大口徑管道空間任意角度管道連頭技術(shù)應(yīng)用

張宏志，楊凱，孫更柱，于洋，李明

（大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司， 黑龍江 大慶 163416）

長輸管道定向鉆或大開挖穿越管道與主線路管道的連頭，以及石油石化老區(qū)改造項目中，在新、老管線連頭處常會出現(xiàn)管線走向不一致，容易出現(xiàn)大口徑管道標(biāo)高、走向不一致，出現(xiàn)空間任意角度管道連頭。以往大口徑管道連頭施工中，連頭點管段、彎頭下料的準(zhǔn)確性，占有連頭時間最長，同時也是造成連頭焊口組對質(zhì)量問題的最主要原因[1]。傳統(tǒng)方法是施工現(xiàn)場采用4點或8點測距法或使用粉線配合量角器的幾何測量法獲得初步的管段長度和彎頭角度，在溝下進(jìn)行試裝管段、彎頭，反復(fù)調(diào)整、修磨完成大口徑管道連頭，這種連頭方法存在連頭點焊口強(qiáng)力組對、容易發(fā)生錯口、連頭時間長、施工質(zhì)量差、施工成本高等難題，造成連頭點焊縫應(yīng)力集中、使用壽命短[2]。特別是在沼澤、河渠等高地下水位地段，在易滑坡、崩塌等地質(zhì)不良地段，在彎頭型號因素制約的施工現(xiàn)場，造成連頭難度大、施工成本高等[3]。

本文總結(jié)了以往長輸管道連頭和石油石化站場連頭的施工經(jīng)驗，研究了放線法和三維空間模擬連頭法兩種方法，實現(xiàn)了大口徑管道空間任意角度連頭，提高了施工效率和質(zhì)量，降低了施工成本，具有較大的推廣價值。

1 放線法

連頭管道兩端的管頂處各找一點A、B，用卷尺測量AB的長度L1，沿管線走向繪制一條走向線，用角鋼的邊線延伸管道走向線AC、BD。垂直于AC上A點，與管道1延長線相交于D點。

圖1 放線法測量數(shù)據(jù)

圖2 第二組測量數(shù)據(jù)圖

L3是一個帶角度的斜線，用拐尺和細(xì)繩線找到C點，用滑石筆標(biāo)定該點，用卷尺測量BC段長度L3、AC段長度L2。固定住L1、L2、L3，在L1、L2或L3中任意取一點，用一根細(xì)繩延伸該直線相交到管口為E點，用滑石筆標(biāo)定該點為E點。用兩把拐尺和細(xì)繩線輔助測量，連接A、E點，延伸至F點，測量出AF段長度L4。

以圖2為第二組測量數(shù)據(jù)。用拐尺和細(xì)繩線找到H點，用滑石筆標(biāo)定該點，用卷尺測量BH段長度L5、AH段長度L6。

固定住L1、L5、L6，在L1、L5或L6中任意取一點，用一根細(xì)繩延伸該直線相交到管口，用滑石筆標(biāo)定該點為M點。

用兩把拐尺和細(xì)繩線輔助，連接B、M點延長線，以B為垂足，相交管道2延長線于K點。用拐尺以N點為垂足，做KN垂直MN，測量出BN段長度L7。

1.1 管道投影平面

投影原理：空間任意兩管道連頭處構(gòu)建直線使其連接，每條管線走向線分別與直線AB建立輔助平面，在輔助平面內(nèi)彎頭角度不是疊加角，便于計算彎頭角度和預(yù)制管道長度。輔助平面1是管道2上A點走向線與AB決定的平面，輔助平面2是管道1上B點走向線與AB決定的平面。

圖3 管道2與AB投影面

圖4 管道1與AB投影面

1.2 繪制平面圖紙

由于管道直徑大，難以找到大型的紙張手工繪制，因此，繪制平面圖紙一般采用AUTOCAD軟件繪制。在AUTOCAD軟件上繪制出兩個圓，由于測量點在兩管頂處，頂管處圓半徑為彎頭曲率半徑和彎頭半徑之和，底管處圓半徑為彎頭曲率半徑和彎頭半徑之差。在兩圓上做垂線和切線。

如圖5所示，在圖紙上任意畫一條直線為管道2，任取一點為A點，垂直于A點做一條長度為L4的線段，端點為F點。在管道2延長線上以A點為起點，量取長度為L2的線段，端點為C點。垂直于C點畫一條長度為L3的線段，端點為B點。連接BF，并延長FB至H點，BH即為投影后管道1的走向。以A點為切點，以管道2的走向線為切線，以209mm為半徑畫圓。以B點為切點，以管道1的投影后走向線為切線，以95mm為半徑畫圓。做兩圓的公切線，與圓相交于P、R點，連接OP，用量角器量出Q1角度，Q1即為管道2彎頭的加工角度，用直尺或三角板量出a1值。

圖5 管道2與AB投影面

如圖6所示，在圖紙上任意畫一條直線為管道1，任取一點為B點，垂直于B點做一條長度為L7的線段，端點為N點。在管道1延長線上以B點為起點，量取長度為L5的線段，端點為H點。垂直于H點畫一條長度為L6的線段，端點為A點。連接N、A點，并延長NA至K點，AK即為投影后管道2的走向。以B點為切點，以管道1的走向線為切線，以95mm為半徑畫圓。以A點為切點，以管道2的投影后走向線為切線，以209mm為半徑畫圓。做兩圓的公切線，與圓相交于P、R點，連接OR，用量角器量出Q2角度，Q2即為管道1彎頭的加工角度，用直尺或三角板量出a2值。

圖6 管道1與AB投影面

1.3 尺寸計算

用量角器量出Q2值，用直尺或三角板量出a2值；Q1為管道2的彎頭角度，Q2為管道1的彎頭角度；預(yù)制管段長度為：

L=L1-a1-a2

2 三維空間模擬連頭法

三維空間模擬連頭法是利用RTK測繪儀器采集連頭點坐標(biāo)值，在計算機(jī)實現(xiàn)三維空間再現(xiàn)，計算出彎頭角度和管段長度，提前預(yù)制管件和彎頭，完成空間管道連頭組裝。

2.1 連頭坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

采用RTK測量一端連頭點管道管頂坐標(biāo)和沿管頂1～3m之間軸向坐標(biāo)共計2處，RTK測量精度精確到厘米，測量的坐標(biāo)點為大地坐標(biāo)點，測量坐標(biāo)點以米為單位[4]。由于RTK測量坐標(biāo)點測量數(shù)據(jù)值大，在三維軟件中難以顯示管道模型，需要對測量坐標(biāo)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。以連頭部位任意一點設(shè)置為新坐標(biāo)點（0,0,0），其余各坐標(biāo)點減去新坐標(biāo)點，生成了新的相對坐標(biāo)點。

2.2 三維虛擬空間連頭

圖7 RTK數(shù)據(jù)采集

在三維軟件中，依據(jù)相對坐標(biāo)點，生成直線。由直線生成連頭點管道模型，確定了連頭點管道的三維空間位置。在虛擬空間延長連頭點管道軸向線，構(gòu)建兩條軸向線共有的空間曲線，實現(xiàn)兩處連頭點軸向線連接。在連接處測量彎頭角度，依據(jù)點、線、面、體原理，構(gòu)建多個輔助平面，繪制出管道連頭模型，實現(xiàn)了連頭點準(zhǔn)確連接。

2.3 安裝圖生成

連頭點管道在虛擬空間完成連頭后，應(yīng)用三維軟件的測量功能，精確測量出管道短節(jié)尺寸、熱煨彎頭角度和冷彎頭角度，生成施工安裝圖，提前下料預(yù)制出管道短節(jié)、彎頭。

圖8 大口徑管道穿越障礙物連頭

3 工程應(yīng)用效果

根據(jù)連頭安裝圖，在預(yù)制場地提前預(yù)制管道和彎頭，減少了溝下作業(yè)工作量，提高了管道施工質(zhì)量和施工效率，加快了施工進(jìn)度，降低了連頭安全風(fēng)險，節(jié)省了連頭的降水支護(hù)費(fèi)用，受到業(yè)主和甲方的一致好評。

4 結(jié)論

圖8 管道連頭提前預(yù)制下料施工

通過放線法和三維空間模擬連頭法，降低了大口徑管道連頭難度和安全風(fēng)險，節(jié)省了連頭施工成本。放線法適用于短距離“固定口”連頭，連頭質(zhì)量精度高，連頭效率高。三維空間模擬連頭法適用于長距離管道施工，將連頭施工變成按圖施工，能提前計算并預(yù)制彎頭及各種管段，能節(jié)省現(xiàn)場測量和加工管件的時間，減少了溝下作業(yè)工作量，同時克服現(xiàn)場測量誤差大的不足，可加快連頭施工進(jìn)度，提高連頭質(zhì)量。放線法和三維空間模擬連頭法大大降低了連頭施工費(fèi)用，具有較大的推廣價值和應(yīng)用前景。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 王冰懷，隋永莉，崔建業(yè). 減少長輸管道連頭數(shù)量與降低連頭組對應(yīng)力[J].石油天然氣學(xué)報，2013，35(4)：254-256.

[2] 張與勝. 長輸管道連頭施工質(zhì)量控制[J].硅谷，2012，(23)：156-157.

[3] 郭景鳳，王以兵，王曉峰. 大口徑長輸管道施工連頭技術(shù)[J].工程技術(shù)，2016，(7)：120-121.

[4] 付文俊. GPS-RTK在工程測量中應(yīng)用及其技術(shù)特點[J].資源信息與工程，2017，32(4)：138-139.