淺海大直徑管道鋪設應力控制技術研究

范旭征博，程加軍，皋黎明

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222044）

0 引言

隨著中國東部地區經濟的飛速發展，沿海工業園區的污水排放成為了制約其經濟發展的一個重要因素。在生態環境越來越受到重視的大背景下，如何兼顧沿海水域環境保護和經濟發展成為了人們面臨的難題。傳統的內河以及近岸污水管道的布置形式逐漸被淘汰，需要在離岸較遠的距離建立污水管道的排放點，以便充分利用海洋自身的凈化能力，減少污水處理的成本，減小污水排放對于沿岸經濟生產和人們生活的影響，兼顧經濟發展和生態環境保護[1]。

連云港市徐圩新區達標尾水排海工程設計規模為：近期排放量8.57 萬m3/d，遠期排放量11.83 萬m3/d。項目海域工程范圍以入海點為界，海域段污水排放管全長22279 m，最大鋪設水深約18 m。

項目海域管道工程平面布置圖見圖1。

圖1 項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，此類管道鋪設案例不多，缺乏成熟的施工工藝和船機設備。采用鋪管船對海域管道進行鋪管作業，敷設過程中管道一端置于海底，另一端與鋪管船甲板上的導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雜，彎曲的管道為幾何非線性和彈塑性大變形結構，分析難度較大。將管道鋪設過程中的管道彎曲應力控制在允許范圍之內，提高海域管道鋪設的效率，降低施工中的安全風險，需探索深水條件下管道鋪設施工中管道受力狀況的計算方法，以及管道鋪設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

連云港市徐圩港區尚無長期潮位觀測資料。根據2005年9月和2006年1月水文測驗期間同地的小丁港臨時潮位觀測資料，與連云港長期潮位站同步潮位資料建立相關關系，推算獲得徐圩港區設計水位如下（85 國家基準）：

50 a 一遇高潮位3.66 m (設計高水位)；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 (設計低水位)。

1.2 波浪

海區累年平均波高為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為最大，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）向為最大，達4.3 s，NE（東北）向次之為4.1 s。接收井施工安排在7月份，實測最大波高約1.5 m。

2 管道應力控制計算分析

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，其屈服強度σ 為235 MPa。鋪設施工時通過向管內注水調節其形態，控制鋼管的最小曲率半徑以保證管道的彎曲應力不超過管道的屈服強度。對管道受力情況進行模擬分析計算。

項目海域管道鋪設施工受力圖見圖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 項目海域管道鋪設施工受力圖

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。滿水段鋼管觸底節點上下位移受到約束，空水段在鋪管船導管架確定合理方向后受到垂直于導管架方向約束，在反彎點兩者固接，相互約束?？蓪Ч芗堋⒎磸濣c、觸底點視為支座，滿水段與空水段分別與支座鉸接，受到均布荷載。根據該假設計算得到的鋼管撓度要比實際情況大，相對比較保守。

項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 為滿水段弧長對應角度；β 為反彎點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

當鋼管注水端剛出水時（注氣拾管狀態），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，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為桿件計算長度，m。

鋼材的屈服應力相同，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計算式為:

鋼管的極限抗彎彎矩M 計算式為：

由式（2）可知:

式中：y 為管道截面彎曲應力計算點處的y 坐標，取值為D/2，0.71 m；σ 為管道截面計算點處的彎曲應力，按照Q235B 鋼材的屈服強度取值，為235 MPa。

當管道滿水段截面的彎矩達到了控制曲率下的極限彎矩值6448.5 kN·m 時，計算得到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 計算空水段跨中最大彎矩，計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。

根據材料力學中關于彎曲應變ρ 的計算公式：

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：

由此通過計算可得：

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

3 數值計算分析

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

圖4 有限元計算模型

水域模型尺寸垂直于管道軸線方向取10 個波長（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，深度方向按計算水深考慮。管道初始狀態按照導管架的傾斜度插入水中，見圖5。

管道采用8 節點修正2 次六面體拉格朗日單元（C3D8R）；水采用8 節點流體單元（FC3D8）。管道壁厚方向設1 個單元，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。計算中須考慮流體（海水）與管道的相互作用，采用有限元計算時根據能量傳遞方式進行,相關參數選取見表1。

表1 參數選取

管道的重力通過施加重力荷載（Gravity）實現，采用平滑分析步施加，加載時間取10 s；水流浮力和水流波浪力由水體運動與管道的相互作用施加。后續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 五階波理論計算，水域邊界按自由流入邊界考慮。以下計算水流流速取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管架、托管架和海底的約束作用，同時受到重力、水流浮力等作用。在施工過程中，為將管道沉入海底，需在管道內注水。為防止重力作用下，懸空管道的屈曲變形過大，會在管道出水端留出空水段，空水段的長度需根據管道屈曲變形的要求（按設計控制曲率半徑為800 m 考慮，根據彈性力學計算，管道最大控制應力為188 MPa）確定。

管道敷設水深為12 m 時（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。管道最大應力為156 MPa≤188 MPa，滿足設計要求。

圖5 12 m 水深管道最大應力圖

管道敷設水深為14 m 時（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。管道最大應力為183 MPa≤188 MPa，滿足設計要求；但是管道應力已接近極限狀態，且管道上浮量較大，因此施工到14 m 水深的海域時，應密切監測管道變形及應力，且空水段長度不應超過64 m。

圖6 14 m 水深管道最大應力圖

管道敷設水深為15 m 時（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。管道最大應力為268 MPa≥188 MPa，超過最大控制應力，管道豎向變形過大，已經不滿足安全施工要求。

圖7 15 m 水深管道最大應力

4 管道應力控制施工關鍵技術

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

根據管道鋪設設計中對特定管徑、壁厚和管材的管道應力要求，應合理設計發射架的角度、托管架的長度、開溝機的長度，控制管道從鋪管船頭入海時的入水角度，控制管道進入開溝機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向架，導向架距船頭2 m 處設置鋼管夾緊器。導向架立柱、縱橫梁材料采用25 工字鋼，縱梁上焊φ180 橡膠滾輪，在導向架前段往前延伸設置安裝托管架、船頭安裝立柱及扒桿，可以調整托管架角度。在夾緊器處于松開狀態時，通過移動船舶，管道可在施工平臺上緩慢下放入水。

平板駁船導向架和托管架立面圖、斷面圖見圖8、圖9。

圖8 平板駁船導向架、托管架立面圖（單位：m）

圖9 平板駁船導向架、托管架斷面圖（單位：m）

由于管道內存在空氣，無法直接沉入海底，需要使用抽水泵向管道內部灌入海水。抽水泵安裝在導向架末端的管道處，通過伸在海中的管道抽取海水至鋪設管道內部，同時控制灌水速度，使其與管道鋪設速度保持一致，以實現管道的平穩下放和沉底。

在管道沉放過程中，船至泥面段管道在水中呈曲線狀態。當鋪設管節浮在水面上長度較長時，跟隨涌浪會存在高點而引起空氣聚集，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向架上的傾斜角度向管道內注水，通過管道末端的敞口自然排氣，使得已鋪設管道沉至泥面。注水時需控制管道移動的速度與注水的速度一致，每隔5 min 校核一次船舶移動的距離與供水量的對應情況，供水量由流量計控制并根據管道姿態及時進行調整。

為保證鋪設完畢的管道質量符合要求，在管道鋪設完畢、覆土之前需要進行管道水壓試驗。在管道注水端焊接封頭堵板，讓管道脫離托管架，使其轉變為棄管狀態，然后進行灌水和排氣，以無變形、無滲漏、不降壓為合格。

已經鋪設完畢的管道，經過試壓檢測合格之后，采用多功能水力沖溝機進行溝槽沖溝開挖埋設。在鋪設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至溝槽之中，然后回填溝槽，將管道埋設至設計深度，最后回填海砂碎石，保護海域管道。

5 結語

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

（2）連云港市徐圩新區達標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，鋼管截面內徑為1384 mm，鋼管壁厚為18 mm。理論計算得到不加其他輔助措施情況下的管道鋪設極限水深為11.6 m，有限元方法計算得到的管道鋪設極限水深約為14 m。因此，采用本文理論方法對于淺海管道鋪設極限水深進行估算比較合理。

（3）根據有限元方法計算得到的管道應力分布發現，在理論計算時假設的3 個鉸接支座應力遠小于管道應力最大處，且支座處鉸接約束的假定比較合理。

（4）在管道設計中，管道的管徑、管材以及壁厚會影響管道的抗彎強度，同時決定了管道在水中的重力與浮力，對于管道鋪設極限水深形成影響。

（5）在對于管道鋪設極限水深的計算中，滿水段管道和空水段管道分別受到的均布荷載對于管道鋪設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，調整管道形態，以適應更大水深。

（6）在管道施工中，準確調整鋪管船的導向架方向、控制沉管過程中向管內的灌水速度、實時監測沉管過程、遇到極端天氣條件時的棄管和拾管工藝，對于控制管道應力具有積極影響。