舟山市海底污水輸送管道工程關鍵問題研究及對策

檀科明

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125）

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

隨著經濟的飛速發展，舟山市展茅區域生產、生活污水有較大的增長，現狀展茅污水處理廠處理規模僅0.5萬t/d，已無法滿足展茅區域日益增長的污水處理需求，為解決展茅區域污水處理問題，舟山市水務集團實施了展茅區域主管網調配工程，將展茅鎮污水輸送至附近有處理余量的島北污水處理廠處理。展茅區域污水經污水泵站提升，采用壓力流管道向北跨海經過規劃經十一路、疏港大道送入舟山市島北污水處理廠處理。

1.2 工程概況

本工程在現狀展茅污水廠北側空地內設一座污水提升泵站，規模為1.5萬m3/d，污水管道管徑D N500，全長約5.5 km，其中陸地開槽段3.72 km，海底段1.72 km。陸地開槽段采用P E實壁管，海底段采用無縫鋼管，壓力等級為1.0MPa。

本工程地處舟山展茅鎮螺門灣，北側為填海造地建成的新港工業園，南側為展茅污水處理廠，西側為漁業養殖基地，東側為螺門漁業公司碼頭。在微地貌上場地屬于海島丘陵地貌及濱海相淤積平原地貌，場地面絕對標高為-0.98～3.61m（國家85高程系統），場地地形起伏較小，海底地質情況為淤泥質粘土，根據舟山水文站資料顯示，本海區歷史最高潮位3.18m，平均潮位2.20m，歷史最低潮位-2.21m，平均水深約3.1m，最大水深約5.10m。

2 海底管道的關鍵問題及對策

2.1 海底管道的關鍵問題

（1）長距離海底管道施工方式的選用

本工程海底管道距離較長，一次性穿越1.72 km難度大，風險高，且中間無裸露灘涂、島嶼，不具備多次穿越條件，不適合牽引管施工；本工程管徑小于D N600，不適合頂管施工，且海底段距離較長，施工耗時久，無法滿足工期要求；鋪管船法常用于遠陸地深海海底鋪設石油和天然氣輸送管道。鋪管船一般至少長100m以上，載重較大，現狀螺門灣最高水深僅5.1m左右，有擱淺風險。因此確定適合的海底管道施工方式是本工程首要解決的關鍵問題。

（2）海底管道管材的選擇

由于海洋環境的特殊性，海底管道不僅要考慮管材本身材料類別、機械強度、化學性能、工程造價等因素，還需要考慮管材在海底的施工條件及工藝、抗腐蝕能力、可靠程度等因素。我國海底管道工程起步較晚，且海底管道管材的選用經驗及研究多是圍繞海洋石油和天然氣的輸送管道，因此如何根據工程實際情況選擇經濟適用、結實可靠的污水壓力管道管材對本工程至關重要。

（3）海底污水輸送管道的防腐問題

鋼管不僅常年浸泡在海水和淤泥形成的侵蝕性環境中，還會因為海底生物的寄生導致其保護結構被破壞，在淺灘區域，高、低潮位變化會形成一個干濕交替循環的環境，從而加速管道的侵蝕，此外，海水的電離作用還會持續不斷的侵蝕鋼管外壁，因此對鋼管外壁的防腐保護要求遠遠高于常規陸地埋管，而作為污水輸送管道，鋼管的內壁同樣需要有效可靠的防腐措施。因此，如何綜合考慮海洋環境的特殊性、施工條件，選擇可靠的防腐措施是本工程一個關鍵問題。

（4）海底管道的抗浮問題

當管道沉入溝底后，溝內土壤進入自然回淤狀態，土壤將重新排水固化，當土壤處于液態時，隨著土壤內含水率降低，管道受到的浮力將成線性增加趨勢[1]，本工程海底管道所在螺門灣為淺灘海域，為淤泥質粘土，海底管道上浮可能性較大，因此管道抗浮問題也是本工程必須解決的一個關鍵問題。

2.2 海底管道關鍵問題的對策探討

2.2.1 長距離海底管道的施工方式

本工程海底段管道全長1.72 km，由于所處環境特殊性、工期緊張、經濟投資等因素影響，本工程不適合采用定向鉆進牽引管、頂管、鋪管船等施工方法。海上開槽埋管施工是一種較為新興的海底管道施工工藝，該工藝施工周期短、投資節省、施工風險低，且基本不造成環境污染[2]。但海上開槽施工受季風及洋流等天氣影響較大，施工時需要密切關注氣象，選擇合適的施工期。經綜合考慮，本工程采用海上開槽埋管進行施工，其主要施工步驟：（1）采用抓斗式挖泥船開挖溝槽；（2）采用拖管船將管道拖拽至溝槽，充水沉管施工；（3）壓載配重塊，進行溝槽回填；（4）管道水壓試驗。具體施工工藝流程見圖1。

圖1 海上開槽施工工藝流程圖

2.2.2 海底管道管材的確定

目前國內外各種新型管材種類繁多，污水壓力管道常用管材主要有P E管、玻璃鋼夾砂管（H OB A S管）、球墨鑄鐵管、鋼管等。P E管具有水力損失小、切割連接方便、無需防腐措施等優點，適用于牽引管，但質量較輕，海上沉管開槽實施難度大；玻璃鋼夾砂管剛度強，無需防腐措施且在海水中抗腐蝕能力較強，但小管徑產品較少見，材料脆，易變形，管配件需要專門定制；球墨鑄鐵管作為市政污水壓力管道最常用的管材，其成品具有防腐性能好、材料安全可靠、水力損失小等優點，但管材單節較短，連接麻煩，且接口稍有擾動就容易損壞，不適用于海底管道工程；鋼管長期以來在各行各業中得到廣泛應用，技術經驗成熟，水力損失小、承壓能力強，具有良好的韌性，材料結實可靠，管材及管配件容易加工，可通過切割、焊接組成任意長度的管段，靈活適應現場施工條件，空管狀態可浮于水面運輸，充水后可進行沉管施工，適用于海上開槽埋管，其缺點是需要另外采取可靠的防腐措施。綜合考慮海底管道埋管施工條件、管材可靠性，選用鋼管作為海底污水壓力管道管材。

2.2.3 海底污水輸送管道的防腐措施

鋼管外壁防腐材料的關鍵指標有附著粘結能力、絕緣性能、抗陰極剝離性能、耐劃傷性。常用的防腐材料有環氧煤瀝青、P E涂層、熔結環氧涂層等，其中熔結環氧涂層（F B E）廣泛應用于陸地、水下、海底等管道的防腐工程，其附著力、抗磨損性、耐化學性、耐候性（自然老化），耐濕熱性、耐水性等性能均遠超普通涂料，國外20世紀80年代，環氧涂層就基本取代其他防腐材料，成為海洋工程中首選的防腐涂層。環氧涂料經加熱后充分熔化流動，均勻地覆蓋、包裹鋼管外壁表面，并完全有效填補鋼管表面的錨紋，在此過程中，環氧粉末樹脂受熱固化形成熱固性聚合物，同時與鋼管也產生了某種化學鍵的結合作用，因此能長期強力地附著于鋼管表面。

在漫長的管道運行期間，僅靠防腐涂層無法完全隔絕鋼材料與外界之間的介質傳遞，此外防腐涂層在鋼管運輸與施工過程中的難免產生擦碰損傷，導致在長期的運行過程中鋼管與海水接觸發生電化學腐蝕，為保護污水壓力管道在更加安全可靠的環境下運行，用電化學防護法與熔結環氧涂層相結合的方法，共同保護海底污水輸送管道。

2.2.4 海底管道抗浮問題的對策

本工程海底管道由于施工條件等因素限制，無法進行深埋，淺埋的管道處于海底淤泥質粘土層，該土質會增加上浮風險，展茅鎮螺門灣水深較淺，易受洋流影響，同時底層流速較慢，回淤效果較差，也增加了管道的上浮風險。海底管道上浮很可能引起管道接口破裂，從而導致污水滲漏，污染海洋環境，因此必須要采取措施對管道進行固定，施加重力壓載，防止管道上浮。本工程采用增加鋼管壁厚及配重塊壓載兩種措施，D N500鋼管國標壁厚一般為7mm左右，經綜合比較，鋼管壁厚采用12mm，一方面可以增加管道自重，另一方面增加壁厚可以更好的保護管道不被腐蝕破漏[3]；此外，在管道上間隔一定距離壓載一塊鋼混凝土配重塊對管道進行錨固。

3 海底管道關鍵問題的對策設計

3.1 海底開槽埋管工藝

（1）海底管道溝槽斷面設計

海底管道采用海上開槽埋管工藝施工，海底管道施工溝槽斷面見圖2。

圖2 海底管道溝槽橫斷面圖（單位：cm）

（2）海上開槽埋管工藝

海上開槽工藝主要可分為以下幾個階段：施工準備；管道浮運；水面對接；海上沉管；管道試壓。

施工準備階段：陸上進行成品管材組焊，將成品管材焊接為約200m左右的長管，并做好焊口處防腐，安裝犧牲陽極保護塊；利用平潮時間，在海上同步使用G P S進行測量放樣，打設定位樁，采用抓斗式挖泥船進行水下溝槽開挖，開挖完畢后由潛水員采用水下沖吸泥方法修正以及檢測基底高程和槽段平直度，基槽檢測合格后由施工船舶人員拋填塊石，然后進行管道基礎施工。水下開槽操作流程見圖3。

管道浮運階段：選擇天氣好、風浪小、高平潮時間，將焊接完成的長管一段封閉固定于拖管船上，將管道輕拖出水，間隔30 m左右配置一艘拖船及控制纜點，管道下灘時，各船統一指揮、協調一致，確保管道安全下水浮運至安裝軸線位置，再用鋼絲繩固定于定位樁上。

圖3 抓斗式挖泥船水下開槽示意圖

水面對接階段：將兩條長管道一端固定于海上焊接船上，將管道與焊接平臺連接成為一個整體。

海上沉管階段：本階段分為三個關鍵部分，一是管道精確定位，二是準確控制管道下沉入槽，三是與已沉放好的水下管道進行對接。下沉時，一端注水，另一端控制排氣，隨時根據情況調節下沉長度、速度，可通過固定纜繩調節下沉位置，確保管道順利準確入槽。為控制各長管有序下沉，每次下沉時保持有30m長度浮于水面之上，便于與下段長管進行水面對接，對接完成后及時完成下沉工作，沉管結束后，由專業潛水員潛水對管道進行水下檢查，確保管道完整、緊貼管道基礎、受力良好，確認無誤后壓載配重混凝土塊，再進行回填，回填結束后在其上填埋砌塊石，確保管道不受外力擾動。

（3）管道試壓。全段海底管道沉管結束后，按照相關規范一次性進行整體試壓，試驗壓力為設計壓力值1.5倍，且不低于0.9MPa。

3.2 海底管道防腐設計

（1）防腐設計

本工程鋼管內、外壁防腐均屬于第1類涂層[4]，內壁防腐采用加強級熔結環氧防腐涂層，厚度不小于400μm?？紤]到過程中的碰擦磨損，外壁防腐采用特強級熔結環氧防腐涂層，厚度不小于800μm。管材防腐均在廠內做好，成品運至工程現場，焊口部位防腐在現場修補。防腐材料涂敷前，將鋼管表面清理干凈，還應進行除銹處理，達S a2.5級，錨紋深度40～100μm。

（2）電化學防護設計

管道采用鋁合金犧牲陽極保護塊，間隔180m設置一組，海上焊接口處加設一組，在海底段兩端各設置一處測試樁，并做標識，每3個月左右測量各點電位、陽極輸出電流等數值，一旦發現電位不足，及時更換犧牲陽極保護塊。犧牲陽極保護塊設計見圖4。

圖4 犧牲陽極保護塊設計示意圖（單位：mm）

3.3 海底管道抗浮措施設計

采用預制鋼混凝土配重塊壓載管道，間隔50m設置一處，長管段海上焊接處加設，配重塊重量約799 k g/塊，配重塊與管道間隙采用5mm厚橡膠填充，防止表面防腐涂層磨損。配重塊斷面見圖5。

4 結語

目前，海底敷設的污水輸送管道工程案例較少，本工程通過對其關鍵問題及其對策的研究探討，制定合理可靠的設計方案，經設計、施工、監理和建設單位的共同努力，已于2018年順利完工，整個過程安全有序，項目實施過程積累的設計與施工經驗可為后續類似工程提供參考。

圖5 配重塊斷面圖（單位：cm）