淺海大直徑管道鋪設(shè)應(yīng)力控制技術(shù)研究

范旭征博，程加軍，皋黎明

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222044）

0 引言

隨著中國東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，沿海工業(yè)園區(qū)的污水排放成為了制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。在生態(tài)環(huán)境越來越受到重視的大背景下，如何兼顧沿海水域環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為了人們面臨的難題。傳統(tǒng)的內(nèi)河以及近岸污水管道的布置形式逐漸被淘汰，需要在離岸較遠(yuǎn)的距離建立污水管道的排放點(diǎn)，以便充分利用海洋自身的凈化能力，減少污水處理的成本，減小污水排放對(duì)于沿岸經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人們生活的影響，兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)[1]。

連云港市徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程設(shè)計(jì)規(guī)模為：近期排放量8.57 萬m3/d，遠(yuǎn)期排放量11.83 萬m3/d。項(xiàng)目海域工程范圍以入海點(diǎn)為界，海域段污水排放管全長22279 m，最大鋪設(shè)水深約18 m。

項(xiàng)目海域管道工程平面布置圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目海域管道工程平面布置圖

長距離的海域污水排放管道也帶來了施工上的難題，此類管道鋪設(shè)案例不多，缺乏成熟的施工工藝和船機(jī)設(shè)備。采用鋪管船對(duì)海域管道進(jìn)行鋪管作業(yè)，敷設(shè)過程中管道一端置于海底，另一端與鋪管船甲板上的導(dǎo)管架和托管架相連接，中間有一段較長的懸跨段。懸跨段變形較大且受力復(fù)雜，彎曲的管道為幾何非線性和彈塑性大變形結(jié)構(gòu)，分析難度較大。將管道鋪設(shè)過程中的管道彎曲應(yīng)力控制在允許范圍之內(nèi)，提高海域管道鋪設(shè)的效率，降低施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，需探索深水條件下管道鋪設(shè)施工中管道受力狀況的計(jì)算方法，以及管道鋪設(shè)施工中變形受力控制的有效方法[2]。

1 海洋水文資料

1.1 潮位

連云港市徐圩港區(qū)尚無長期潮位觀測(cè)資料。根據(jù)2005年9月和2006年1月水文測(cè)驗(yàn)期間同地的小丁港臨時(shí)潮位觀測(cè)資料，與連云港長期潮位站同步潮位資料建立相關(guān)關(guān)系，推算獲得徐圩港區(qū)設(shè)計(jì)水位如下（85 國家基準(zhǔn)）：

50 a 一遇高潮位3.66 m (設(shè)計(jì)高水位)；50 a 一遇低潮位-3.58 m；平均高潮位1.94 m；平均低潮位-1.72 m (設(shè)計(jì)低水位)。

1.2 波浪

海區(qū)累年平均波高為0.5 m，各月平均波高為0.4～0.6 m，其中秋冬季波高略大于春夏季。各向平均波高以偏北向?yàn)樽畲?，其中NNW（西北偏北）、N（北）、NNE（東北偏北）向平均波高均為0.9 m。海區(qū)累年波高平均周期為3.1 s，各月波高平均周期2.7～3.1 s，累年波高各向平均周期以NNE（東北偏北）向?yàn)樽畲?，達(dá)4.3 s，NE（東北）向次之為4.1 s。接收井施工安排在7月份，實(shí)測(cè)最大波高約1.5 m。

2 管道應(yīng)力控制計(jì)算分析

海域管道采用鋼板制作，鋼管截面外徑D 為1420 mm，鋼管截面內(nèi)徑d 為1384 mm，鋼管壁厚為18 mm；鋼管卷制采用的鋼板為Q235B，其屈服強(qiáng)度σ 為235 MPa。鋪設(shè)施工時(shí)通過向管內(nèi)注水調(diào)節(jié)其形態(tài)，控制鋼管的最小曲率半徑以保證管道的彎曲應(yīng)力不超過管道的屈服強(qiáng)度。對(duì)管道受力情況進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

項(xiàng)目海域管道鋪設(shè)施工受力圖見圖2。圖中H 為水深，m；R 為最小曲率半徑，m；q1、q2分別為滿水段、空水段鋼管受到的均布荷載，kN/m；G水為滿水段鋼管單位長度浮重度，kN/m；F浮為空水段鋼管單位長度合力，kN/m；L1為滿水管段長度，m；L2為空水管段長度，m。

圖2 項(xiàng)目海域管道鋪設(shè)施工受力圖

鋼管重力為6.1 kN/m；空水段的管道浮力為15.9 kN/m；滿水段管道浮力為0.796 kN/m，圖2 中的滿水段管道合力G水=5.3 kN/m，空水段的管道合力F浮= 9.8 kN/m。

根據(jù)受力分析，鋼管懸空段上下兩段受到方向相反的均布荷載，管道懸空段反彎點(diǎn)為剪力最大處，即為滿水段與空水段交界處。滿水段鋼管觸底節(jié)點(diǎn)上下位移受到約束，空水段在鋪管船導(dǎo)管架確定合理方向后受到垂直于導(dǎo)管架方向約束，在反彎點(diǎn)兩者固接，相互約束?？蓪?dǎo)管架、反彎點(diǎn)、觸底點(diǎn)視為支座，滿水段與空水段分別與支座鉸接，受到均布荷載。根據(jù)該假設(shè)計(jì)算得到的鋼管撓度要比實(shí)際情況大，相對(duì)比較保守。

項(xiàng)目海域管道變形簡化圖見圖3，圖中的H1為滿水段鋼管豎向深度，m；H2為空水段鋼管豎向深度，m；α 為滿水段弧長對(duì)應(yīng)角度；β 為反彎點(diǎn)鋼管軸向與水平面角度；ρ1、ρ2分別為滿水段、空水段鋼管曲率半徑。

圖3 海域管道變形簡化圖

當(dāng)鋼管注水端剛出水時(shí)（注氣拾管狀態(tài)），水下管道由滿水段L1和空水段L2組成。由于管道處于平衡狀態(tài)，故向下的合力等于向上的合力，所以滿水段的下沉均布荷載和滿水段長度的乘積等于空水段向上的均布荷載與空管段長度的乘積。

式中:M 為彎矩，kN/m；q 為桿件均布荷載，kN/m；L為桿件計(jì)算長度，m。

鋼材的屈服應(yīng)力相同，極限彎矩相同，若空水段向上合力大于滿水段向下合力，則L1大于L2，M1大于M2，滿水段為極限破壞控制段；反之亦然。

單獨(dú)將滿水段的管段視為簡支梁，一端位于海床處，一端位于空水段的一端，再將均布荷載近似視為豎向荷載，利用均布荷載下簡支梁的彎矩計(jì)算公式，其最大彎矩位于跨中位置處。

鋼管橫截面軸向的慣性矩Iz計(jì)算式為:

鋼管的極限抗彎彎矩M 計(jì)算式為：

由式（2）可知:

式中：y 為管道截面彎曲應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)處的y 坐標(biāo)，取值為D/2，0.71 m；σ 為管道截面計(jì)算點(diǎn)處的彎曲應(yīng)力，按照Q235B 鋼材的屈服強(qiáng)度取值，為235 MPa。

當(dāng)管道滿水段截面的彎矩達(dá)到了控制曲率下的極限彎矩值6448.5 kN·m 時(shí)，計(jì)算得到L1為98.7 m。

由式（1）、式（2）可得到：

按照空水段長度L2為53.4 m 計(jì)算空水段跨中最大彎矩，計(jì)算模型與滿水段一致，也視為簡支梁，得到空水段跨中最大彎矩值M2為3490.3 kN·m。

根據(jù)材料力學(xué)中關(guān)于彎曲應(yīng)變?chǔ)?的計(jì)算公式：

式中：M 為鋼管截面彎矩；E 為鋼材彈性模量，Q235B鋼材取值為210000 MPa；Iz為鋼管截面慣性矩。

由式（3）可得：

由此通過計(jì)算可得：

此狀態(tài)為管道自然鋪設(shè)的極限狀態(tài)，其余管道工況均比該狀態(tài)安全，所以在不加其他輔助措施情況下的管道鋪設(shè)極限水深為11.6 m。

3 數(shù)值計(jì)算分析

本文通過建立有限元計(jì)算模型（見圖4）來分析管道懸空段的變形和應(yīng)力情況，應(yīng)根據(jù)本項(xiàng)目管道深海敷設(shè)的水深建立流體域和管道模型。建立管道模型時(shí)，除了懸空段管道外，還應(yīng)考慮托管架上長20.1 m 的管道。導(dǎo)管架傾斜度為1∶11，根據(jù)裝管后鋪管船船頭吃水深度2.6 m，按照導(dǎo)管架傾斜角度考慮，托管架上的管道通常有約1.73 m 長度在水面以下。

圖4 有限元計(jì)算模型

水域模型尺寸垂直于管道軸線方向取10 個(gè)波長（本文取60 m），管道軸線方向考慮管道懸空段和托管架上的管道長度，深度方向按計(jì)算水深考慮。管道初始狀態(tài)按照導(dǎo)管架的傾斜度插入水中，見圖5。

管道采用8 節(jié)點(diǎn)修正2 次六面體拉格朗日單元（C3D8R）；水采用8 節(jié)點(diǎn)流體單元（FC3D8）。管道壁厚方向設(shè)1 個(gè)單元，即單元尺寸為18 mm，管道軸線方向尺寸0.5 m。水單元尺寸與管道軸線方向單元尺寸一致。計(jì)算中須考慮流體（海水）與管道的相互作用，采用有限元計(jì)算時(shí)根據(jù)能量傳遞方式進(jìn)行,相關(guān)參數(shù)選取見表1。

表1 參數(shù)選取

管道的重力通過施加重力荷載（Gravity）實(shí)現(xiàn)，采用平滑分析步施加，加載時(shí)間取10 s；水流浮力和水流波浪力由水體運(yùn)動(dòng)與管道的相互作用施加。后續(xù)施加的浮漂力按集中荷載施加。

管道按簡支邊界考慮，即觸入海底處為三方向位移約束，長20.1 m 的托管架上管道按豎向位移為零的邊界處理。托管架頂端除了約束管道豎向位移外，亦約束與管道軸線垂直的水平方向位移。

在水體的側(cè)面施加速度邊界條件，速度方向與管道軸線垂直。邊界流速按Stokes 五階波理論計(jì)算，水域邊界按自由流入邊界考慮。以下計(jì)算水流流速取2 m/s，平均波高取0.5 m，波高平均周期取3.1 s。

鋪管過程中管道受到導(dǎo)管架、托管架和海底的約束作用，同時(shí)受到重力、水流浮力等作用。在施工過程中，為將管道沉入海底，需在管道內(nèi)注水。為防止重力作用下，懸空管道的屈曲變形過大，會(huì)在管道出水端留出空水段，空水段的長度需根據(jù)管道屈曲變形的要求（按設(shè)計(jì)控制曲率半徑為800 m 考慮，根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算，管道最大控制應(yīng)力為188 MPa）確定。

管道敷設(shè)水深為12 m 時(shí)（見圖5），管道總長度為142 m，水下空水段長度為45 m，滿水段長度為87 m。管道最大應(yīng)力為156 MPa≤188 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 12 m 水深管道最大應(yīng)力圖

管道敷設(shè)水深為14 m 時(shí)（見圖6），管道總長度為174 m，水下空水段長度為64 m，滿水段長度為90 m。管道最大應(yīng)力為183 MPa≤188 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；但是管道應(yīng)力已接近極限狀態(tài)，且管道上浮量較大，因此施工到14 m 水深的海域時(shí)，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)管道變形及應(yīng)力，且空水段長度不應(yīng)超過64 m。

圖6 14 m 水深管道最大應(yīng)力圖

管道敷設(shè)水深為15 m 時(shí)（見圖7），管道總長度為185 m，水下空水段長度為55 m，滿水段長度為110 m。管道最大應(yīng)力為268 MPa≥188 MPa，超過最大控制應(yīng)力，管道豎向變形過大，已經(jīng)不滿足安全施工要求。

圖7 15 m 水深管道最大應(yīng)力

4 管道應(yīng)力控制施工關(guān)鍵技術(shù)

淺水海域大直徑管道鋪設(shè)的工藝流程為：船舶平臺(tái)架設(shè)、管道焊接檢測(cè)、管道防腐及陰極保護(hù)裝置焊接、管道下水、注水下沉、管道試壓和水力沖槽、海砂回填。同時(shí)施工過程中遇到不利天氣可能存在棄管、拾管工序[3]。

根據(jù)管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)中對(duì)特定管徑、壁厚和管材的管道應(yīng)力要求，應(yīng)合理設(shè)計(jì)發(fā)射架的角度、托管架的長度、開溝機(jī)的長度，控制管道從鋪管船頭入海時(shí)的入水角度，控制管道進(jìn)入開溝機(jī)沉入溝槽底部的入溝角，以確保鋪埋管過程中的受力安全。在平板駁船正中央布置安裝鋼管焊接導(dǎo)向架，導(dǎo)向架距船頭2 m 處設(shè)置鋼管夾緊器。導(dǎo)向架立柱、縱橫梁材料采用25 工字鋼，縱梁上焊φ180 橡膠滾輪，在導(dǎo)向架前段往前延伸設(shè)置安裝托管架、船頭安裝立柱及扒桿，可以調(diào)整托管架角度。在夾緊器處于松開狀態(tài)時(shí)，通過移動(dòng)船舶，管道可在施工平臺(tái)上緩慢下放入水。

平板駁船導(dǎo)向架和托管架立面圖、斷面圖見圖8、圖9。

圖8 平板駁船導(dǎo)向架、托管架立面圖（單位：m）

圖9 平板駁船導(dǎo)向架、托管架斷面圖（單位：m）

由于管道內(nèi)存在空氣，無法直接沉入海底，需要使用抽水泵向管道內(nèi)部灌入海水。抽水泵安裝在導(dǎo)向架末端的管道處，通過伸在海中的管道抽取海水至鋪設(shè)管道內(nèi)部，同時(shí)控制灌水速度，使其與管道鋪設(shè)速度保持一致，以實(shí)現(xiàn)管道的平穩(wěn)下放和沉底。

在管道沉放過程中，船至泥面段管道在水中呈曲線狀態(tài)。當(dāng)鋪設(shè)管節(jié)浮在水面上長度較長時(shí)，跟隨涌浪會(huì)存在高點(diǎn)而引起空氣聚集，使管道形成倒V形拱起，所以在施工過程中要利用管道在導(dǎo)向架上的傾斜角度向管道內(nèi)注水，通過管道末端的敞口自然排氣，使得已鋪設(shè)管道沉至泥面。注水時(shí)需控制管道移動(dòng)的速度與注水的速度一致，每隔5 min 校核一次船舶移動(dòng)的距離與供水量的對(duì)應(yīng)情況，供水量由流量計(jì)控制并根據(jù)管道姿態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

為保證鋪設(shè)完畢的管道質(zhì)量符合要求，在管道鋪設(shè)完畢、覆土之前需要進(jìn)行管道水壓試驗(yàn)。在管道注水端焊接封頭堵板，讓管道脫離托管架，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闂壒軤顟B(tài)，然后進(jìn)行灌水和排氣，以無變形、無滲漏、不降壓為合格。

已經(jīng)鋪設(shè)完畢的管道，經(jīng)過試壓檢測(cè)合格之后，采用多功能水力沖溝機(jī)進(jìn)行溝槽沖溝開挖埋設(shè)。在鋪設(shè)完畢的管道下放沖出溝槽后，利用管道自身重力將管道埋設(shè)至溝槽之中，然后回填溝槽，將管道埋設(shè)至設(shè)計(jì)深度，最后回填海砂碎石，保護(hù)海域管道。

5 結(jié)語

（1）淺海大直徑排放管道的彎曲應(yīng)力控制工況為鋪管施工環(huán)節(jié)，鋪管施工需要嚴(yán)格控制管道彎曲應(yīng)力，以保證管道安全。

（2）連云港市徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程海域管道采用Q235B 鋼板制作，鋼管截面外徑為1420 mm，鋼管截面內(nèi)徑為1384 mm，鋼管壁厚為18 mm。理論計(jì)算得到不加其他輔助措施情況下的管道鋪設(shè)極限水深為11.6 m，有限元方法計(jì)算得到的管道鋪設(shè)極限水深約為14 m。因此，采用本文理論方法對(duì)于淺海管道鋪設(shè)極限水深進(jìn)行估算比較合理。

（3）根據(jù)有限元方法計(jì)算得到的管道應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，在理論計(jì)算時(shí)假設(shè)的3 個(gè)鉸接支座應(yīng)力遠(yuǎn)小于管道應(yīng)力最大處，且支座處鉸接約束的假定比較合理。

（4）在管道設(shè)計(jì)中，管道的管徑、管材以及壁厚會(huì)影響管道的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)決定了管道在水中的重力與浮力，對(duì)于管道鋪設(shè)極限水深形成影響。

（5）在對(duì)于管道鋪設(shè)極限水深的計(jì)算中，滿水段管道和空水段管道分別受到的均布荷載對(duì)于管道鋪設(shè)極限水深具有較大影響，可采取工程措施改變管道在水中的均載，調(diào)整管道形態(tài)，以適應(yīng)更大水深。

（6）在管道施工中，準(zhǔn)確調(diào)整鋪管船的導(dǎo)向架方向、控制沉管過程中向管內(nèi)的灌水速度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉管過程、遇到極端天氣條件時(shí)的棄管和拾管工藝，對(duì)于控制管道應(yīng)力具有積極影響。