沙特洼地管道連續(xù)混凝土覆蓋層控制負(fù)浮力模式的應(yīng)用

劉 東，孟獻(xiàn)強(qiáng)，張金喜，馬岳旺，張琳琳

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2河北東方學(xué)院交通學(xué)院，河北 廊坊

1.引言

沙特NGCP 項(xiàng)目地處東南部，地質(zhì)條件以沙漠和戈壁灘為主，一般地表淺土覆蓋，地下為堅(jiān)硬的巖石，每年1～4 月份季節(jié)性雨季時(shí)，洼地極易匯流形成水塘。因此，埋地管道經(jīng)過(guò)洼地時(shí)，極易受到水的浮力作用，使得管道產(chǎn)生一個(gè)向上的附加作用力(又稱負(fù)浮力)。如下圖1 所示：

Figure 1.Schematic diagram of pipe buoyancy in wadi areas圖1.洼地管道負(fù)浮力示意圖

在國(guó)際和沙特管道工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對(duì)河流穿越、水位較高地質(zhì)條件和洼地地區(qū)埋地管道工程，都要求必須考慮負(fù)浮力控制，防止對(duì)管道安全造成重大隱患。

2.管道連續(xù)混凝土覆蓋層的選擇及適用性分析

按照國(guó)際項(xiàng)目目前的管道負(fù)浮力控制方法選用，通常有：配重塊、連續(xù)混凝土覆蓋層、平衡壓袋、石籠和錨栓固定等[1][2]。每種穩(wěn)管的方式都有自己的使用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，在選用的時(shí)候需要綜合考慮水深、地質(zhì)條件、法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

根據(jù)沙特阿美SAES-L-450 Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines“陸地和近海管道施工”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[3]，埋地管道經(jīng)過(guò)洼地等可能發(fā)生洪水的區(qū)域，需要使用連續(xù)混凝土覆蓋層包裹管道，以便控制洪水產(chǎn)生的負(fù)浮力對(duì)管道穩(wěn)定性造成的影響，此外該規(guī)范要求，禁止使用錨固塊/配重塊加重方式穩(wěn)管固管，防止因點(diǎn)載荷的作用是管道產(chǎn)生較大的屈曲，不利于管道的安全運(yùn)營(yíng)。根據(jù)此要求，本項(xiàng)目采用連續(xù)混凝土覆蓋層的方式對(duì)洼地區(qū)域輸氣管道進(jìn)行穩(wěn)管。

管道連續(xù)混凝土覆蓋層適用范圍為沼澤地，地下水位較淺及易發(fā)生洪水對(duì)管道造成沖擊等區(qū)域，此方法在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中很少使用，但在國(guó)外項(xiàng)目應(yīng)用較多且技術(shù)較成熟。管道連續(xù)混凝土覆蓋層不需要配重塊固塊或管道管溝固定，依靠自身重力防止洪水沖擊造成位移影響而引起管道應(yīng)力；不需要對(duì)管道進(jìn)行配重塊現(xiàn)場(chǎng)拼裝、有效保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)碎石等物體可能對(duì)管道造成損傷；管道整體受力均勻等優(yōu)點(diǎn)。但也有一定缺點(diǎn)：增重后提高了焊接時(shí)對(duì)吊車噸位要求、運(yùn)輸和吊裝中混凝土覆蓋層容易因磕碰發(fā)生破裂等[4]。

3.連續(xù)混凝土覆蓋層的主要控制因素

管道連續(xù)混凝土覆蓋層設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中，需要根據(jù)管道直徑考慮混凝土抗壓強(qiáng)度、重量、厚度及整體構(gòu)造等因素，使成品不僅能夠承受較大的壓應(yīng)力、防止運(yùn)輸及吊裝過(guò)程中發(fā)生裂紋，而且要達(dá)到既定重量，起到負(fù)浮力控制要求。

4.連續(xù)混凝土覆蓋層的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

4.1.結(jié)構(gòu)構(gòu)造

連續(xù)混凝土覆蓋層管從內(nèi)至外結(jié)構(gòu)包括：X65 鋼管，F(xiàn)BE 防腐層、防滑膠層(提高FBE 和混凝土覆蓋層的粘結(jié)力)、混凝土層、加強(qiáng)筋鋼絲網(wǎng)層。如下圖2 所示：

Figure 2.Structure of concrete weight coating圖2.連續(xù)混凝土覆蓋層結(jié)構(gòu)

4.2.原材料要求

水泥：根據(jù) ASTM C150-94Standard Specification for Portland Cement [5]，水泥需選用V 型，即抗硫化物硅酸鹽水泥。

骨料：一般情況下，骨料由一種或多種天然砂、人造砂、鐵礦石組成。骨料選擇必須滿足09-SAMSS-088：Aggregates for Concrete [6]要求，對(duì)優(yōu)質(zhì)骨料，如細(xì)沙，磨損性和穩(wěn)定性測(cè)試可不做要求。若使用粗骨料，尺寸類別為7 或8。

攪拌水：應(yīng)無(wú)油、酸、有機(jī)物或其他有害物質(zhì)。不得使用海水或沼澤死水。水的溶解性固體含量TDS不超過(guò)500 ppm，酸堿度PH 值范圍6～8，并且每星期檢測(cè)一次水質(zhì)狀況，確保水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

加強(qiáng)筋鋼絲網(wǎng)：編織或焊接鍍鋅鋼絲網(wǎng)應(yīng)與混凝土涂層同時(shí)螺旋鋪設(shè)，網(wǎng)面重疊不小于為25 mm。鋼絲網(wǎng)尺寸和設(shè)計(jì)編號(hào)應(yīng)符合ASTM A810-94 Specification for Zinc-Coated (Galvanized) Steel Pipe Winding Mesh [7]的要求：

混凝土厚度25 mm 至50 mm (1 至2 英寸)：?jiǎn)螌?，鋼絲直徑1.37 mm (0.054 英寸)，設(shè)計(jì)編號(hào)107-1/2× 1-1/2 × 17，鍍鋅六角編制鋼絲網(wǎng)，并放置在混凝土涂層中間。

混凝土厚度54 mm 至76 mm (2.125 至3 英寸)：?jiǎn)螌?，鋼絲直徑2 mm (0.079 英寸)，設(shè)計(jì)編號(hào)2.00 ×1.60，鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)，壓接在混凝土層的中間。

混凝土厚度79 mm 至114 mm (3.110 至4.5 英寸)：雙層，鋼絲直徑2 mm (0.079 英寸)，設(shè)計(jì)編號(hào)2.00× 1.60，鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)，壓接在混凝土層的中間。

4.3.強(qiáng)度及密度要求

根據(jù)ASTM C39-圓柱形混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens [8]及阿美規(guī)范01-SMASS-012 水下管道連續(xù)混凝土覆蓋層Submarine Pipe Weight Coating 要求[9]，連續(xù)28 天養(yǎng)護(hù)后連續(xù)覆蓋混凝土層強(qiáng)度CS 需達(dá)到4000 Psi (27.6 Mpa)。

根據(jù)ASTM C642 要求，混凝土的干密度不小于190 pcf (3.04*103 kg/m3)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及試驗(yàn)，最終混凝土配比質(zhì)量百分比：64%鐵礦砂，5%細(xì)沙，23%水泥，8%水。

4.4.負(fù)浮力控制要求

任何單管的可接受重量公差應(yīng)限制在計(jì)算理論重量的?2%～+5%。理論重量應(yīng)使用混凝土層和鋼管的總重量計(jì)算。

連續(xù)覆蓋混凝土層壁厚應(yīng)按照以下的公式進(jìn)行[10]

考慮到沙特洼地處于巖石或沙地，土壤承載力不足，忽略大雨天Gs土壤重力作用。將(2)、(3)、(4)代入(1)中：

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：

Bc+p為單位長(zhǎng)度混凝土連續(xù)覆蓋管所受的負(fù)浮力，N；n為安全系數(shù)；Gp鋼管所受重力，N；Gc為混凝土連續(xù)覆蓋層的重力，N；D為鋼管外徑，mm；Tc為連續(xù)混凝土覆蓋層的厚度，mm；ρw為水的密度，kg/m3；ρp為鋼管的密度，kg/m3；ρc為混凝土的密度，kg/m3；t為鋼管壁厚，mm。

根據(jù)生產(chǎn)安排及結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算出不同管徑連續(xù)混凝土覆蓋層厚度，參考下表1。

Table 1.The thickness of concrete weight coating表1.混凝土覆蓋層厚度

5.連續(xù)混凝土覆蓋層的施工過(guò)程控制

5.1.施工前準(zhǔn)備

在施工前，應(yīng)對(duì)各管段FBE 涂層進(jìn)行仔細(xì)的目測(cè)檢查和電火花檢查，如發(fā)現(xiàn)FBE 層有損壞，應(yīng)先進(jìn)行補(bǔ)傷。FEB 層表面如有異物，應(yīng)清除。防滑粘合劑應(yīng)按照制造商的書面建議使用(本項(xiàng)目使用的是品牌Hempel)。管道的可追溯性(如熱值、尺寸、厚度、管號(hào))等信息參數(shù)，應(yīng)提前移植在管道內(nèi)表面，以便做好后續(xù)加工準(zhǔn)備，防止出現(xiàn)混凝土澆筑完畢后管子信息不明確等問(wèn)題。

5.2.加強(qiáng)筋安裝

編織或焊接鍍鋅鋼絲網(wǎng)應(yīng)與混凝土涂層同時(shí)螺旋鋪設(shè)，網(wǎng)面重疊最小寬度為25 mm (1 英寸)。鋼筋應(yīng)均勻鋪設(shè)于鋼管四周，至少伸出混凝土層兩端各5 cm，以便增加混凝土強(qiáng)度。當(dāng)混凝土厚度等于或大于50 mm 時(shí)，加強(qiáng)筋網(wǎng)應(yīng)至少被25 mm 厚的混凝土層覆蓋，且必須處于混凝土層的中心位置。此外，避免鋼絲網(wǎng)與管道FBE 層出現(xiàn)任何接觸，施工中專門設(shè)置了PVC 墊片，每圈均布4 個(gè)，相鄰兩圈的軸向距離為1.5～2 m。

此外，若鋼絲網(wǎng)以片/張供貨時(shí)，軸向縫和縱向縫應(yīng)至少搭接一個(gè)網(wǎng)孔。卷筒(網(wǎng)帶)鋼絲供貨時(shí)，螺旋搭接為一網(wǎng)，拼接搭接為三網(wǎng)。

5.3.混凝土澆筑

混凝土的澆筑應(yīng)需符合SAES-Q-001-Criteria for Design and Construction of Concrete Structures [11]要求：混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)澆筑，不得中斷澆筑，以免出現(xiàn)冷縫現(xiàn)象。若出現(xiàn)冷縫，應(yīng)在混凝土層間使用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，以達(dá)到良好的粘結(jié)效果。

本工程中采用的是壓筑法，此方法通常用于鋼管帶有FBE 外防腐層，混凝土應(yīng)一次澆筑并達(dá)到既定厚度，同時(shí)根據(jù)需要留出一定的收縮縫，并在正確的位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

5.4.混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土的養(yǎng)護(hù)應(yīng)符合SAES-Q-001 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。養(yǎng)護(hù)水質(zhì)固體溶解度TDS 不大于1000 ppm，PH 值6～8。養(yǎng)護(hù)應(yīng)在混凝土初步凝固后立即開始，并且應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中途不得出現(xiàn)干裂情況，直至抗壓強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度的70%且不少于7 天。介于沙特氣溫較高，采取兩層浸潤(rùn)養(yǎng)護(hù)，首先混凝土表層覆蓋聚乙烯薄膜，然后纏繞粗麻布。

5.5.混凝土表面清理及返修

一般情況下，連續(xù)混凝土層表面不需要任何處理，如果確實(shí)需要處理，打磨掉尖角易造成刮擦和應(yīng)力集中的部分。每根混凝土管都應(yīng)提供編號(hào)，并在釋放前在外部注明鋼管等級(jí)、尺寸壁厚以及混凝土層的生產(chǎn)日期。

若表面出現(xiàn)微小氣孔、麻點(diǎn)等缺陷，一般可不做處理。若確有必要，可以輕微打磨，然后用同類材料進(jìn)行修補(bǔ)。

若有裂紋缺陷，需要完全清除裂紋周邊的混凝土，利用噴射技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。

混凝土和鋼管涂層之間任何出現(xiàn)可見的縫隙或粘結(jié)較差的部分都必須完全切除，并利用噴射技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。

5.6.運(yùn)輸及儲(chǔ)存

混凝土層覆蓋管的儲(chǔ)存和處理應(yīng)符合SAEP-361 Transportation and storage for concrete weight coating[12]。當(dāng)抗壓強(qiáng)度超過(guò)13.8 MPa (2000 psi)時(shí)，才可以堆垛和運(yùn)輸。運(yùn)輸過(guò)程中要求，裝載連續(xù)覆蓋混凝土管管底距離板車距離至少100 mm，所有的支撐座墊需用10 mm 以上的橡膠或同類物包裹。

堆垛應(yīng)符合SAES-H-200 的要求，標(biāo)準(zhǔn)12 m 管，3 塊150 mm 寬*12 mm 厚橡膠條應(yīng)放置在管端1～3米及混凝土管中間處，避免混凝土表面硬接觸與磕碰。堆放應(yīng)高于地面150 mm，堆垛高度見下表2 要求：

Table 2.Stacking requirements of concrete weight coating pipes表2.混凝土連續(xù)覆蓋管堆垛要求

在卸、裝、堆管時(shí)，除了保護(hù)管端坡口外，應(yīng)盡量避免對(duì)混凝土涂層特別是管端混凝土涂層的損傷?；炷镣繉庸軕?yīng)利用起重設(shè)備下從管端吊起，以避免對(duì)金屬管或管道涂層造成損壞或損壞。吊索應(yīng)當(dāng)合適，以確保主管和涂層不會(huì)因過(guò)渡下垂而造成損壞。

5.7.抗壓強(qiáng)度(Compressive Strength)試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度是混凝土的最重要參數(shù)，直接檢驗(yàn)連續(xù)混凝土覆蓋層的工作耐壓性和吊裝可行性。試驗(yàn)選擇第3 天和第7 天分別進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，方法參考BS EN12390-3:2009，結(jié)果如下圖3 所示，

Figure 3.Compressive strength of 3rd,7th days for concrete weight coating圖3.混凝土連續(xù)覆蓋管第3 天、7 天抗壓強(qiáng)度

從圖3 可以看出，混凝土在第3 天的抗壓強(qiáng)度就超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)100%SCS 要求，即27.6 Mpa，說(shuō)明混凝土配比、養(yǎng)護(hù)等均滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求，符合實(shí)際生產(chǎn)需求。另外，通過(guò)以上數(shù)據(jù)看出，抗壓強(qiáng)度和原鋼管管徑、連續(xù)混凝土覆蓋層厚度關(guān)聯(lián)性不大。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了沙特東西部地質(zhì)條件，采用連續(xù)混凝土覆蓋層的方法控制洼地區(qū)域油氣管道負(fù)浮力，并闡述了連續(xù)混凝土層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求及施工過(guò)程控制要點(diǎn)，旨在為國(guó)內(nèi)類似管道項(xiàng)目負(fù)浮力控制提供借鑒。