采購費用,節(jié)省了經(jīng)濟成本。

　　(三)適用范圍

　　本成果對于推廣超長大直徑HDPE管材在海底管道建設(shè)中的應(yīng)用有極大的指導意義,HDPE管道在國內(nèi)水資源治理、城市排洪排澇等領(lǐng)域能起到較大的積極作用,有良好的工程應(yīng)用前景。

　　(四)獲獎情況

　　獲評中國交通運輸協(xié)會2020年度科技進步獎二等獎。

　　(1)提出出運軌道入水段變化坡比的設(shè)計原則與思路,在保證軌道出運連續(xù)性、出運小車和出運軌道受力安全性的同時,節(jié)省了出運軌道施工工程量和生產(chǎn)成本:引進長大柔性管道浮運導航與實時監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)HDPE管道浮運過程中的平曲線形控制和沉放過程中的豎曲線形控制,確保了管道安裝過程安全順暢,提高了管道安裝工效。

　　(2)首次提出了“氣囊+犧牲繩法冶的管段沉放工藝,給出了犧牲繩綁扎方式,形成了不同水深沉放方案,有效降低了水上操作安全風險,提高了施工工效。

　　(3)提出采用“反向拉合冶待對接管段并配合導向限位裝置的水下對接工藝及“塞入冶式最終合龍段水下安裝工藝,提高了管段對接和最終合攏的安裝效率,節(jié)省了成本。

　　(1)提出出運軌道入水段變化坡比的設(shè)計原則與思路,出運軌道分為水平段、斜坡段和入水段,其總長度根據(jù)單段管段最大長度確定,管道按水平段-斜坡段-入水段的順序出運。變坡段的坡比變化通過MIDAS有限元分析軟件,將管道單元與配重塊的浮力用彈簧模型模擬,采用多折線性節(jié)點彈性支承模擬水浮力的方法是可行的,分析多種坡比組合條件下,出運過程中管道承重設(shè)備所受極限承載力,進一步確定最優(yōu)坡比組合,達到出運承重設(shè)備以及軌道施工工程量的最優(yōu)平衡。通過數(shù)值模擬分析,確定了下滑斜坡段坡比為1:70,確定了坡比1:50-1:35-1:25-1:20-1:2的入水段,將軌道陸上過渡到海床面,實際結(jié)果表明,入水段軌道設(shè)置合理,在保證軌道出運連續(xù)性、出運小車和出運軌道受力安全性的同時,節(jié)省了出運軌道施工工程量和生產(chǎn)成本。

　　(2)引進長大柔性管道浮運導航與實時監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)HDPE管道浮運過程中的平曲線形控制和沉放過程中的豎曲線形控制,確保了管道安裝過程安全順暢,提高了管道安裝工效。針對管道浮運受風、浪、流作用軸線易彎曲的問題,引進HDPE長管浮運導航與實時監(jiān)控系統(tǒng),建立了信息提取、傳遞、聯(lián)動的指揮系統(tǒng)用于指導管段軸線調(diào)整工作。在管段上間隔100m設(shè)置的4臺GPS實時監(jiān)控管段的軸線,及時指導錨艇頂推管段彎曲最大點,實時觀測海上浮運過程中的管段線形,及時指導工作船舶頂推管段彎曲最大點,確保管段浮運過程中,軸線變形始終保持在允許轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi),以免管段折彎損傷造成巨大的經(jīng)濟損失,允許轉(zhuǎn)彎半徑的確定需在浮運之前確定完成。

　　(3)首次提出了“氣囊+犧牲繩法冶的管段沉放工藝,通過對比分析不同管段沉放工藝的優(yōu)缺點,確定利用氣囊控制大直徑超長HDPE管段的沉放,利用氣囊配合犧牲繩法作為各水深條件下的管段沉放工藝。采用對管道安裝適用性強的新型氣囊(SEAFLEX),同時利用管道的柔性,以氣囊放氣的方法或氣囊配合“犧牲繩冶(即分段割繩)的方法進行HDPE管段單次下潛高度的控制、管道沉放和對接施工,在各種水深條件下均能滿足管道灌水沉放的技術(shù)要求,同時減少了操作人員數(shù)量,降低了頻繁水上操作帶來的安全風險。確定了氣囊數(shù)量的方法與原則,即氣囊的數(shù)量主要由助浮安全系數(shù)和管段的負浮力占比共同確定;同時,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗,提出了管段單次最大下潛深度的方法,即管段單次最大下潛深度主要由曲率半徑允許限值確定,而曲率半徑受管段材質(zhì)、壁厚和管徑的影響。針對不同水深條件制定了相應(yīng)的灌水下潛方案。通過管頂氣囊預留不同繩長,確保管道軸線高差不超過5m,以防管道曲率半徑超過容許值?？刂乒艿婪菍佣思s450m灌水下潛2.5m,對接端約100m灌水下潛至距槽底1.5m,一次成型滿足管段對接線型和標高要求的沉放工藝是可行的;深水區(qū)多次下潛形成對接所需線型,分階段下潛采用犧牲繩法實現(xiàn),在保證管道施工安全的同時提高管段對接效率。給出了犧牲繩綁扎方式,形成了不同水深沉放方案,將施工作業(yè)區(qū)域劃分為近岸區(qū)、淺水區(qū)和深水區(qū),針對不同區(qū)域,分別采用了針對相應(yīng)水深和作業(yè)條件適應(yīng)性較強系泊定位工藝。

　　(4)提出采用“反向拉合冶待對接管段并配合導向限位裝置的水下對接工藝及“塞入冶式最終合龍段水下安裝工藝,利用大直徑HDPE管道長度較大時體現(xiàn)柔性的特點,適當加長合龍段長度,使其大于實際缺口長度,然后將合龍段與海側(cè)已安裝管段反向拉多段弧,使管段由直線轉(zhuǎn)變?yōu)榛【€,通過增大管段橫向誤差來消除軸向誤差,采用“塞入冶的方式完成合龍段的水下對接。

同類項目比較情況見表 1。

　　1.沙特吉贊JIGCC取排水項目,位于沙特吉贊經(jīng)濟城,本項目采用高密度聚乙烯管延伸至深海排放廢水,工程于2016年5月開工,2018年1月竣工。

　　HDPE管肩負著整個JIGCC廠區(qū)的冷卻廢水排放任務(wù),其由6條內(nèi)徑為3000mm、向海側(cè)延伸2.5km的大直徑超長HDPE管組成,按5.85m分節(jié)生產(chǎn)、運輸,至現(xiàn)場后采用熱熔焊接工藝進行拼接形成約562m長的管段后進行水下安裝,段間接縫均利用法蘭連接。管道路由以陸上消能池結(jié)構(gòu)為起始點,經(jīng)過坡度為0.218%的基槽到達混合池坡頂后,由1頤10的陡坡將管段過渡至混合池,進行冷卻廢水排放,管道安裝區(qū)域水深從6.5m到20m不等。本工程單段管段灌水沉放控制在6h以內(nèi),共完成42次管道水下沉放(見圖1)。

　　2.沙特吉贊商業(yè)港項目,位于沙特吉贊經(jīng)濟城,本項目采用海底HDPE管給海水淡化廠提供取排水服務(wù),工程于2016年12月開工,2019年1月竣工

　　取排水單位工程中的HDPE管水下安裝中,取水管線由2條長3410m、直徑1800mm的HDPE管并排組成,排水管線由2條長3993m、直徑1600mm的HDPE管并排組成。共需完成總長14.8km的HDPE管水下安裝,單次安裝長度最大達564m。取水管道以海上取水頭為起始點,經(jīng)過緩慢變坡,到達陸上取水池。排水管道以陸上排水池為起始點,經(jīng)過緩慢變坡,到達海側(cè)擴散器,進行濃水排放。管道安裝區(qū)域水深從3.1m到11m不等。