1、长输管道常用浮力控制技术的比较分析及应用摘 要：水下穿越管段在没有达到安全埋深甚至裸露时，受到水流的浮力与动力的作用，可能引起管段的漂浮或移位，危及管道的安全。因此必须对水下穿越管道进行稳定。本文对传统的浮力控制技术以及国内外的一些浮力控制新技术进行了简单的介绍，并针对甬台温天然气输气管道工程的实际情况，对不同的水流、地质情况给出了推荐的稳管方式。 关键词：浮力控制 稳管 配重压袋 混凝土加重 螺形地锚 一、抗漂浮计算 对于沟埋敷设的管道通常只考虑净水浮力对管道的影响，根据油气输送管道穿越工程设计规范 （GB504232007）的规定抗漂浮校核应按下列公式核算： W1KFs 其中：W1单位长度
2、管段总重力（包括管身结构自重、加重层重设计洪水冲刷线至管顶的土重；不含管内介质重） （N/m） ； K稳定安全系数，大、中型工程取 1.3，小型工程取 1.2； Fs单位长度管段静水浮力； Fs=wD2/4； 其中：w所穿水域水的重度（N/m3） ，由于穿越水域受到施工扰动，水域中含有一定量的泥沙，因此，穿越水域泥水的重度取1.11.5 倍的清水重度。 D管道外径（m） 二、传统浮力控制技术介绍 管道穿越江河湖泊的加重稳管措施是多种多样的。主要分为重力式稳管与机械式稳管，重力式稳管主要有大管径管套小管径管，其环形空间充注水泥浆的复壁管加重法；压放预制混凝土马鞍块加重；混凝土连续覆盖层加重；预制
3、装配式混凝土加重块连续覆盖层加重等。机械式稳管主要有：螺形地锚浮力控制技术等。 1.复壁管注水泥浆加重法 复壁管注水泥浆加重法就是用大口径管套较小口径管，其环形空间充注水泥浆来加重。由于其环形空间充注水泥浆会影响阴极保护的电流输入，对管道的阴极保护不利，会加快管线的腐蚀速度，不利于管线的安全运营。同时水泥浆的灌注作业对水泥浆的流动速度、初凝时间、终凝时间都有严格的要求，操作起来难度较大。因此在石油天然气管道工程中也较少采用。 2.石笼加重法 石笼是由骨架和渡锌铁丝编制成的笼子，内装石块、卵石等。铁丝笼的编织材料，一般采用直径 2.5mm4.0mm 的镀锌铁丝或普通铁丝，其粗细可根据水流的湍急程
4、度而定。 当管道在河流或湖泊的基床上敷设（即裸露敷设）时，较常采用石笼法加重，石笼具有取材简单、编织容易、重量大、稳定性高、随河床冲刷而下降等优点，但是由于管道长期浸泡于水中，编织材料容易被沙粒和河水冲蚀，不易投放准确，浅水区容易阻塞河道，而且后期的维护费用较高，此外石笼很容易造成局部冲刷，容易对未保护管段造成淘刷。因此石笼加重法也较少采用。 3.混凝土加重稳管 混凝土加重稳管的主要形式有：预制混凝土马鞍加重块、预制混凝土连续覆盖层加重等形式。 3.1 预制混凝土马鞍加重块 预制混凝土马鞍加重块有固定式与铰链式两种，预制混凝土加重块较多地运用于大口径管道穿越湖泊、沼泽、冬水田及高洪水位可能淹没
5、区域的陆上管道的稳管加重。混凝土加重块可在工厂预制，运至现场吊放就位，施工简易可行，效果较好。只是加重荷载集中，管道安装和管沟开挖尺寸不平导致加重块吊放就位后引起局部应力增加，容易对管线造成破坏。 对水流较急、河床不够稳定的穿越管段，由于预制混凝土加重块未与穿越管段连接一体，一旦穿越管段因河床冲刷出现裸露悬空状况时，混凝土加重块容易发生倾覆而脱离穿越管段，造成稳管加重失效，因此水流较急的地段一般不采用混凝土加重块稳管。 3.2 混凝土连续覆盖层加重 混凝土连续覆盖层就是在穿越管段外表面包上连续的钢筋混凝土外壳以增加重力。混凝土连续覆盖克服了单个压重块固定在管身上的缺点，使管道各截面受力均匀。同
6、时还能很好的保护管道及外防腐层免遭托管及河流推移物质的冲磨、生物侵蚀和船锚破坏。但是由于它的负浮力特别大，施工时需要在管子上安装浮筒，以减少牵引力。同时当带混凝土涂层的管道受弯时，混凝土与钢管之间会产生滑移，从而使涂层接头附近的管子抗弯刚度减少，使该处的管道应力大大增加，容易造成管道破裂。因此在地形起伏较大的地段较少采用。 图 1：固定式马鞍加重块与铰链式马鞍加重块 三、国内外浮力控制新技术介绍 1.无沟铺设管道的串联式压重块 无沟铺设管道的串联式压重块可应用于河流、湖泊、水库、大陆架底的无沟铺设的大直径输气管道，能够改善管道因受水流冲刷造成下部土壤被淘空时的安全状况。压重系统的压重块是串联的
7、， 对称分布于管道两侧，随着时间的推移压重块与淤塞的土形成一体。 压重块通过弹性减振器与管道上的环箍相连，减振器减少了土被冲淘引起的管道的摆动幅度，降低了由此引发的疲劳破坏几率，串联式压重块能有效地防止块体的漂移。此外，串联式压重块的尺寸比常规的压重块要小，安装时更加方便。串联式压重块的安装形式见图 2。 图 2 串联式压重块安装示意图 2.YO 型压重块 YO 型压重块专门用于直径 529-1420mm 的管道上，其压重块由两块密度为 2.3t/m3 的钢筋混凝土预制块构成。用两根涂有防腐层的扁钢连接起来，这种型式的压重块在管道上具有高度稳定性，克服了马鞍形压重块容易从管道上滑落的缺点而且金
8、属耗量小，在国外被广泛采用。YO 型压重块示意图见图 3。 图 3 YO 型压重块示意图 3.水下管道的“人工草”固定技术 所谓人工草就是将大量海藻状的聚酯带（长约 1-1.5m）连接在聚酯编织绳上，组成一个大的粗筛孔“草垫” ， 使用时依靠锚固桩（长约1m）将其固定在水下管道的周围。在水中人工草的聚脂带由于浮力作用而垂直浮起，在水流作用下来回摆动，形成一个粘滞阻力栅，使流经的水流速度减缓，水流中的泥沙及携带的其它微小的物质通过人工草迅速沉积，填充在水底。经过一段时间的沉积，便逐渐形成一个泥沙与人工草紧密结合的纤维加强埂，将管道覆盖，从而保证水下管道的长期稳定。使用这种技术无需大型的施工机具，
9、对管道外防腐层无损坏，长期适用基本上不需要维护，工程费用低。 “人工草”工作原理见图 4。 图4 “人工草”稳管示意图 以上三种新技术在无沟敷设地段采用较多，在沟埋敷设地段较少采用。 4.浮力平衡压袋 管道浮力平衡压袋是传统水泥压块的换代产品，具有适应性强、施工速度快、成本低廉、安全环保等优良特点，在国际、国内长输管道敷设中得到广泛的应用和认可。它针对传统的水泥压块有以下特点： 4.1 施工速度快。现场灌装，方便快捷；不用额外挖沟排水，节省施工时间。 4.2 节约成本。无需过多重型机械操作难过安装，节省设备开支；一定长度的管道，使用数量少，减少采购费用。 4.3 安全环保。采用聚丙烯材料，抗酸
10、碱，耐腐蚀，对水质无污染；与管道软接触，不破坏防腐层；在水下的有效重量超过同等混凝土的重量，不会出现重量倾斜问题；软浮力控制，在保证控制浮力和防腐的情况允许管道轻微的移动，不破坏防腐层。 目前配重压袋在石油天然气管道工程中已经慢慢替代了水泥压重块，应用越来约广泛。但是对水流较急，河床不够稳定的穿越管段，它也具有与混凝土加重块同样的缺点。因此在水流较急、河床不稳定的地段也较少采用。 5.螺形地锚浮力控制技术 螺形地锚浮力控制技术就是在管道两侧分别打入一根螺形地锚，然后利用一根高强度聚酯固定带将管道约束在两根地锚中间。从而防止流体对管道的浮力影响。每根地锚上连接一块锌块，可以防止螺形地锚受到腐蚀。
11、螺形地锚安装示意图见图 5。 螺形地锚浮力控制技术有效的解决了传统混凝土压重块存在的原材料用量大、水网地段运输困难、安装困难、施工周期长的问题。而且螺形地锚浮力控制技术稳管效率要比重力式的稳管方式要高，且基本上不受地形限制，应用十分广泛。 四、工程应用 甬台温天然气输气管道工程沿线部分地段河流纵横、水塘密布、沟渠发达、地下水位高。管道在静水浮力和动水浮力的作用下很难保持稳定，必须采取有效的稳管措施。由于每种稳管方法都有一定的使用条件和优缺点，选用时应按水深、流速、河床地质等因素进行择优考虑。 图 5 螺形地锚安装示意图 1.对于流量较小或者河漫滩较宽的河流一般采用围堰导流人工或机械开挖管沟的方
12、法进行穿越。在施工场地不受限制的情况下可采用配重压袋对管道进行稳定。 2.当穿越水量较大、水流较急的小型河流时，一般采用水下成沟法开挖管沟，管沟淹没于水下，采用配重压袋不易准确定位，而采用螺形地锚水下安装也较为困难，因此在这种地段推荐采用混凝土连续覆盖层加重。 3.冲沟地段由于雨季水量较大，水流较急，也需要采取一定的措施进行稳管。由于冲沟地段地形起伏较大，很容易造成管道的弯曲，若选用连续混凝土覆盖层进行加重，在管道弯曲地段，混凝土与钢管之间会产生滑移，从而使涂层接头附近的管子应力大大增加，容易造成管道破裂。而如果采用螺形地锚，由于冲沟地段基岩硬度大，往基岩内打入锚栓较为困难。因此冲沟地段优先选
13、用配重压袋进行稳管。 4.本工程在乐清市境内经过长约 12km 左右的滩涂地段，地基承载力差，给施工作业带的通畅、钢管运输、布管、管沟成型及施工设备的进场造成了极大的困难。由于螺形地锚重量轻、占地少、运输方便、安装不需要大型设备，因此，在这种长距离的滩涂地段推荐采用螺形地锚对管道进行稳定。 5.由于混凝土连续覆盖层可以有效的防止人类活动对管道造成的破坏，因此对于连片的鱼塘或人类活动较为密集的水域地段，优先选用混凝土连续覆盖层加重。 五、结语 每种稳管方式都各有优缺点，因此稳管方式的选择应该从工程地质、水文条件、施工难易及其质量保证、工程造价等诸方面的因素综合考虑后确定。 参考文献 1 GB 50251-2003 输气管道工程设计规范.北京.中国计划出版社. 2 GB 50253-2006 输油管道工程设计规范.北京.中国计划出版社. 3 GB 50423-2007 油气输送管道穿越工程设计规范. 北京.中国计划出版社. 4 输气管道工程设计中国石油大学出版社. 5 长输管道螺形地锚浮力控制技术谭瑞成、王康等. 6 国外长输管道稳管新技术陈国祥、冯世明等. 7 混凝土加重稳管在水域穿越中的应用王毓敏.
