大型钢质排污管道快速安装技术研究与应用



大型钢质排污管道快速安装技术研究与应用

宋来中，杨仕强

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

摘要：本文以烟台开发区大季家污水处理厂深海排放工程海域管道施工为背景，重点对管道水陆连点处理及钢质管道水下法兰快速连接技术进行了研究，通过技术改进，大大提高了水下管道铺装效率。

关键词：深海排放；钢质管道；快速连接；研究

引 言

随着国家对海绵城市建设的推广，城市污水处理深海排放日趋增多，水下管道铺装设备与技术也不断更新。针对目前国内外通行的水下管道铺装方法浮拖法[1~6]、铺管船法[7~8]、吊装法等[9~10]进行了对比研究，其中浮拖法在后成槽的中短距离浅水密封管道铺装方面优势明显[11]，利用岸边有利地形可实现480 m左右的管段一次性接长组装，成型管道通过助力船舶浮运靠定位桩一次性沉放，铺装效率较高，但是受地质、天气条件、管道挠度变形等因素影响大，操作不当极易造成管道损坏；铺管船法通常适用于大型管道铺装工程，对水深域阔，地势平缓的热融连接管道铺装优势明显，不同工位同时组焊，铺设效率可达 144 m/d，但不适用于岸滩水深较浅的中小型工程，作业风险大，成本高；吊装法是较常用的管道铺装方法，成本低，适用于预成槽法兰连接管道，缺点是铺装效率低下。针对城市污水深海排放管道一般自岸向海延展，登陆点地势高，扩散管地势低，落差大的特点，以烟台开发区大季家污水处理厂深海排放工程为依托，综合比对各种管道铺装的优缺点，结合设计要求以吊装法为优选方案，以大幅提高水下管道法兰对接质量与功效，解决水陆管道干式对接为本文研究的重点课题。

1 工况条件与施工难点

烟台开发区大季家污水处理厂深海排放工程位于烟台经济技术开发区大季家镇，咯什路北端，平畅河以东海域。排海管道全长5 150 m，自岸向海为西南东北走向，外海无掩护。设计采用预挖槽法兰连接工艺铺装。管道铺设底高程自登陆点的-3.33 m到扩散段的-18.8 m，铺装里程长，落差大。近岸200 m潮差段为平缓砂滩，水深不足1 m，船舶施工难度大；砂质海滩透水性强，水陆接头干施工止水处理难度大。为取得最佳排海管道铺装效果，研发大幅提高水下管道连接效率的装置，建设止水围幕，实现水陆管道干式对接，成为保证管道连接质量与项目能否按期完工的关键。

2 潮差段管道快速施工方法研究

本工程以直埋式伸缩节为分界线，伸缩节到调压井40 m以内潮差段放流管进行干施工，伸缩节至扩散段5 013 m放流管与97 m扩散管采用水下安装方式。为具备干施工条件，优先水下安装水下第一节管道，用盲板封堵管道端头筑堤做基坑支护，形成干施工条件。

鉴于砂质海滩筑堤易出现坍塌现象，同时砂本身具有毛细排水功能，易渗漏。水陆连接点处基坑开挖深度超过8 m，基底位于设计低水位以下，易受海水倒灌及海流冲蚀影响发生塌坡事故，筑堤止水存在一定困难。

图1 止水围幕剖面

经研究采用高压旋喷桩筑堤基坑支护方式，就地取砂筑堤，堤坝中心内侧打设一排高压旋喷桩止水，桩尖进入淤泥质粉质粘土层深度3.1 m满足止水要求，在深埋式大直径管道下方采取了30°角定向摆喷固结止水方式，从而使整个基坑满足止水要求。堤身临海侧铺设一层土工布防护，上压二层护坡块石，并利用旋喷桩施工溢出的水泥浆液固结护坡块石，保证了围堤边坡稳定，如图1。

2.1 砂质海滩止水围幕设计

止水围幕采取就地取砂筑堤方式，填筑过程中在其两侧铺设一层土工布并采用砂袋压实。极端高水位3.67 m，为防止海水倒灌及冲涮影响，止水围幕顶高程取4.5 m，海侧铺设65 cm厚200～300 kg的护面块石，保证边坡稳定。

2.1.1 围幕堤坝稳定性验算

护面块石稳定重量按《防波堤设计与施工规范》（JTJ 298-98）4.2.4条计算：

W=0.1ΥbH3/[KD(Sb-1)3ctga]

Sb=Υb/Υ （1）

式中：W为单个块体的稳定重量（t）；Υb为块体材料的重度（kN/m3），取23；H为设计波高（m），施工期为夏季，取0.6；KD为块体稳定系数，取4.0；Υ为水的重度（kN/m3），取10.25；a为斜坡与水平面的夹角，取45°。

经计算，W=0.06 45 t，采用200～300 kg块石护面满足规范要求。

护面块体厚度按《防波堤设计与施工规范》（JTJ 298-98）4.2.17条计算：

h=n´c[W/(0.1Υb)]1/3 （2）

式中：h为护面层厚度（m）；n´为护面块体层数，取2；c为块体形状系数，取1.0。

经计算，h=0.61 m＜0.65 m，本工程护面块石厚度为0.65 m，满足规范要求。

临海侧堤前波浪底流速按《防波堤设计与施工规范》（JTJ 298-98）4.2.19条计算：

（3）

式中：V为堤前波浪底流速（m/s）；H为设计波高，取0.6 m；L为计算波长，取65 m；d为堤前水深，取4.5 m。

经计算，堤前波浪底流速V为0.42 m/s，根据《防波堤设计与施工规范》，护底块石采用100～150 kg块石满足规范要求。

围堰开挖整体稳定性验算，根据《港口工程地基规范》（JTS 147-1-2010），采用圆弧滑动简单条分法进行整体稳定性验算：

Υo/Msd≤MRK/ΥR （4）

式中：Msd为作用于危险滑弧面上滑动力矩的设计值[(kN·m)/m]；MRK为作用于危险滑弧面上抗滑动力矩的标准值[(kN·m)/m]；Υo为重要性系数；ΥR为抗力分项系数。

表1 滑弧计算结果

滑弧半径/m抗滑力/kN滑动力/kN抗力分项系数γ滑弧底高程/m 4.10 064.20 346.11 51.39 2-4 6.80 0262.15 197.38 12.69 2-6 8.39 0539.74 2135.19 23.99 2-8.39 8.70 0585.80 3137.79 74.25 1-8.7 10.00 0464.43 5143.42 93.23 8-10 11.80 0487.01 9132.17 13.68 5-11.8 12.70 0980.70 9108.42 99.04 5-12.7 15.00 01 611.15 643.65 136.91 0-15 26.60 02 998.46 0-138.67 6砂性土-17.7

因此，围幕堤坝使用期整体稳定系数最小值为1.39 2，满足规范要求。

2.1.2 止水围幕形成后预期止水分析

根据补充地质勘查资料可判断弱透水层为淤泥质粉质粘土层，渗透系数取值K=0.52 5×10-6 m/s。

1）当桩端入粉质粘土层3.1 m时，基底管涌按《建筑施工计算手册》3.8.3条验算。

基坑底高程取-4.37 m，极端高水位3.67 m，中粗砂的重度r=19 kN/m3，抗管涌安全系数K=1.5，海水重度rw=10.25 kN/m3，r´= 19-10.25= 8.75 kN/m3，则：

t =（kh´rw-r´h´）/（2r´） （5）

经计算，t =3.04 m＜3.1 m，故不会发生管涌现象，因此本工程桩端入粉质粘土层3.1 m时满足规范要求。

2）坑底控制渗水量按《建筑施工计算手册》3.8.4条计算。

K=0.52 5×10-6 m/s=0.04 54 m/d （6）

i=h´/（h´+2t） （7）

水头梯度i=8.04/（8.04+2×3.04）=0.57

Q=KAi=0.04 54×2 021×0.57=52.3 m3/d （8）

3）基坑内降水处理

基坑内日渗水量Q天=52.3 m3/d

Q时=Q天/24=52.3/24≈2.2 m3/h

当每口疏干井内布置水泵流量为5 m3/h时，Q总时=5×4=20 m3/h＞2.3 m3/h，共布置4口疏干井满足降水要求。另在坑底布设排水沟及3个集水坑，每个集水坑内放置一个100 m3/h的潜水泵。可以满足施工应急排水要求。

2.2 管道水陆快速干式连接

以直埋式伸缩节为分界线，优先安装伸缩节向海侧的放流管段，安装至尾部扩散管段时，用封头将外侧管道端头进行封堵处理，封闭完成后将与调压井连接的管段及绝缘接头、直埋式伸缩节等依次焊接检测完成，最后将放流管内侧封头闸门打开，放出管道内积水并拆除封头，抽除坑内积水后形成干施工条件，将外露管道法兰与伸缩节预留法兰进行连接紧固，完成水陆管道的快速干式对接。

3 放流管段快速连接技术的研发

直埋式伸缩节到扩散段的放流管道均采用水上吊装法进行铺装，吊装时管道水下易摆动，定位困难，工效低。为克服管道水下不稳现象，提高水下法兰对接速度及质量，自主研发了管道法兰快速对接定位装置，保证了法兰一次性对接精度，大大提高了对接工效。法兰采用嵌入橡胶条模式有效避免了安装过程中橡胶条的脱落，提高了管道安装后的密封性，采用液压扭矩扳手紧固螺栓，保证了螺栓预紧力的均匀统一，最终经过打压试验，整个管道严密性满足设计要求。

管道沟槽开挖分水陆两种方式[13~14]，潮差段以上采用挖掘机陆上筑堤开挖，潮差段以下采用8 m3抓斗式挖泥船配泥驳进行，按设计断面分层分段逐级梯次开挖成型，验收合格后抛填50 cm中粗砂垫层具备管道安装条件。

3.1 定位装置的研发

定位装置需具备足够的强度与刚度，可重复使用，拆装便捷，定位精确，管道对接稳定，便于纠偏等特点。据此特点在管道顶端设置快速对接定位装置，方便潜水员水下操作；利用法兰螺栓孔固定插销精确限位，保证定位精度；在限位板背面与定位轴尾端加设反向作用丝杆，通过反力矩作用保证定位装置安装牢固；定位轴采用圆形钢管制作，便于纠正因法兰加工焊接产生的偏差，保证定位装置的适用性满足要求，见图2。

图2 管道法兰对接定位装置示意

定位装置受力核算：考虑安装时吊机需保持吊扶状态，定位轴受力取5 t，外伸搭接长度 254 mm，定位轴采用圆管。

1）定位轴壁厚计算

F=5T=50 kN=5×104 N

L=254 mm

M=FL=1.27×107 N·mm

将定位轴取外径D=100 mm，内径d=75 mm圆钢管进行验算。

弯应力计算：

满足规范要求。

剪应力计算：

满足规范要求。

综上选择外径D=100 mm，内径d=75 mm圆钢管作为定位轴满足要求。

2）定位轴尾部顶丝螺杆计算

螺杆直径计算，动力系数取1.5倍：

故取螺杆直径D=25 mm圆钢螺杆。

螺杆下衬垫钢板厚度计算：

故取钢板厚度为20 mm。

3）定位法兰螺杆数量计算：

固定采用法兰对接螺栓孔，单个螺口孔壁承受剪力（取最薄处20.5 mm）：

故采用2个螺口固定完全满足受力要求。

4）定位板背面顶丝连接管计算

反向作用杆选择与限位轴相同材料，外径D=100mm，内径d=75mm圆钢管进行验算。

弯应力计算：

满足规范要求。

剪应力计算：

满足规范要求。

定位装置分两部分加工：一是定位轴，该部分由定位板，定位轴，定位插销，顶丝4部分组成。二是限位板，该装置主要由两块斜向限位板组成，每块限位板上焊接两个定位插销，插销尺寸与法兰螺栓匹配，背面焊接反作用杆与顶丝，使用时顶丝反作用于管道外壁上，使反作用杆与定位插销共同作用于管道法兰上达到固定目的。

定位装置委托专业钢结构厂加工制作，要求限位板与定位板均采用数控机床成型，保证插销位置准确并与法兰螺栓孔位对应，插销采用圆钢车铣成型，定位插销直径应与螺栓直径匹配，表面光滑。定位插销的焊接需在现场安装到法兰上后进行试焊，确保拆装顺利后再进行满焊固定。

3.2 吊装船舶的选用与定位

本工程主方驳吊机，采用3 000 t方驳配220 t履带吊机组装而成，辅吊为100 t起重船。按要求陆上吊机上船作业，需进行吊重折减计算，以保证吊装安全。根据《海上拖航指南》（1997）附录公式，结合船舶作业条件，现场按6级风海况，风压0.23 m/s，浪高3 m条件进行计算，经计算折减系数为79 %。吊装最长管段72 m，重45 t，吊机额定吊重选用56.96 t。查220 t履带吊性能表，主臂48 m长时，吊重57.2 t＞56.96 t，跨距16 m，满足吊装要求。

主吊船舶顺管道轴线站位，以满足管道定位安装需要。辅船在已安管道侧垂直于管道轴线站位，后抛八字锚，前左艏缆带至定位驳离岸系缆桩上，前右艏缆跨越安装管道抛锚驻位，保证相互之间的协调作业。

采用双吊对接法兰模式，便于调整对接法兰面的接合程度，加快对接法兰的连接速度。

3.3 优化法兰、橡胶垫，提高单次连接质量

1）法兰盘优化与改进

法兰盘的规格参照国标图集02S403选用，厚度54 mm，平面密封。将法兰分AB两种型号加工，A型在法兰密封面处开52 mm宽，3 mm深的浅槽，将橡胶垫片整体嵌入3 mm，使橡胶垫片粘贴牢固，不易脱落，提高单次连接质量。法兰加工见图3。

（a）A型

（b）B型

图3 法兰加工

2）橡胶垫片的密封试验

橡胶垫片厚度12 mm，硬度为邵氏63度，橡胶垫片嵌入法兰密封面3 mm，外露9 mm，通过胶粘剂与法兰进行粘贴，粘贴前对垫片表面进行起毛处理，提高垫片与法兰的粘结度。垫片的密封性直接决定了管道安装的成败，使用前对垫片性能进行了检测[14~15]。同时进行水密试验，以测定在设计0.9 MPa的压力下，橡胶垫片的压缩模量与螺栓扭矩间的关系，通过水面液压板手控制螺栓扭矩的方式做为水下螺栓紧固标准，保证密封效果满足设计要求。

4 工程实施及效果

4.1 定位装置陆上安装

法兰定位装置在管道入水前由起重工人分别安装至管道法兰上，定位轴安装在第二节待安装管道法兰上，先将定位板插销插入法兰盘，再将定位轴穿过定位板中心孔，定位轴伸出法兰外面200 mm，拧紧定位轴尾部的顶丝，通用作用与反作用固定定位板与定位轴，要求定位轴头部稍微向下倾斜，以保证管道法兰对接时顶弧面平齐。限位挡板安装到第一节管道末端法兰上，以法兰与吊点中心线为准，使斜向挡板上的两个定位插销插入螺栓孔内，拧紧背面的顶丝，使顶丝作用于管道外壁上，利用反作用力固定挡板。

4.2 放流管道水下对接

先将第一节带限位板装置的管道按设计要求安装到位，检验合格后吊装第二节管道开始第一对法兰的水下对接施工，将定位轴安装到第二节管段待连接法兰上后，起重工指挥吊机吊起管段沉放入水，通过GPS调控船位，将管段沿船舷侧的定位桩沉放到底，然后潜水员下水指挥吊机将第二节管道靠向已安装管道，通过定位轴与限位板的共同作用，使管道法兰自动对齐找正，调整两吊机吊力与角度，使法兰接合面接触紧密，潜水员水下用定位锥穿插螺栓孔检查法兰螺栓孔是否对正。

对正过程中受法兰加工精度及法兰与管道焊接精度的影响，法兰对正后有可能会出现微小偏差，导致螺栓穿插失败，此时应采取措施对法兰进行纠偏处理，定位轴设计为圆形，可以此为支点与转动轴对法兰螺栓孔进行纠偏处理。将纠偏钢丝绳拴到管道吊点上，沿调整方向反向绕管道壁一周后引至水面卷扬机上，启动卷扬机收紧钢丝绳，带动管道绕定位轴进行小幅转动，潜水员水下用定位插锥随时检查法兰螺栓孔对正情况，一旦合适立即将定位锥插入螺栓孔内，完成螺栓孔的纠偏。

通过定位轴与插锥的共同作用，保证管道法兰螺栓孔对接精准，潜水员迅速将螺栓插入螺栓孔内，拧上丝帽后按设定顺序进行螺栓的预紧。然后拆除定位装置，拆除顺序与安装顺序相板。将螺栓全部上齐，水面控制液压板手扭矩进行均匀紧固，依次循环完成管道连接。

4.3 实施效果

施工中以理论计算为依据，对砂堤采用透水土工布覆盖，砂袋压实围护，抛填护面块石等分级防护，保证了砂堤的稳定，同时利用高压旋喷桩注浆过程中溢出的浆液洒落在护坡块石上，浆液凝固后将块石间缝隙填堵，使得护坡块石连成一个整体，经几次大风浪后，堤坝整体处于稳定状态，成功解决砂堤遭海浪冲刷易流失坍塌等问题，为后续类似工程提供了范例。

成功解决深埋式大直径管道下方止水问题，采用高压喷浆30°定向摆喷法进行管道底部喷浆加固，达到了管底止水目的。具体以GPS在管道两侧精确定位钻孔，30°角定向摆喷方式对喷加固后，在距离第一次喷射孔后方20 cm处再钻孔进行Ф800 mm旋喷桩施工。完成后，将桩体顶部挖出，检查确认桩体连续，止水墙最小厚度达 600 mm。后期基坑开挖过程中未发现此处渗水，止水效果较好。

成功研发了法兰快速对接定位装置，以螺栓孔配销轴做限位基准，机加工限位板的设计思路，使定位装置的定位精度达到了5 mm以内（螺栓孔与螺栓直径差3 mm，孔径偏差1 mm，孔位偏差0.5 mm），实践证明限位精度达到毫米级，使法兰对接的精度与功效有了质的提高。采用顶部圆轴搭接限位模式，保证了在限位作用下管道的自由度，便于螺栓孔位的校正。限位装置设计成机械部件方式，拆装方便灵活，有效降低了水下作业量，提高了工效。通过限位装置的应用，使管道吊装水下对接效率由一节提高到三节，日铺装长度达到216 m。

5 结 语

该项目是依托烟台开发区大季家污水处理厂深海排放工程开展了管道水下快速安装技术的研究，通过设计开发应用得出以下结论：

1）研发了管道水下快速对接方法，使得管道对接效率较传统方法提高1倍，水下导向槽对接施工精度达到5 mm。

2）优化了管道连接法兰与橡胶垫片密封方式，采用嵌入粘贴模式，保证了垫片与法兰的密封效果。通过试验验证螺栓预紧力与橡胶垫片的硬度指标，水面控制扭矩保证了止水效果。

3）使用双吊对接模式，便于调整法兰面接合程度，灵活快捷。

4）该方法具有精度高、工效高等显著优势，可为类似工程的设计及使用借鉴应用。

本施工技术除具有污水管道施工专用性，如砂质海滩围堰止水、深埋在地下的大直径管道下方止水、临海护岸工程、大型管道法兰水下对接铺装施工等外。管道法兰快速对接定位装置还普遍适用于各种类型的管道法兰连接安装施工，具有较大的应用推广价值。

参考文献：

[1] 陈安文. 小型高速双体船运动改善措施研究[D]. 山东交通学院, 2016.

[2] 张宗峰. 海底管道在位稳定性研究[D]. 天津大学, 2015.

[3] 徐星璐, 吴志易, 张贺城, 等. 内河航道船行波及其研究现状[J]. 中国水运(下半月), 2013, (11): 9-10.

[4] 谭磊. 水下管道卡压式连接器与连接机具关键技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2012.

[5] 王才东. 深水管道法兰自动连接机具关键技术研究及样机研制[D]. 哈尔滨工程大学, 2011.

[6] 王春波. 深水管道轴向对准工具关键技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2009.

[7] 张梁奇, 张军. 海底排污管道扩散装置水下安装施工技术[J]. 中国新技术新产品, 2010, (18): 78-79.

[8] 王常文. 深水海底管道维修系统工程应用研究[D]. 天津大学, 2010.

[9] 蒋东元. 合肥第六水厂水下管道的安装施工及相关技术要点[J]. 特种结构, 2009, (05): 108-110.

[10] 潘东民, 马洪新, 梁光辉, 等. 海底油气管道水下修复技术开发及工程应用[J]. 天津科技, 2009, (02): 17-20.

Research and Application of Rapid Installation Techniques for Large Steel Sewage Pipeline

Song Laizhong, Yang Shiqiang

(The Second Engineering Co., Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd., Qingdao Shandong 266071, China)

Abstract：Based on the construction of maritime pipeline in deep-sea discharge project of Dajijia sewage treatment plant of Yantai development zone, a study is made for the junction of water-land pipes and quick connection technique of underwater flanges of steel pipeline. The technical improvement leads to high efficiency of underwater pipeline pavement.

Key words：deep sea discharge; steel pipeline; quick connection; study

中图分类号：U175

文献标志码：A

文章编号：1004-9592（2017）03-0058-06

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170316

收稿日期：2017-03-02

作者简介：宋来中（1967-），男，高级工程师，主要从事港口与航道工程、铁路工程、工民建工程等大中型项目的施工组织设计及管理工作。