沙特阿美油氣管道冷彎管安裝技術(shù)

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

沙特是中國在中東地區(qū)推進“一帶一路”建設(shè)的重要合作伙伴[1]，在此背景下，中國施工企業(yè)在沙特的市場前景將非常廣闊。近幾年，管道局先后中標了沙特阿美多個項目，其中多數(shù)工程屬于油氣田區(qū)的Freeflow line 和Pipe line。

沙特阿美的油氣田區(qū)是世界上最早和最大的油氣產(chǎn)區(qū)之一，已經(jīng)有龐大的油氣管道網(wǎng)絡(luò)。在這些地區(qū)施工，管線的走向極其不規(guī)律，水平轉(zhuǎn)角多，由于有大量的在役設(shè)施穿越，縱向彎管的使用量也很大。以管道局承建的沙特阿美NGCP 項目為例，僅Haradh 區(qū)域的308 km 鋼質(zhì)管道就需要安裝4000 多根冷彎管，因此，研究冷彎管的安裝技術(shù)，對施工的進度和成本都有很重要的影響。

目前，大部分的冷彎管安裝都是根據(jù)設(shè)計圖紙估計，現(xiàn)場調(diào)整角度偏差，經(jīng)常會出現(xiàn)角度不合適或強力組對的情況。本文首先論述了冷彎管的應(yīng)用，并從冷彎管的測量、現(xiàn)場組合以及預(yù)制等方面闡述了如何確定冷彎管的角度，提高施工質(zhì)量，減少浪費。

2.冷彎管的應(yīng)用

2.1.管道走向改變的方法

輸油輸氣鋼質(zhì)管道的走向改變一般有三種方法：

1) 采用彈性敷設(shè)方式

該方法應(yīng)用于角度較小，曲率半徑較大，而且有足夠的空間的區(qū)域。我國規(guī)范的一般要求，彈性敷設(shè)的最小曲率半徑為1000 D。

在沙特阿美的規(guī)范和圖紙中，一般不給出具體的曲率半徑，而是采用公式計算法來確定。例如：

其中，

R：曲率半徑；

E：彈性模量；

D：管道外徑；

Sb：管道應(yīng)力。

2) 采用熱煨彎管或熱煨彎頭方式

熱煨彎頭一般是采用角度級差的方式進行定制，例如，外徑20 英寸的鋼管，設(shè)置30?、45?、60?、90?幾種規(guī)格。設(shè)計時先計算出轉(zhuǎn)角度數(shù)，再人為地進行圓整到擬訂貨的級差度數(shù)，產(chǎn)生的誤差采用調(diào)整管溝來適應(yīng)彎頭或與冷彎管組合使用來消除[2]。

如果規(guī)格設(shè)置過多，將會成本增加，一旦現(xiàn)場又線路調(diào)整，也會造成訂制彎頭的浪費，如果規(guī)格設(shè)置較少，不能滿足現(xiàn)場不同角度轉(zhuǎn)向的需要，而且在沙特阿美項目，依靠管溝調(diào)整的方法不能滿足中線偏差的要求。

3) 采用冷彎管的方式

冷彎管的角度可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要進行確定，其精度可以達到1 分。冷彎管的最大角度和最小曲率半徑在各種規(guī)范中有不同的規(guī)定。沙特阿美的規(guī)范《Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines》(SAES-L-450)中，對不同管徑冷彎管彎制時，每一進尺的長度和角度進行了規(guī)定(見表1)。

Table 1.Maximum localized bend表1.彎管最小進尺

2.2.冷彎管應(yīng)用優(yōu)點

在油氣管道施工中，水平轉(zhuǎn)角和縱向轉(zhuǎn)角均可以使用冷彎管，而且施工中冷彎管有以下優(yōu)點：

1) 冷彎管制作工藝簡單，相較于熱煨彎頭，成本較低。

2) 冷彎管的角度在一定范圍內(nèi)可以根據(jù)需要進行調(diào)整，更能契合圖紙和現(xiàn)場實際需要。

3) 冷彎管的曲率半徑相較于彈性敷設(shè)小的多，尤其是小管徑的鋼管，最大彎曲角度能達到45 度，基本能夠替代熱煨彎管和熱煨彎頭。

4) 冷彎管可以通過組合疊加等多種方法，達到契合現(xiàn)場條件的目的。

5) 針對沙特阿美公司在油氣田區(qū)域的管道安裝，由于在建設(shè)施非常多，而且分布極不規(guī)范，通過增加冷彎管安裝來調(diào)整路由是最為方便快捷的方法。

3.冷彎管安裝的步驟

3.1.冷彎管安裝的流程

冷彎管安裝的重點在角度確定，而角度確定的重點在現(xiàn)場測量，根據(jù)在沙特阿美的施工經(jīng)驗，冷彎管安裝中的重要工序如下(見圖1)：

Figure 1.Installation process of cold bend pipe圖1.冷彎管安裝流程

3.2.現(xiàn)場測量

沙特阿美的施工合同規(guī)定，在合同生效后三個月內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)圖紙有嚴重錯誤或存在重大變更，可申報并可獲得工期及費用補償，逾期將由承包商自行承擔。另外，近幾年沙特阿美油氣管道市場的快速擴張，導致大部分工程的設(shè)計時間比較短，設(shè)計錯誤較多。

由于以上原因，施工單位拿到圖紙后，應(yīng)盡快進行核查，并進行現(xiàn)場初步測量。測量工作的要點：

1) 測量前，仔細審查施工圖紙，對轉(zhuǎn)角處起彎點、彎心以及終彎點的坐標進行統(tǒng)計，并對地上和地下障礙物的坐標進行統(tǒng)計。

2) 測量時，應(yīng)順便將作業(yè)帶測量出來。

3) 直線段，可以采用間隔100 米或150 米打樁的方式，確定中線。

4) 轉(zhuǎn)角處，必須確定出起彎點，彎心和終彎點，并打樁標識。

5) 遇到電線桿、陰保站或其他障礙物與管道間距不滿足阿美規(guī)范要求時，應(yīng)盡快進行標記，并反饋給業(yè)主項目管理團隊(Project Management Team)辦公室。

3.3.路由調(diào)整

現(xiàn)場施工時，為了保證施工的順利進行，經(jīng)常需要調(diào)整原路由，其原因主要有以下幾個方面：

1) 按原路由遇到圖紙未標明地上障礙物或障礙物與管線間距不夠，需要改變原路由的水平轉(zhuǎn)角。

2) 現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)圖紙未標明的地下管線或光纜等，需要增加縱向彎管或改變水平轉(zhuǎn)角。

3) 現(xiàn)場地質(zhì)與圖紙設(shè)計不符合，需要改變管道埋深。

4) 現(xiàn)場實際環(huán)境與圖紙不符合，需要改變施工方案，例如，由原設(shè)計的大開挖改為定向鉆穿越等。

3.4.確定角度

3.4.1.水平彎管角度確定

當水平轉(zhuǎn)角或縱向角度采用一根彎管能滿足要求時，應(yīng)按如下步驟確定彎管角度：

1) 根據(jù)圖紙坐標找出起彎點坐標、彎心坐標和終彎點坐標。

2) 針對水平轉(zhuǎn)角，利用軟件確定彎管弧線段的中心線位置，每隔2～3 m 確定一個點的坐標，并在現(xiàn)場對弧線部分放出中心線位置，進行管溝開挖，并復測。

3) 針對縱向轉(zhuǎn)角，應(yīng)確定起彎點和彎心，并確定彎心的高程，現(xiàn)場開挖管溝后進行復測。

4) 根據(jù)現(xiàn)場復測情況，確定彎管角度和坐標，以外徑8 英寸角度為10?彎管為例(見圖2)。

Figure 2.Angle determination of single bend圖2.單根彎管角度確定

3.4.2.水平組合彎管確定

對于轉(zhuǎn)角較大，且沒有合適較大彎管或彎頭時，需要采用冷彎管和冷彎管組合或者冷彎管與熱煨彎頭組合的方式進行施工。其施工步驟如下：

1) 確定起彎點、轉(zhuǎn)角的頂點、終彎點的坐標。

2) 根據(jù)彎管或彎頭的尺寸進行調(diào)整，一般轉(zhuǎn)角的頂點坐標不動，調(diào)整起彎點和終彎點的坐標。

3) 現(xiàn)場放線、挖溝后，進行復測。

4) 以外徑762 mm (30 英寸)的管道，轉(zhuǎn)角55?為例，可采用45?熱煨彎頭(曲率半徑5 D，兩端直管段長1 m)和10?的彎管進行組合(見圖3)。

Figure 3.Combination of hot bend and cold bend圖3.熱煨彎頭和彎管組合

3.4.3.水平轉(zhuǎn)角和縱向轉(zhuǎn)角疊加彎管

現(xiàn)場施工時，經(jīng)常會遇到水平和縱向都有轉(zhuǎn)角的情況，此時應(yīng)認真測量，確定彎管的角度(見圖4)：

1) 首先，根據(jù)現(xiàn)場管道縱向，測量水平轉(zhuǎn)角α。

2) 確定高差h，從而確定縱向轉(zhuǎn)角β。

3) 通過公式計算所需彎管角度180?——θ。

Figure 4.Combination of hot bend and cold bend圖4.疊加彎管

根據(jù)圖4 推導疊加彎管角度計算公式：

由直角三角形ΔBCB1、ΔBAB1、ΔAHB1 可以得出：

由余弦定理得出：

合并①②③④⑤式，通過三角代換，可得：

3.5.彎管場地建設(shè)

3.5.1.彎管場地的選擇

1) 彎管場地應(yīng)選擇在交通便利，依托較好的地方。

2) 彎管場地應(yīng)該選擇不宜被水淹沒，基礎(chǔ)較好的地方。

3) 彎管場地的大小應(yīng)根據(jù)彎管量的大小來設(shè)計。

4) 彎管場地應(yīng)盡可能平坦，便于處理的地方，減少修整工作量。

3.5.2.彎管場地的設(shè)置

彎管區(qū)域的合理設(shè)置，能夠減少彎管倒運，并最大限度的存放彎管，同時也便于彎管的拉運。彎管場地應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行合理設(shè)置，一般應(yīng)設(shè)置原管堆管區(qū)域、成品彎管區(qū)、彎管機位置區(qū)，吊車位置區(qū)，并設(shè)置車道(見圖5)。

Figure 5.Cold bend fabrication shop setting圖5.彎管場地設(shè)置

3.6.彎管預(yù)制

用于制作冷彎管的鋼管均采用與所在線路段用管相同的管子，防腐管應(yīng)無損傷、冷疊、壓痕、劃痕、裂紋、褶皺等缺陷。管子標識應(yīng)清楚，現(xiàn)場要有鋼管廠和防腐廠提供的出廠合格證，用于彎管制作的直管，必須經(jīng)過QC 檢驗，具備檢驗報告后方可使用[3]。

目前，國內(nèi)外廣泛采用垂直液壓彎管機加工冷彎管，其基本原理是將鋼管放置于彎管機模具上，調(diào)整鋼管位置、上模、下模、內(nèi)胎、夾具等，按照設(shè)計的冷彎管加工工藝參數(shù)，冷彎管機主油缸對鋼管施加合適的彎曲力矩，使鋼管局部管段產(chǎn)生適量屈服變形，形成一定的成形角度[4]。

采用垂直液壓冷彎管機制作冷彎管的基本步驟為：后端夾具夾緊鋼管(固定支點)，通過前端下模主油缸的支點(活動支點)向上運動，使鋼管沿上模曲線中部(固定支點)彎曲變形，再將鋼管按一定的間隔移動后重復彎制過程，逐段彎制，最后達到設(shè)計的彎曲角度。主要工藝流程為：彎管機啟動和預(yù)熱，彎管基準點設(shè)定(胎芯–頂?；鶞庶c、彎曲間隔基準點、鋼管水平基準點、鋼管彎曲基準點)，鋼管彎制，質(zhì)量檢驗，標識和裝運[5]。

彎管開始前，應(yīng)進行場地準備、設(shè)備物資準備、技術(shù)準備以及人員準備。具體彎制應(yīng)符合各個工程項目批準的施工程序文件、施工方案或者相應(yīng)的標準規(guī)范。例如，管道局承建的沙特NGCP 執(zhí)行的是阿美的標準程序《陸地和近海岸長輸管線施工規(guī)范》(Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines SAES-L-450)以及該工程的冷彎管施工程序文件《Method of Statement for Cold Pipe Bending》。

3.7.彎管安裝

冷彎管彎制完成后，應(yīng)進行標識、記錄和驗收，通過驗收后，應(yīng)盡快運至現(xiàn)場進行安裝。

1) 首先，根據(jù)圖紙或設(shè)計的彎管組合，進行重新放線，轉(zhuǎn)角處設(shè)置加密樁，弧線段樁間距不超過3 m。

2) 根據(jù)放線結(jié)果進行管溝開挖。

3) 管溝開挖完成后，進行復測，并在溝內(nèi)確定起彎點、終彎點以及彎管和直管連接的焊口坐標。

4) 根據(jù)彎管標識，將彎管運至現(xiàn)場。

5) 根據(jù)管道下溝和焊接施工程序文件進行組對焊接。

6) 如果彎管位置與溝壁太近，或者彎管角度不合適，應(yīng)檢查彎管標識和彎管角度。如果確認彎管標識和角度均正確，應(yīng)進行管溝修整。

7) 彎管安裝完成后，進行防腐、檢漏和回填。

4.結(jié)束語

冷彎管是油氣管線施工中非常重要的一個環(huán)節(jié)，加強對冷彎管安裝的研究，不僅能減少管材浪費，節(jié)約成本，同時對施工質(zhì)量也起著關(guān)鍵的作用。在沙特阿美的油氣田區(qū)，各種管線縱橫交錯，每公里彎管用量超過10 根，合理的布置、組合和安裝冷彎管更是非常重要。