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PE 管道海底敷设施工方法简介

发布时间:2019-05-06 点击数:344

一、前言

20 世纪 50 年代起,大口径 PE(聚乙烯)管道开始进入海底管道领域。由于 PE 管具有重量轻、运输方便、耐腐蚀、可熔接等优点,因而在海底管道管材的选取上越来越受到工程设计人员的青睐。

经过 50 年的发展,海底 PE 管道在世界各地已经广泛应用性。国际上海底 PE 管道主要应用于三大市场:污水排放管道和取水管道、跨海输水管道、海上油气开采等有特殊要求的管道。国内目前在跨海输水管道已经开始大规模的使用,在污水排放管道也有一定的应用。

由于海洋环境复杂,水下施工困难,PE 管道海底敷设施工成本高,风险大,直接影响着海底管道工程的施工造价和工程质量。因此,合理选择管道敷设施工方法变得非常重要。本文根据相关资料和工程实践,对目前国内外常用的 PE 管道海底敷设施工方法做进行介绍。

二、PE 管道特性及海底敷设施工方法

1.PE 管特性

PE 管密度比水小,下水前需要安装足够的配重块,才能使管道下沉和维持稳定。与钢管道相比,PE 管道管材强度和硬度较低,耐磨性能差;管道刚度较小,具有很大的柔性。目前海底 PE 管道主要材料为 PE100,允许抗拉强度仅为10MPa,因此很难采用带张力的敷管法施工。PE 管在海水环境中的抗腐蚀性能优于钢管道,无需额外的防腐措施。管道接头采用热熔连接,整体性好。

2.海底敷设施工方法

目前常见的 PE 管的海底敷设施工方法有水下拖管法、漂浮——下沉法和敷埋法。

(1)水下拖管法

水下拖管法由钢管道海底敷设方法发展而来,一般适用于近海浅水区的 PE 管道敷设。敷设时先把 PE 管在岸上对熔连接成连续长管,加上足够配重以保证管道始终沉在水底,然后用拖管船把管道拖下水,通过固定在管道前端的特殊拖拉头——“滑橇”确保管道在海床面顺畅滑动。管道的焊接和安装均在岸上进行,可控性强,在拖航过程中出现恶劣天气弃管较为容易。


 

该方法主要适用于近海浅水区无埋深要求的 PE 管道敷设。由于 PE 管较软,耐磨性能差,管道很容易被海底尖锐物损伤。施工前应该需要根据海底勘测资料确定最佳拖管航线,确认拖航线上没有大的障碍物,可能因为处理海底凹陷和凸起障碍而增加施工费用。

(2)漂浮—下沉法

漂浮—下沉法是最常见的一种海底 PE 管的敷设方法。它充分利用 PE 管密度小和可以熔焊的特点,可以实现几百米长的 PE 管段一次性下沉至海底,大大减少了水下作业,施工速度快,效率高,因而被广泛采用。

PE 管采用漂浮—下沉法敷设的主要步骤如下:

1)管道焊接、下水、拖运

PE 管道在岸上拟定的组焊场地连接,将 PE 管熔焊成几百米长无接头的长管段,边焊边安装配重块,然后将长管段两端用阀门进行封堵。组焊场地设置下水滑道,长管段通过下水滑道逐步下水,漂浮在海面上。然后用驳船拖运到指定位置。

2)长管段定位沉放

管道浮运至沉放地点后,用 GPS 定位,利用起吊船和工程驳辅助定位,将长管段的一端封堵阀门打开入水,使长管道灌入海水,另一端吊离水面并打开封堵阀门排气。从一端开始,随着管道内不断进水而缓缓下沉,直到全部沉放就位。

3)长管段之间连接

一段管道沉放后需要与下一管段进行连接,连接时可用吊船将前段管道连接段拉出水面,去掉封堵,同时将下一管段吊出水面,法兰对齐后进行螺栓连接。也可以在将两管段在海上对接平台进行熔焊连接后再沉放至水底。

国外的海底 PE 管大多不要求开沟埋深,通常采用漂浮下沉法敷设。下沉管道柔韧性好,可适应海床地形的高低起伏变化。管道直接放置于海床上,依靠配重块和压块来保持稳定,只在近岸处将部分管道埋在海底的管道沟内。直接铺设在海床上的 PE 管容易被船只锚具、铺鱼装置损坏,所以国内的海底 PE 管大都要求开沟埋深。对有埋深要求的 PE 管敷设,需要预挖沟槽,待验收后要立即进行管道的沉放敷设,及时对沟槽进行回填。各施工工序紧密联系,相互衔接,需要在施工前统筹安排。

漂浮—下沉法管道敷设施工容易受到恶劣天气的影响,造成工期的延误,应选择在当地海况条件良好的月份施工。同时施工时需要大型的工程船舶辅助施工,在一定程度上提高了施工成本。在回淤较为严重海域施工时,预挖沟槽可能在管道下沉之前就已经严重回淤,管道埋深难以保证,应当审慎选择。

(3)敷埋法

敷埋法是近年来涌现的一种新的海底 PE 管敷设方法,采用敷管船边敷边埋作业。敷管船集合了管道敷设系统和埋设系统,只需要一条作业船就可以实现管道的敷设和埋深工作,适用于淤泥土、黏性土、砂性土等软土地基。对于沙砾土、岩石等坚硬地基,需要借助挖泥船预先开挖一定宽度的沟槽,随后用敷管船铺设 PE 管到沟槽内。该方法减少了施工船只,施工效率高,大大节约了施工成本。

该方法主要思路为:PE 管在敷管船上逐段焊接,安装配重块后通过托管架敷设到海底,同时托管架尾部直接连接了海底管道埋设机,埋设机用敷管船上的高压水泵通过托管架上的管路供给给埋深臂上的喷嘴射水破土。管道下放道到水力刀切割成的沟槽底部,靠自然回淤将管道埋在海床下。该工艺具有以下几个特点:

1)确保了整个管道的连续焊接施工,避免了海中间管道的法兰接头。

2)避免了采用先开挖后敷管所需的大量的人力、物力以及对环境造成的破坏,同时也解决了水下沟槽开挖回淤较快的问题。

3)将敷管船和埋管船合二为一,只要一条作业船就实现了管道的敷设和埋深,减少了施工船只,大大节约了施工成本。

4)管道一下到海底,直接被埋入沟槽中,避免了管道在海床表面停留的时间内水流对管道的稳定所带来的影响,同时也避免了在未埋深期间受到锚害等外界因素影响的风险。

5)采用浅海无张力敷管法进行管道的敷设施工,解决了PE 管允许抗拉强度小的难题。

海底 PE 管道采用敷埋法敷设的施工步骤概括如下:

管道运输→吊装上敷管船堆管区→管道上发射架副滑道管道焊接→管道吊装到发射架主滑道→管道和已敷管道焊接→启动埋深监测系统、定位系统→绞锚移船进行边敷边埋施工。

PE 管道采用敷埋法敷设施工速度快,无需预开挖水下沟槽,可缩短施工工期,节省投资成本,因而具有广阔的应用前景。大连长海县大长山岛大陆引水跨海段工程采用了敷埋法进行海底PE管道的敷设,仅用时4个月就完成了18000m海底管道的敷设,大大缩短了施工工期,避免了环境的污染,对周围的海产品养殖没有造成损失,节约了投资费用。

由于敷管船、托管架和埋设机是连在一起,管道敷设时托管架必须到达海底,这就限制了敷埋法在深水区域的使用,一般适用于水深在 30m 以内的浅海软土地基的海域内进行的 PE 管道的施工。同时由于埋设机的采用水力破土,管道的埋深受限,目前国内敷管船敷设最大埋深在 3.5m 左右。

三、总结

目前国内外 PE 管海底敷设施工的主要方法有:水下拖管法、漂浮—下沉法和敷埋法。

水下拖管法主要适用于该法主要适用于近海浅水区,短距离敷设且无埋深要求的管道施工。施工较为方便,施工速度一般。对拖管航线路的平整性有一定要求,可能因为处理海底凹陷和凸起障碍而增加施工费用。

漂浮—下沉法一次性将 PE 管对熔成几百米的长管段整体下沉安放,可减少水下作业,施工速度快,最为常用。但施工受海上作业的条件的影响较大,施工时需要多艘大型工程船舶辅助施工。对于有埋深要求的 PE 管海底敷设,可预挖沟槽后,待管道沉放后再进行回填。该法在回淤较为严重海域施工时,难以保证管道埋深。

敷埋法采用专门的敷管船施工,只要一条作业船就实现了管道的敷设和埋深,施工速度快,效率高。但敷管船专业化较高。且受制于施工设备,一般适用于水深在 30m 以内的浅海软土地基的海域内的 PE 管道施工,管道埋深有一定限制。随着敷管船施工设备工艺的不断改善,该方法具有广阔的应用前景。

国内海底敷设 PE 管道还处于起步阶段,具有非常广阔的应用和发展空间。因此,我们需要在现有的 PE 管道敷设施工方法的基础上不断改进和完善,使之能有更广泛的适用性,满足社会发展的