高壓天然氣管道水平定向鉆彈性段相接方案研究

馬超 MA Chao

（南京市燃氣工程設計院有限公司，南京 210018）

0 引言

在高壓天然氣管道正常敷設過程中，新建管道與現狀管道相接時主要考慮安全、經濟、可操作性方面等因素，常規條件下在現狀管道的水平開挖段相接，但受現場條件限制，非常規條件下存在水平定向鉆彈性敷設段相接的情形，對安全、經濟、可操作性等方面提出了一定挑戰。對于埋地管彈性敷設段相接的應力計算，周偉平應用Solidworks 2003建立不同斜接角度的三位實體模型，然后將模型導入有限元軟件COSMOS2004對斜接模型進行應力分析，計算結果顯示斜接角度越大應力越大，管道口徑越大，應力越大，但均未達到屈服應力。此外，張繼龍等對天然氣管道帶氣接、切線作業過程中產生的風險因素進行辨別，并提出相應的控制措施。本文以云密路（山莊路）高壓燃氣遷改工程為例，進行應力計算及風險分析，論述實施方案的可行性。

1 項目概況

1.1 項目背景

規劃建設山莊路和云密路與現狀D610高壓天然氣管道交叉，現狀高壓天然氣管道與規劃山莊路交叉段規劃山莊路路面標高約為26.7m，現狀燃氣管道埋深標高約33m；現狀高壓天然氣管道與規劃云密路交叉段規劃云密路路面標高約為28.6m，該段現狀燃氣管道埋深標高約35m；兩段交叉處規劃路面標高均低于該處現狀高壓管道埋深，如正常開挖，燃氣管道出現懸空，因此在規劃道路實施之前，需將本段燃氣管道遷改。云密路為新建道路，南起龍翔大道，北至鳳信路，長度約222m，標準紅線寬33m；山莊路為新建道路，南起龍翔大道，北至鳳信路，長度約235m，標準紅線寬26.5m。現狀管道與規劃路相對位置關系詳見圖1。

1.2 遷改區域地質、水文條件

遷改區域為崗地地貌單元，第四系沉積土層主要是粘性土。下伏基巖為白堊系安山巖。自上而下巖土層分布為雜填土、填筑土、素填土、粉質黏土、強風化安山巖、中等風化安山巖。

孔隙潛水主要賦存于填土層中。勘探期間測得場地孔隙潛水穩定水位埋深在地面下0.50～12.90m（高程25.90～35.50m），地下水接受大氣降水和地表水系的滲入補給，以徑流和蒸發方式排泄，水位受季節性影響明顯，水位變幅在1m以上。

1.3 現狀高壓天然氣管道概況

現狀高壓管道設計壓力為4.0MPa，管徑為D610×11.9mm，管材為L415（X60），管道采用3PE加強級防腐直縫埋弧焊鋼管。該段管道以水平定向鉆穿越方式過云密路、西春路、機場二通道，入土點位于機場二通道西側約450m，入土角8°，出土點位于西春路東側約75m，出土角為6°，穿越段（云密路-西春路-機場二通道）出入土點間距約1500m，具體方案如圖2。

1.4 高壓天然氣管道遷改設計方案

設計參數：本工程設計壓力為4.0MPa，管徑為D610×11.9mm，管材為L415（X60），管道采用3PE加強級防腐直縫埋弧焊鋼管，與現狀管道原設計各項參數保持一致，總長度約652.75m，其中水平定向鉆出入土點間距639.15m。

此次設計起點為山莊路東側108.58m，與現狀高壓天然氣管道D610開挖段相接，該段管道覆土約2～3m；終點為云密路西側150m與現狀高壓天然氣管道D610水平定向鉆穿越段相接。本次設計方案高壓天然氣管道與規劃山莊路、云密路交叉時，采取水平定向鉆穿越的方式敷設，入土點位于西春路東側（云密路西側），坐標為（X=326353.12，Y=338369.58），出土點位于山莊路東側坐標為（X=326983.22，Y=338476.85），穿越段距離北側垃圾中轉站22.5m。

由圖3圖4可測得，相接點管道覆土約7.75m，接氣點處管線為曲線段，相對較為平緩，現狀斜接角度約為2°。

2 應力計算

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》（GB 50423-2013），天然氣管道受到的應力主要為以下幾個部分：環向應力、軸向應力、彎曲應力，各項應力計算如下：

2.1 環向應力

環向應力包含由內壓產生的環向應力和由土壓產生的環向應力。

①內壓產生的環向應力。

式中，σh為內壓產生的環向應力，MPa；

p為管道設計壓力，MPa；

ds為管道內徑，mm；

δ為管道公稱壁厚，mm。

②土壓產生的環向應力。

式中，σHe為土壓產生的環向應力，MPa；

KHe為鉆孔方式土壓力產生管道環向應力的剛度系數；

Be為土壓力深埋影響系數；

Ee為土壓力挖掘系數；

γ為土壤容重（kN/m3）；

D為穿越管道外直徑/m。

2.2 軸向應力

軸向應力分為管段軸向變形不受約束時軸向應力和管段軸向變形受約束時軸向應力。

①軸向變形不受約束時軸向應力。

式中，σa為軸向變形不受約束時軸向應力，MPa；

p為管道設計壓力，MPa；

d為管道內徑，mm；

δ為管道壁厚，mm。

②管段軸向變形受約束時軸向應力。

式中，σa為軸向變形受約束時軸向應力，MPa；

Es為彈性模量，MPa；

α為鋼材的線性膨脹系數，m/（m·℃）；

t1為管道安裝閉合時的環境溫度/℃；

t2為管道輸送介質在穿越處的溫度/℃；

μ為鋼材的泊松比，取0.3；

σh為鋼管的環向應力，MPa。

2.3 彎曲應力

彎曲應力為管道彈性敷設段產生的應力，計算公式如下：

式中，σb為彈性敷設曲率半徑，MPa；

Eg為彈性模量，MPa；

D為鋼管外徑，mm；

R為彈性敷設曲率半徑，mm。

穿越管段計算各單項應力后，應按照下式計算當量應力：

式中，∑σh為各作用產生的環向應力代數和，MPa；

∑σa為各作用產生的軸向應力代數和，MPa。

因資料的局限性及現狀埋地天然氣管道地下具體形態不完全明確，為避免其他因素干擾，考慮最不利情況進行計算，即考慮土壓力產生的環向應力，考慮管段軸向變形受約束時軸向應力，計算彎曲應力時按照規范允許的最小曲率半徑（1500D）。計算參數及結果如表1所示。

表1 應力計算一覽表

通過以上計算數據可以看出，斷管時當量應力約76.50mm，斷管時管道應力釋放，同時會發生位移，位移約0.36mm，無論是應力還是位移產生影響均較小。

3 主要風險因素識別及應對措施

設計方案中出土點（山莊路東側）管道埋深淺，正常相接風險較小，本次主要考慮云密路西側高壓天然氣管道相接的問題，本工程主要施工工序為：深基坑開挖→支護（打樁）→深基坑完成→封堵→斷管→焊接→解除封堵→試壓→回填。

在施工過程中主要風險集中如下：

①深基坑開挖帶來的風險。

本工程管道中心埋深為7.75m，深基坑開挖深度超過8m，根據《軟件谷下穿繞城公路工程勘察報告》，相接點地層巖性為強風化安山巖與粉質黏土過渡段，勘探期間測得場地孔隙潛水穩定水位埋深在地面下0.50～12.90m（高程25.90～35.50m）。在施工過程中可能遇到基坑整體失穩（滑坡和隆起）、支撐體系的強度破壞（支撐點的偏移和撐點滑動），導致邊坡（護壁）滲漏、基坑邊坡滑移、地面開裂、坍塌、基底隆起等現象。

應對措施：開挖時進行放坡并做支撐，土堆與作業坑四周空出安全間距，并制定應急預案，一旦發生坍塌，作業人員立即停止開挖，迅速撤離至作業坑上方，啟動應急預案。

②深基坑內作業產生的風險。

為考慮經濟性，深基坑內作業空間較為狹窄，尺寸為35×6m，在這個空間內需完成封堵、斷管、焊接等一系列作業，機械吊裝存在一定困難。此外深基坑部分位于地下水位線以下，作業時坑內穩定性不容易保障，具有一定風險。

應對措施：聘用有專業資質證書且經驗豐富人員作業，按照操作作業規程規范作業，并設置排水設施及時排水。同時，用檢測儀檢測污染區天然氣濃度和含氧量，保障深基坑安全作業環境。

③管道相接時應力釋放產生的風險。

高壓天然氣管道在斷管時，斷口處應力瞬間釋放，管道發生位移，管道產生的位移可能會對其他機械器具、人員造成危害，同時也會給管道對焊帶來困難，存在不確定的安全風險。

應對措施：經過計算，高壓天然氣管道在斷管時產生的位移非常小，影響有限，在采取保護措施后不會對機械器具、人員造成危害。因此在斷管時應對工作人員做好相應防護，確保工作人員人身安全。

④經驗缺失帶來的風險。

經咨詢中石油、中石化、江蘇省天然氣有限公司等單位，均未實施過在定向鉆彈性敷設段相接的案例，缺乏實際案例及經驗。

應對措施：選取施工經驗豐富并有過類似作業的施工單位實施方案，編寫施工組織方案并咨詢行業內專家意見，取得一致性意見后方可實施。

⑤停氣斷供風險。

穿越西春路現狀管道定向鉆穿越段長度約1500m，在施工方案實施前，需將現狀管道定向鉆穿越段兩端管道設置閥門，并關閉閥門，將該段天然氣置換，保證相接段管道內無天然氣。本段高壓管道為南京市主干管，這種施工作業將出現一定時間和區域的停氣斷供。

應對措施：避開城市用氣高峰期，在用氣低谷時段施工作業，并迅速完成方案實施。

⑥相接點位覆土深度不詳。

因竣工時間較早，管道沿線地面高程出現變化，西側相接點原有高程數據不一定準確，兩處相接點均需要根據現場開挖情況確定埋深，給現場施工作業帶來一定困難。

應對措施：現場開挖前做好管線探測，測清現狀高壓天然氣管道埋深及周邊管線具體情況。同時，作業前挖探坑，若出現較大偏差，應根據現場開挖情況及時調整方案。

4 結論

通過計算結果可知，相接點處應力在許用應力范圍內，實施高壓天然氣水平定向鉆彈性敷設段相接實施方案在技術上具備可行性；通過對方案的風險辨識、并采取相應的應對措施，風險可控，該技術方案是可實施的。