《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《超大直径 HDPE 管水下安装成套技术研究与应用》

1. 项目名称: 超大直径 HDPE 管水下安装成套技术研究与应用

2. 完成单位: 中交第四航务工程局有限公司、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: 陈猛、 周爱军、 马亿光明、王伟智、 曾凡、 薛林虎、 梁邦炎、 井阳、 冯振周、周杨

　　(一)项目背景

　　沙特吉赞JIGCC取排水工程是大型综合性EPC项目,工程位于沙特西南部的红海东岸,主要是为吉赞经济城内的炼油厂和发电厂引入海水以冷却设备,废水经由6根内径3m的海底HDPE管道至离岸2.5km的水域进行温度扩散。HDPE管道单段安装长度550m,设计与安装难度大,目前尚属世界首例,仅有少数国外公司掌握其关键技术,可参考信息极少。HDPE管虽然应用广泛,但其管用于海底管道工程的记录屈指可数,且管径还局限于630mm以下,大直径乃至超大直径的HDPE管的应用案例仍较少。

　　目前仅有阿尔及利亚直径2.4m管的施工、西班牙直径2.2m管的施工、秘鲁直径3m管的施工各一例,且应用于海底管道取排水工程的大直径超长HDPE管段安装核心技术仅由少数国外公司掌握。随着经济生产水平的提高,性价比优越的大管径HDPE管将进入更多领域,担负更多高规格输送任务。

　　针对大直径超长HDPE管段的安装工艺进行系统的研究,突破国外公司的技术壁垒,解决在工程设计、施工、检测中的一些关键技术及核心问题,研发出大直径超长HDPE管段水下安装工艺,并将其应用于沙特吉赞JIGCC取排水工程中,为该项目建设提供有力技术支撑。

　　(二)技术概况

　　本课题研究了HDPE管道出运轨道入水段变化坡比的设计,并给出了确定坡比的原则与思路,保证轨道出运连续性、出运小车和出运轨道受力安全性的同时,又节省了出运轨道施工工程量;引进长大柔性管道浮运导航与实时监控系统,实现HDPE管道浮运过程中的平曲线型控制和沉放过程中的竖曲线型控制,确保管道安装过程安全顺畅;采用对管道安装适用性强的新型气囊,同时利用管道的柔性,以气囊放气或气囊配合“牺牲绳冶(即分段割绳)的工艺8进行管道沉放和对接施工,降低了频繁水上操作带来的安全风险;采用“反向拉合冶待对接管段并配合导向限位装置的工艺,提高管道安装工效;提出利用“塞入冶的工艺完成管段最终合龙段的水下安装,避免了较为昂贵的伸缩节的采购费用,节省了经济成本。

　　(三)适用范围

　　本成果对于推广超长大直径HDPE管材在海底管道建设中的应用有极大的指导意义,HDPE管道在国内水资源治理、城市排洪排涝等领域能起到较大的积极作用,有良好的工程应用前景。

　　(四)获奖情况

　　获评中国交通运输协会2020年度科技进步奖二等奖。

　　(1)提出出运轨道入水段变化坡比的设计原则与思路,在保证轨道出运连续性、出运小车和出运轨道受力安全性的同时,节省了出运轨道施工工程量和生产成本:引进长大柔性管道浮运导航与实时监控系统,实现HDPE管道浮运过程中的平曲线形控制和沉放过程中的竖曲线形控制,确保了管道安装过程安全顺畅,提高了管道安装工效。

　　(2)首次提出了“气囊+牺牲绳法冶的管段沉放工艺,给出了牺牲绳绑扎方式,形成了不同水深沉放方案,有效降低了水上操作安全风险,提高了施工工效。

　　(3)提出采用“反向拉合冶待对接管段并配合导向限位装置的水下对接工艺及“塞入冶式最终合龙段水下安装工艺,提高了管段对接和最终合拢的安装效率,节省了成本。

　　(1)提出出运轨道入水段变化坡比的设计原则与思路,出运轨道分为水平段、斜坡段和入水段,其总长度根据单段管段最大长度确定,管道按水平段-斜坡段-入水段的顺序出运。变坡段的坡比变化通过MIDAS有限元分析软件,将管道单元与配重块的浮力用弹簧模型模拟,采用多折线性节点弹性支承模拟水浮力的方法是可行的,分析多种坡比组合条件下,出运过程中管道承重设备所受极限承载力,进一步确定最优坡比组合,达到出运承重设备以及轨道施工工程量的最优平衡。通过数值模拟分析,确定了下滑斜坡段坡比为1:70,确定了坡比1:50-1:35-1:25-1:20-1:2的入水段,将轨道陆上过渡到海床面,实际结果表明,入水段轨道设置合理,在保证轨道出运连续性、出运小车和出运轨道受力安全性的同时,节省了出运轨道施工工程量和生产成本。

　　(2)引进长大柔性管道浮运导航与实时监控系统,实现HDPE管道浮运过程中的平曲线形控制和沉放过程中的竖曲线形控制,确保了管道安装过程安全顺畅,提高了管道安装工效。针对管道浮运受风、浪、流作用轴线易弯曲的问题,引进HDPE长管浮运导航与实时监控系统,建立了信息提取、传递、联动的指挥系统用于指导管段轴线调整工作。在管段上间隔100m设置的4台GPS实时监控管段的轴线,及时指导锚艇顶推管段弯曲最大点,实时观测海上浮运过程中的管段线形,及时指导工作船舶顶推管段弯曲最大点,确保管段浮运过程中,轴线变形始终保持在允许转弯半径内,以免管段折弯损伤造成巨大的经济损失,允许转弯半径的确定需在浮运之前确定完成。

　　(3)首次提出了“气囊+牺牲绳法冶的管段沉放工艺,通过对比分析不同管段沉放工艺的优缺点,确定利用气囊控制大直径超长HDPE管段的沉放,利用气囊配合牺牲绳法作为各水深条件下的管段沉放工艺。采用对管道安装适用性强的新型气囊(SEAFLEX),同时利用管道的柔性,以气囊放气的方法或气囊配合“牺牲绳冶(即分段割绳)的方法进行HDPE管段单次下潜高度的控制、管道沉放和对接施工,在各种水深条件下均能满足管道灌水沉放的技术要求,同时减少了操作人员数量,降低了频繁水上操作带来的安全风险。确定了气囊数量的方法与原则,即气囊的数量主要由助浮安全系数和管段的负浮力占比共同确定;同时,通过数值模拟和现场试验,提出了管段单次最大下潜深度的方法,即管段单次最大下潜深度主要由曲率半径允许限值确定,而曲率半径受管段材质、壁厚和管径的影响。针对不同水深条件制定了相应的灌水下潜方案。通过管顶气囊预留不同绳长,确保管道轴线高差不超过5m,以防管道曲率半径超过容许值。控制管道非对接端约450m灌水下潜2.5m,对接端约100m灌水下潜至距槽底1.5m,一次成型满足管段对接线型和标高要求的沉放工艺是可行的;深水区多次下潜形成对接所需线型,分阶段下潜采用牺牲绳法实现,在保证管道施工安全的同时提高管段对接效率。给出了牺牲绳绑扎方式,形成了不同水深沉放方案,将施工作业区域划分为近岸区、浅水区和深水区,针对不同区域,分别采用了针对相应水深和作业条件适应性较强系泊定位工艺。

　　(4)提出采用“反向拉合冶待对接管段并配合导向限位装置的水下对接工艺及“塞入冶式最终合龙段水下安装工艺,利用大直径HDPE管道长度较大时体现柔性的特点,适当加长合龙段长度,使其大于实际缺口长度,然后将合龙段与海侧已安装管段反向拉多段弧,使管段由直线转变为弧线,通过增大管段横向误差来消除轴向误差,采用“塞入冶的方式完成合龙段的水下对接。

同类项目比较情况见表 1。

　　1.沙特吉赞JIGCC取排水项目,位于沙特吉赞经济城,本项目采用高密度聚乙烯管延伸至深海排放废水,工程于2016年5月开工,2018年1月竣工。

　　HDPE管肩负着整个JIGCC厂区的冷却废水排放任务,其由6条内径为3000mm、向海侧延伸2.5km的大直径超长HDPE管组成,按5.85m分节生产、运输,至现场后采用热熔焊接工艺进行拼接形成约562m长的管段后进行水下安装,段间接缝均利用法兰连接。管道路由以陆上消能池结构为起始点,经过坡度为0.218%的基槽到达混合池坡顶后,由1颐10的陡坡将管段过渡至混合池,进行冷却废水排放,管道安装区域水深从6.5m到20m不等。本工程单段管段灌水沉放控制在6h以内,共完成42次管道水下沉放(见图1)。

　　2.沙特吉赞商业港项目,位于沙特吉赞经济城,本项目采用海底HDPE管给海水淡化厂提供取排水服务,工程于2016年12月开工,2019年1月竣工

　　取排水单位工程中的HDPE管水下安装中,取水管线由2条长3410m、直径1800mm的HDPE管并排组成,排水管线由2条长3993m、直径1600mm的HDPE管并排组成。共需完成总长14.8km的HDPE管水下安装,单次安装长度最大达564m。取水管道以海上取水头为起始点,经过缓慢变坡,到达陆上取水池。排水管道以陆上排水池为起始点,经过缓慢变坡,到达海侧扩散器,进行浓水排放。管道安装区域水深从3.1m到11m不等。