管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置設計

摘 要：根據JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》規(guī)定“油氣輸送管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時，應設置地下通道（涵）或套管”，定向鉆穿越等級公路傳統(tǒng)工藝有全套管和半套管2種，施工成本高、難度大，尤其在大口徑厚壁管中更是明顯。為有效降低施工成本和難度，結合天然氣工程實踐，設計一種管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置，套管長度僅延伸至道路外緣2～5 m，這尚屬首創(chuàng)，不僅適用于油氣管道工程，也適用于其他市政管道工程，具有較高的經濟效益和推廣價值。

關鍵詞：定向鉆；等級公路；全自動解鎖；全套管；半套管

中圖分類號：TE832 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0038-05

Abstract： According to the JTG D20—2017 "Design Specification for Highway Alignment"， "when the oil and gas transportation pipeline intersects with all levels of highway and adopts the underpass mode， the underground passage（culvert） or casing should be set up." There are two traditional technologies of directional drilling through grade highway： full casing and semi-casing. The construction cost is high and difficult， especially in large diameter thick-walled pipes. In order to effectively reduce the construction cost and difficulty， a fully automatic unlocking device for pipeline directional drilling through grade highway is designed based on the practice of natural gas engineering， and the length of the casing only extends to 2～5 meters on the outer edge of the road， which is the first. It is suitable not only for oil and gas pipeline projects， but also for other municipal pipeline projects， with high economic benefits and promotion value.

Keywords： directional drilling; grade highway; automatic unlocking; full casing; semi-casing

經過多年持續(xù)快速發(fā)展，管道運輸已成為石油、天然氣等液體和氣體能源的首選輸送方式，與鐵路、公路、水運和航空運輸并列為我國五大運輸方式[1]。

2017年，國家發(fā)展改革委、國家能源局共同印發(fā)《中長期油氣管網規(guī)劃》，指出今后10～15年仍將是油氣管道建設的高峰期。預計到2030年，我國油氣管道總里程將達到25～30萬km，基本建成現代油氣管網體系[2]。

有數據顯示，我國70%以上的油氣管道需穿越公路。2015年交通運輸部、國家能源局、國家安全監(jiān)管總局聯合發(fā)布《關于規(guī)范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知》，明確規(guī)定新建或改建油氣管道需要穿（跨）越既有公路的，宜選擇在非橋梁結構的公路路基地段，采用埋設方式從路基下方穿越通過，或采用架設方式從公路上方跨越通過。并且油氣管道穿（跨）越公路前應委托具有資質的單位進行安全技術評價，出具評價報告。政府公路管理部門組織公路行業(yè)專家評審通過后，才能批準涉路工程的施工[3]。

交通運輸部批準實施的JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》第12.5.6條規(guī)定“油氣輸送管道與各級公路相交叉且采用下穿方式時，應設置地下通道（涵）或套管”[4]。該規(guī)范2006版及JTG B01—2014《公路工程技術標準》均有類似描述。

后工程實踐中逐漸出現了全套管和半套管2種定向鉆穿越等級公路的施工工藝。如2002年齊魯石化的青島天然氣管道工程采用定向鉆“管道+套管”的工藝[5]，中兵華錦集團盤錦至營口輸油管道（DN500 mm原油管道和DN350 mm柴油管道）采用了短距離定向鉆套管穿越公路技術[6]，2018年浙江某天然氣管道工程定向鉆穿越高速公路時采用了全套管工藝（DN600 mm鋼套管）、某LNG接收站項目輸氣管線工程采用全套管穿越等級公路（DN1 400 mm）。

全套管工藝在回拖管外安裝一根等長、口徑略大的鋼制套管，施工中先回拖套管再回拖管道，或將回拖管安裝到套管內，再一起回拖。該工藝存在套管材料消耗量大、成本高、定向鉆鉆機功率要求大等缺點。半套管工藝只在前半段管道上安裝套管，即在穿越公路下方的管道上安裝套管，相比全套管工藝，半套管工藝可有效降低套管材料的消耗量和對鉆機功率的要求。但不論是全套管還是半套管，其工藝仍存在施工成本較大、依賴大功率鉆機、在長距離大口徑定向鉆中應用困難等問題。

為改進傳統(tǒng)全套管、半套管工藝，進一步減小套管長度，降低鉆機功率、提高施工智能化與自動化水平、降低施工難度和施工成本。本文提出一種管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置的設想，該裝置在套管穿越等級公路時，在回拖孔中可通過遙控斷開套管和管道之間的連接，套管長度僅延伸至道路路堤坡腳或排水溝外邊緣外2～5 m，從而大幅減小套管長度，降低施工成本和對鉆孔機的功率要求[7]。尚屬首創(chuàng)，適用于各種距離、各種口徑的定向鉆穿越等級公路，可用于油氣長輸管道和市政管道等套管穿越等級公路，具有較強的實用價值、廣泛的應用前景、重要的社會效益和經濟效益。

1 概述

管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置包括擴孔器、連接頭、管道、套管、地下定位裝置、鎖緊機構和地面遙控器，外形示意如圖1所示。

2 主要構造及工作原理

2.1 主要構造

擴孔器、設置在擴孔器上的連接頭、需要鋪設的管道、用于套在管道上的套管、設置在套管上的地下定位裝置、設置在管道上并能將套管鎖緊在管道上的鎖緊機構和用于控制鎖緊機構以松開套管的遙控器（圖2、圖3）。

2.2 關鍵技術——限位機構

限位機構包括休息狀態(tài)（圖2）和限位狀態(tài)（圖4、圖5）。限位機構處于休息狀態(tài)時，彎折板貼合在管道上，若干轉動板拼接形成錐形結構，以減小套管前進時的阻力，滑塊設置在防滑機構遠離轉動板的一側；限位機構處于限位狀態(tài)時，轉動板遠離套管的一端分散打開，彎折板嵌入回拖孔的孔壁，滑塊位于防滑機構上（圖4），防滑機構防止滑塊背向轉動板運動，以防止轉動板合攏。

2.3 工作原理

第一步，將鉆頭安裝在鉆桿的端部，利用鉆頭在地下鉆出一個導向孔，導向孔從等級公路下方經過。

第二步，鉆頭鉆至地面后，將鉆頭從鉆桿上拆下，并安裝擴孔器，管道的一端通過連接頭和擴孔器連接，管道靠近連接頭的一端加設套管，鎖緊機構將套管鎖緊在管道上。

第三步，鉆機本體回拖鉆桿，擴孔器沿導向孔運動并對導向孔進行擴孔，導向孔擴孔后形成回拖孔，管道和套管隨擴孔器前進并進入回拖孔中，地面的施工人員通過地下定位裝置定位套管在地下的位置。

第四步，當套管到達等級公路下方時，地面的施工人員通過遙控器控制鎖緊機構，鎖緊機構放開套管，套管被滯留在等級公路下方，發(fā)揮保護管道的作用。

第五步，鉆機本體繼續(xù)回拖鉆桿，直至擴孔器和管道的端部到達地面（圖6）。

第六步，將鎖緊機構從管道上拆下來，將管道和連接頭脫開。

2.4 其他補充說明

根據規(guī)范要求，套管端部伸出等級公路的路堤坡腳、排水溝外邊緣需要大于等于2 m，考慮到誤差問題，可以適當增加套管長度，控制伸出邊緣5 m左右。

套管上設置有若干鎖孔，鎖緊機構包括套設置在管道的底座上，底座的外側轉動連接有若干滾珠，底座的外側設置有若干可插入鎖孔的插銷，底座內安裝有用于驅動插銷沿底座徑向運動的第一驅動缸，以使插銷插入鎖孔或從鎖孔中拔出；套管鎖緊在管道上時，底座位于套管和管道之間，滾珠和套管內壁抵接，插銷插入鎖孔；插銷從鎖孔中拔出時，鎖緊機構放開套管，套管和管道之間可相對運動。

第四步中，當限位機構處于限位狀態(tài)時，管道在繼續(xù)前進時萬一碰到滾輪，會使?jié)L輪受力后彎折板會更加嵌入導向孔的孔壁上，增加套管的穩(wěn)定性；另外，滾輪可減小管道的摩擦力，從而防止管道帶動套管運動。

在鎖緊機構剛開套管前，驅動機構打開轉動板，使得彎折板嵌入導向孔的孔壁，彎折板類似于倒刺，防止后續(xù)運動的管道帶動套管繼續(xù)前進。在轉動板向外轉動的過程中，轉動板通過第二支撐桿、第一支撐桿帶動滑塊向防滑機構運動，當彎折板嵌入導向孔的孔壁后，滑塊運動至防滑機構，防滑機構和滑塊配合，防止滑塊回退而轉動板合攏。另外，當管道繼續(xù)前進時，底座慢慢離開管道，軌道、滑塊第一支撐桿、第二支撐桿從避讓槽經過，從而使得底座順利離開套管。底座通過螺栓和管道可拆卸連接，方便將鎖緊機構從管道上拆下。

3 全自動解鎖裝置經濟性分析

以某LNG接收站項目輸氣管線工程定向鉆穿越等級公路為例測算。項目特征：穿越處天然氣管道設計壓力為10 MPa，主管管徑為Φ1 016 mm，壁厚26.2 mm，L485M PSL2 SAWL直縫埋弧焊鋼管，防腐層采用常溫加強級3PE防腐+環(huán)氧玻璃鋼外防護層，光纜套管穿越采用Φ114 mm×6 mm鍍鋅鋼管，套管管徑為Φ1 420 mm，壁厚16 mm，Q235B鋼管。定向鉆管線曲率半徑1 500 D，入土角8°，出土角6°，水平長度663 m，穿越深度21.2 m，淤泥土為主。

通過費用測算（表1）可以看出，采用自動解鎖工藝比全套管工藝可節(jié)省投資約454萬元，套管管材費、運輸費、組裝焊接費和定向鉆穿越費用均會有明顯下降。

同時，對其他各種規(guī)格天然氣管道的全套管工藝與自動解鎖工藝的成本進行分析，結果見表2。

由表2、圖7可知，隨著天然氣管道管徑的增大，自動解鎖工藝較全套管工藝的總投資節(jié)省費用也隨之增加，尤其是DN400 mm管徑以上天然氣管道尤其明顯。同樣，自動解鎖工藝較全套管工藝的每米節(jié)省造價也隨著管徑增大而明顯增加。

另同一規(guī)格的管道定向鉆穿越等級公路，定向鉆長度越長，自動解鎖工藝的經濟優(yōu)勢就越突出：以管徑DN400 mm天然氣管道定向鉆穿越等級公路為例進行分析，在穿越長度為420 m時，全自動解鎖工藝較全套管工藝可節(jié)省造價約55萬元，在穿越長度為1 620 m時，可節(jié)省造價223萬元（圖8）。

4 市場分析

近幾年，浙江省內管道定向鉆穿越等級公路采用套管的應用案列較多，如某LNG輸氣管線工程（DN1000天然氣管道）及某企業(yè)的城市燃氣管道等。某企業(yè)城市燃氣管道在2022—2023年定向鉆穿越等級公路共計146處（表3），且未來2年計劃穿越200處以上。

該企業(yè)定向鉆穿越等級公路應用較多的管道規(guī)格為De250 mm和De315 mm占54%，De250 mm/De315 mm每條至少可節(jié)省18萬元/25萬元，結合該企業(yè)未來2年計劃，自動解鎖裝置收益較明顯。

由上分析，管道定向鉆穿越等級公路較為常見，因此套管全自動解鎖裝備有廣泛的應用市場，且經濟效益明顯，尤其在長距離、大管徑管道穿越中。如DN800 mm管徑定向鉆（最短情況下）每條可節(jié)省造價267萬元，按照30%比列分成，做3條即收回投入成本，De315 mm管徑定向鉆（最短情況下）每條可節(jié)省造價25萬元，按照30%比列分成，約做30條即可收回投入成本。因此，從目前市場的體量和效益來看，管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝備的研發(fā)是有意義的，且具有較高的經濟價值，這在大口徑管道中尤其明顯。

5 主要難點

由于定向鉆穿越等級公路深度較深，一般的遙控技術難以保證深地層信號的穩(wěn)定性，需要研發(fā)電磁屏蔽狹長空間和復雜埋地環(huán)境、遠距離快響應套管與管道遙控可靠分離技術。

需要考慮各種不同地質、不同管徑、橢圓度超標等情況下，解鎖裝置的適應性和可靠性運行。

6 下一步計劃

利用有限元仿真軟件，分析解鎖裝備鎖緊機構在大載荷服役條件下的機械結構強度、剛度、穩(wěn)定性情況，開展結構優(yōu)化設計；在不同復雜埋地環(huán)境條件下，研究開發(fā)具有遠距離、快響應能力的高可靠性電子遙控分離技術；研究設計套管快速止動裝置和安全止動控制技術，確保解鎖裝備與管道分離后套管精準落位；集成上述關鍵技術，開發(fā)基于參數化的回拖可視化三維仿真模擬平臺。

在滿足總體設計要求基礎上，基于上述關鍵技術，完善解鎖裝備各功能部件設計，利用計算機輔助設計工具繪制機械和電路工程圖紙，完成機械、電子部件的加工、性能測試和調試，完成樣機試制；按照定向鉆穿越等級公路實際場景，搭建解鎖裝備擬實工況性能測試平臺，開展性能測試試驗，針對試驗過程中存在的機械或電子故障問題，對樣機進行優(yōu)化升級。

在解鎖裝備擬實工況試驗目標達成的條件下，基于某定向鉆穿越等級公路具體工程，開展解鎖裝備示范應用，并對經濟投入、裝備使用性能、工程質量等方面進行分析評價。

7 結束語

通過以上分析可以看出，定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝置可明顯減低施工的成本，經濟價值顯著。管道定向鉆穿越等級公路套管全自動解鎖裝備有利于建設單位降低投資成本，加快項目建設進度，能帶來可觀的效益，對于管道施工單位而言甚至有可能降低施工方的利潤，因此，全自動解鎖裝置的推廣應用合作主體為建設單位。

根據國家管網規(guī)劃，還有大量的天然氣管線需要建設，同時隨著經濟發(fā)展、規(guī)劃調整等因素，改線工程也屢見不鮮，因此，本裝置具有較為廣闊的應用市場。

全自動解鎖裝置突破了天然氣等管線定向穿越等級公路的限制，隨著成本降低，定向鉆穿路工藝會越來越受建設單位青睞。

本裝置不僅適用于天然氣管道工程，也適用于其他管道穿越工程，可有效解決管道穿越公路整體壁厚增加的問題，從而降低用戶成本。

參考文獻：

[1] 中國產業(yè)研究院.2021—2026年中國管道運輸行業(yè)市場前瞻與未來投資戰(zhàn)略分析報告[R].2021.

[2] 國家發(fā)展改革委.關于印發(fā)《中長期油氣管網規(guī)劃》的通知[EB/OL].https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201707/t20170712_962 238.html.

[3] 交通運輸部，國家能源局，國家安全監(jiān)管總局.關于規(guī)范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知[EB/OL].https：//www.mem.gov.cn/gk/gwgg/201504/t20150403_241342.shtml.

[4] 中華人民共和國交通運輸部.公路路線設計規(guī)范：TJG D20—2017[S].北京：人民交通出版社，2017：12.

[5] 汪春付，常興，楊艷軍，等.齊青管道定向鉆穿越鐵路的方案設計與施工[J].油氣儲運，2004（3）：46-48，61-66.

[6] 孫雁伯，陳華.油氣管道短距離定向鉆套管穿越公路技術[J].管道技術與設備，2010（2）：37-39.

[7] 賀云根，李必正，張利杰，等.一種穿越等級公路的管道鋪設方法：ZL202310810144.2[P].2023-12-12.