大直徑高密度聚乙烯管海上出運和安裝關鍵技術

李操

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

0 引言

高密度聚乙烯（high density polyethylene，簡稱HDPE）管具有耐腐蝕、質量輕、強度高、流動阻力小等優點，且具有一定的變形能力和較強的地形適應能力，是排水工程的理想材料[1]。但目前關于HDPE 管海運與安裝技術研究的文獻資料較少，且相關應用實例也較少，導致可供參考的資料幾乎沒有。在設計和施工標準方面，界定也相對模糊，在一定程度上阻礙了這種新型管道結構的應用[2]。HDPE 管道的施工安裝、使用、維護管理與傳統管材有較大差別，且大直徑HDPE管道在連接、運輸、安裝工藝等方面，又顯著不同于普通的HDPE 管道[3]。以沙特某港口的電廠排水工程為背景，總結大直徑HDPE 管海上出運和安裝的關鍵施工工藝。

1 工程概況

沙特某港口電廠項目擬建一給排水工程，引入海水作為冷卻、消防用水，并將廢水排入深海。項目位于沙特阿拉伯西南海岸，屬紅海東岸活躍地震帶，設計使用年限為25年。港口岸上的地理位置主要位于低洼的平原區域，地層為第四紀海岸沙丘、含鹽粉土、黏土的沖擊扇沉積層。海床面以下至基巖面之間的沉積層依次為松散細砂、粉土質或黏土質中細砂、強風化砂巖[4]。

項目設計了6 根平行的內徑為3000mm 的HDPE 管道，將廢水排入海中。每根管道向海中側延伸約2.5km，分為8 個管段進行安裝，包含1 個管段在陸上安裝，7 個管段進行海上安裝，每段管段安裝均包括出運、定位、沉放、對接工序，本文重點介紹管段海上運輸和安裝關鍵技術。

該項目是目前全球海上安裝的同類管道中直徑最大的，所涉及的出運、安裝工藝復雜。國內尚無成熟的經驗可借鑒，國外也僅有少數成功案例，實施難度較大。

2 施工技術要點

2.1 施工準備工作

施工準備工作包括陸上運輸、管段設施安裝、海上準備等多項內容，其中最重要的一項是確定海上施工窗口期。海上施工窗口期需要詳細調查當地氣候條件，特別是海域風浪特點，并結合施工裝備情況綜合確定。

2.2 管段浮運

2.2.1 準備工作

在管段浮運過程中，受到風浪流作用影響，水上作業時間較長。應以不同顏色標示施工區域的水深條件，定期對施工海域水深進行掃測，避免回淤情況不明而導致船舶擱淺事故。不同型號的作業裝備，其作業區域的水深應嚴格控制：水深小于2m 的海域不宜設置方駁船，水深小于3.5m 的海域不宜設置拖輪。

2.2.2 由陸入海運輸

管段進行由陸入海出運時，首先保證出運軌道連續、平順，使得管段入水軌跡在允許曲率半徑范圍內；其次保證出運小車中部填充的泡沫綁扎牢固，并控制其浮力不宜過大，以便出運小車從壓載塊底輕易抽離。

起重船距岸邊出運通道前端650m 處拋錨，確保可一次性拖安裝管段入水。在管段出運初始階段，起重船配合出運軌道兩側的卷揚機拖管段入水200m，此間起重船僅用于調整管端方向，使管段與出運軌道軸線重合，避免跳軌。

在管道由陸入水過程中，出運通道前端，即管道水中段末端及距出運通道前端約250m 的管道中部，分別設置2 艘錨艇。當2 艘錨艇上的定位GPS 測量顯示管段軸線偏離出運通道延長軸線2m 時，控制管段復位。控制管尾軸線回復與出運通道延長軸線一致，避免跳軌。

2.2.3 近岸區和淺水區海上浮運

管段全部入海后繼續前行，待其前端貼近起重船，前端改繩連接主拖輪，起重船通過絞錨后撤100m，以空出管道彎曲通行的空間，管道尾端由分布兩側的2艘錨艇進行控制。首尾船舶協調配合牽拉管段沿最小曲率半徑（50D，D 表示管段外徑，下同）所劃弧線斜行，移至基槽內并調順使其處于安裝位置的延長線上。

安裝位置位于近岸區和潛水區時，主拖船預先移動到管段前端附近停泊，管段入槽后，由輔助拖輪以GPS 軸線偏差值做參考，統一指揮錨艇、主拖輪跟隨管段前行并調整管段軸線，船舶互相配合將管道拖進安裝位置。

2.2.4 深水區海上浮運

安裝位置位于深水區時，起重船通過絞錨后撤150m，以空出管道彎曲通行的空間，管道尾端由主拖輪接管拖纜控制，輔助拖輪拖帶管段前行。首尾船舶協調配合牽拉管段沿最小曲率半徑（50D）所劃弧線西向斜行。機動船舶和小型機動船舶錯位均布管段兩側，隨管段前行并調整管段軸線，配合拖輪將管段拖進深水安裝區域。

2.3 管段系泊定位

根據水深和作業條件，針對近岸區、淺水區和深水區，采用不同系泊定位工藝，近岸區采用鋼管樁+岸上地錨定位系泊，淺水區為鋼管樁+水下重力式錨塊定位系泊，深水區為兩側鋼管樁定位系泊。

管段就位后，灌水下潛等過程耗時約2～3h，需預先在安裝段基槽兩側，沿鋼管樁或岸上設置防風纜繩。首先，利用槽鋼焊接沉樁定位架，并將其焊接于駁船船頭；其次，計算定位鋼管樁的坐標，利用GPS 引導駁船初定位；再對定位架精測，通過駁船錨纜小幅度收放精確定位；最后，將鋼管樁穿過定位架，完成鋼管樁定位，開始沉樁。同時在沉樁過程中，使用GPS 定位儀器不斷地復測樁位，進行校核調整。

2.4 管段沉放

2.4.1 準備工作

考慮到不同施工區域的水深和風浪條件不同，使用了組合氣囊，通過特定氣囊的放氣操作實現管段下沉，并通過不同長度的氣囊綁帶控制管段的入水深度和管段曲率。管段水下調整定位采用小型動力船舶牽拉的方式，并需要潛水員全過程配合，進行出運前軌道清理、浮排拆除、水閥開啟、法蘭對接等工作。

2.4.2 管段下潛和沉放

將已安裝管段的尾端（對接端）表示為A 端，待安裝管段的前端（對接端）表示為B 端（下同）。管段沉放主要分灌水下潛和沉放兩個階段。具體操作過程如下：

管道軸線調整就位后，開啟A 端的水閥和B 端的氣閥，進行管道灌水下潛操作，使管段充水自由下潛，繃緊吊帶。不能同時打開同一盲板上的水閥和氣閥，否則管道中部出現氣泡，將導致無法按預期完成整體下潛。

為了讓管道入水順利從A 端向B 端逐步進行，在灌水前，B 端考慮利用駁船配150t 履帶吊將管頭稍微抬高。A 端灌水后管道自由下沉2.5m，下潛部分與停留在水面的部分會形成S 形狀態。

待管段全部潛入水中后，部分氣囊淹沒于水中，另一部分氣囊浮于水面，吊帶受力繃緊懸吊管道于某水深處。待管段對接完成后，將氣囊從B 端向A 端逐個放氣，此時管段壓重逐漸增大，開始從B 端向A 端緩緩下沉，完成管段沉放施工。

2.5 管段對接

待安裝管段需要根據已安裝管段的實際位置定位安裝，具體對接方案如下：

A 端在預留氣囊的減重作用下，使其50m 范圍內的管道上浮，A 端頭處沿左右方向各系纜定長纜繩，纜繩的另一端系于沉放在海床底面上的混凝土塊。整體灌水后，調整B 端的高度，使其基本與A 端高度保持一致。

駁船上2 臺10t 卷揚機鋼絲繩，穿過A 端第一塊壓載塊夾具，再連接到B 端第一塊壓載塊兩側的夾具上固定，同時駁船上的150t 履帶式起重機控制B 端，將3個導向限位裝置均布在A 端的法蘭盤上，使三者構成等邊三角形。

2 臺卷揚機同時收繩，使B 向A 靠近，在此過程中卷揚機可通過單側點動來調整B 端水平位置，通過吊機調整B 端標高。待安裝管段進入限位裝置影響范圍前，將對位調整鋼絲繩穿入法蘭盤，用于限制法蘭盤周向的錯位，調整孔位偏差。卷揚機繼續收繩，使對接管端繼續貼合，當對接管段完全貼合且法蘭盤孔位基本對齊后，每隔2 個螺栓孔迅速插入鋼螺桿。

待鋼螺桿安裝完成后，通過調整管節高度的方式進行消除縫隙；確認法蘭盤間無縫隙后，將所有鋼螺桿擰緊。鋼螺桿安裝完成后，在法蘭下部的孔位順序插入GRP 螺栓，使用氣動扳手、扭力扳手配合將其擰緊，將其中鋼螺桿所占孔位逐個替換成GRP 螺桿。

底部全部GRP 螺栓安裝完成后，從A 端開始，順序釋放氣囊，完成管道的沉放，并將剩余孔位依次插入GRP 螺栓并擰緊。GRP 螺栓連接全部完成24 小時后，潛水員需進行第二次水下緊固，并使用2mm 塞尺檢測對接頭縫隙。若檢測合格，則管道對接施工全部完成；若檢測不合格，需再進行一輪擰緊、檢測，直至檢測合格。

3 結語

HDPE 管作為目前應用場景較為特殊的一種新型管材，其各方面指標都優于現在常用的傳統排水管材，代表了未來優質排水管材的發展方向。由于目前HDPE 輸水管道設計和施工尚無統一的規范標準。因此，結合沙特某港口城市電廠給排水工程中應用大直徑HDPE 管的應用施工案例，分別從施工準備工作、管段浮運、系泊定位、沉放、對接來闡述其技術要點。