海外石化項目埋地FRP管道設(shè)計要點分析

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

某海外項目坐落于波斯灣岸邊，地下水位較高且含鹽度高腐蝕性強，同時項目中設(shè)有海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對輸送管道有很高的耐腐蝕要求?？紤]到以上現(xiàn)場環(huán)境及介質(zhì)因素，一般國內(nèi)石化項目中常見的碳鋼管道無法使用，所以按照沙特當?shù)氐氖椖吭O(shè)計規(guī)范，埋地管道及海水管道均采用了FRP管[1]。FRP管國內(nèi)簡稱為玻璃鋼管，具有以下優(yōu)點：① 耐腐蝕性，能有效抵抗酸、堿、鹽等介質(zhì)的腐蝕；② 抗老化性能和耐熱性能好；③ 重量輕、運輸與安裝方便，施工費用低，使用壽命長；④ 內(nèi)壁光滑、輸送能力強，不結(jié)垢、不生銹、水阻小，可以有效降低運行成本。本項目中FRP管輸送介質(zhì)包括海水循環(huán)水、消防水、生活污水和生產(chǎn)污水等。以下本文將分析埋地FRP管道設(shè)計的幾個要點。

1 FRP管道溝設(shè)計要點

埋地FRP管道需要鋪設(shè)在符合要求管溝內(nèi)，為了防止土壤不均勻地沉降、地下大塊巖石或其他基礎(chǔ)以及路面載荷對FRP管道造成破壞。

1.1 管溝的寬度與深度

管溝的斷面形狀可以視土質(zhì)情況確定為矩形或梯形。當遇到土質(zhì)較密實或管溝較淺的地區(qū)，可以采用矩形斷面以減少土方量；若遇到土質(zhì)較差、含水率較高或管溝較深的地區(qū)，一般采用梯形截面[2]。本項目中要求FRP管道埋深需至少有1.5 m，管溝深度為1.7～4 m 且地下水較多，故采用梯形截面。管溝寬度應保證足夠的工作空間，以便于管道鋪設(shè)和安裝以及壓實回填材料。管溝與管道之間的最小凈距應符合表1的要求。

表1 管溝與管道之間凈距Tab.1 Trench clearance

1.2 管溝底基礎(chǔ)

管道底部的構(gòu)造應能為全部埋地管道提供牢固、穩(wěn)定和均勻的支撐。通常情況下，當原有土壤均勻穩(wěn)定時，管溝底部可以作為管道基礎(chǔ)的頂部，管道墊層材料放置在任何基礎(chǔ)的頂部。

當溝底有巖石、硬質(zhì)土層或其他硬物時應移除并用粒狀材料填充并壓實以提供合適的基礎(chǔ)，其厚度至少為300 mm。

當管溝底部是不穩(wěn)定土層時應挖掘額外的深度，開挖后回填砂、砂礫等材料并壓實至95%的壓實度并使用土工布以防止FRP管道底部支撐力的流失，形成一個牢固、穩(wěn)定和受力均勻的基礎(chǔ)，避免產(chǎn)生不均勻沉降。

1.3 管溝排水

在鋪設(shè)和回填FRP管道之前，應確保管溝中沒有積水并在管溝開挖區(qū)域和鄰近區(qū)域采取持續(xù)排水措施，保持開挖區(qū)域持續(xù)干燥。本項目采用井點排水系統(tǒng)，地下水位以下開挖的管溝每隔一段距離便設(shè)置一個深井，并用排水泵將井內(nèi)的地下水排至雨水收集系統(tǒng)，以確保管道墊層材料可以充分壓實。回填材料應放置到足夠的高度以防止管道漂浮之前，保持排水操作[3]。

1.4 管道凈距

FRP管道由于放坡、設(shè)計走向局限等原因可能會非常靠近其他地下結(jié)構(gòu)，一般來說埋地管道與基礎(chǔ)及其他地下結(jié)構(gòu)的最小凈距應為300 mm。如果不能滿足最小凈距的要求，可以使用混凝土保護塊、水泥穩(wěn)定砂或其他緩沖材料作為適當?shù)难a救措施。

多根FRP管道安裝時管道之間的最小間距可用式（1）確定，但不得小于壓實回填材料所需的最小間距或最大管道直徑所規(guī)定的最小管溝寬度。

式中C—— 管道之間的最小凈空間距；

R——第一根或較大管道的管徑；

r——第二根或較小管道的管徑。

2 FRP管道在管溝中的布置要點

2.1 管道墊層

管道墊層應能牢固、均勻地支撐全部管道，應放置在施工完畢的管道基礎(chǔ)頂部并充分壓實。管道墊層所用的材料應與管區(qū)回填的材料相同。墊層的最小厚度取管道直徑的25%或150 mm 兩者的較小值。

2.2 管道安放和連接

承插連接的FRP管道應在管溝中組裝。膠粘連接的FRP管道可在管溝旁邊組裝，并在粘接材料冷卻固定后按照制造商的施工手冊中要求的程序放入管溝中，避免對管道施加過大應力。

在將管道和配件放置在管溝之前，應先測量校對標高、坡度及管道坐標是否正確。在管道的連接處應開挖操作坑，以確保管道位于墊層上受力均勻并便于管道連接操作。在完成管道連接后，用墊層材料回填操作坑并夯實。

2.3 管道回填和夯實

FRP管道回填做法參見圖1所示。當管道連接安裝完畢后，管溝應及時回填并夯實，防止管道浮動和熱膨脹變形，但接口部位在試壓前應外露。

圖1 管溝回填Fig.1 Trench backfilling

FRP管區(qū)回填的范圍為從墊層頂部至管頂上方至少300 mm 處。在此區(qū)域內(nèi)使用的回填材料，且應與墊層的回填材料相同，在本項目中采用礫石作為初始回填的材料。管溝回填時應在FRP管道兩側(cè)對稱進行，對于墊層頂部和管道底面之間的腋角區(qū)域，應使用鈍器將材料推入，并人工壓實。每層回填厚度根據(jù)回填材料、壓實密度和回填方法來確定，本項目采用每層回填300 mm 厚礫石。回填時需注意避免過度壓實，否則可能導致管道隆起、扁平和局部變形。為避免接觸和意外損壞管道，機械壓實設(shè)備不得接觸管道，并確保對管道進行適當壓實，應考慮在管道周圍150 mm區(qū)域內(nèi)進行手動夯實。

FRP 非管區(qū)回填區(qū)域為從管區(qū)頂部至地面。在該區(qū)域內(nèi)，可選擇回填普通場地填充或原始土壤。只要材料的單位重量不大于管區(qū)所使用回填材料且壓實良好，最終回填材料對管道性能的影響很小。在本項目中采用場地中的粗顆粒砂土作為非管區(qū)回填的材料。

當存在地下水或地表水沖刷到地下的情況時，需要用土工布鋪設(shè)在管區(qū)上方以防止非管區(qū)回填材料中的細粒遷移到管區(qū)回填的材料縫隙中。

在進行回填材料夯實時，管道周圍150 mm的范圍內(nèi)回填工作必須采用人工夯實，在距離管道大于150 mm的范圍內(nèi)可以使用手動平板夯實機，輕型機械振動夯實機只可用于距離管道大于600 mm的回填區(qū)域。管溝回填最終的壓實度應大于95%。

2.4 交通荷載保護

FRP管道在施工期間通常都要受到比在正常使用過程中更為苛刻的載荷壓力。一般在施工期間為埋地FRP管道提供的保護措施有：在交通繁忙的車道下的管道使用混凝土保護塊或套管，管道上方安裝荷載承受板，在管道附近增加臨時支撐，以盡量減少管道上的荷載。

2.5 止推塊

由于止推塊和管道之間可能有不均勻沉降，應盡可能減少止推塊的使用。如果FRP管線應力計算后需要止推塊，則應按照設(shè)計規(guī)定的尺寸安裝?；炷翂K應保證的受力完全傳遞到承載土壤。支墩應包裹住管件，或包裹住至少300 mm的長或直徑（取較大者）一半的管道。在支墩末端的管道周圍應包裹橡膠以減少應力。在混凝土完全固化之前，不得對管道進行測試或?qū)⑵渫度胧褂?。當管道鋪設(shè)縱向角度大于15°時應自下而上安裝并進行錨固[4]。

在本項目中的消防栓地下管道的設(shè)計中，F(xiàn)RP管道分支口均在彎頭下設(shè)有混凝土塊支座，以防止沉降、熱膨脹和開啟消防栓后的反作用力而導致的管道破損。

2.6 混凝土套管

當使用混凝土套管時，應通過用橡膠包裹FRP管道來減少接口處的應力，防止管道機械損傷?？梢栽诨炷撂坠艿哪┒诉B接柔性接頭或提供適當?shù)幕A(chǔ)支撐，以減輕管道與套管間的不均勻沉降。

2.7 閥門井

當FRP管道穿過閥門井時，井壁開孔尺寸應大于管徑的150%并安裝柔性接頭。開孔口應做到密封防水。閥門井內(nèi)應設(shè)卡環(huán)、支墩等固定閥門的措施。

3 管道撓度檢測和壓力試驗

3.1 管道撓度檢測

對于直徑較大（通常為大于等于1 200 mm）的FRP管道，應在回填和排水系統(tǒng)拆除完成后的24 h內(nèi)測量垂直和水平撓度。應在每根管道的中心、接頭處以及沿管道長度每間隔不超過5 m 設(shè)置檢測點。管道不允許出現(xiàn)隆起、扁平和局部變形。為了保障長期撓度不應超過2.5%，初始撓度不應超過1.6%。

3.2 水壓試驗

由于FRP管道的材質(zhì)與安裝的特殊性，其水壓試驗的步驟與國內(nèi)鋼管試壓步驟不同。

在對系統(tǒng)加壓之前，地下FRP管道上應有至少500 mm 厚度的回填土且所有接頭應暴露，以便在水壓試驗期間進行檢查是否有泄漏或裂縫。在進行水壓試驗之前，應對整個管道系統(tǒng)進行清洗。本項目中FRP管道制造商所要求的出廠檢驗報告中的試壓值大于管道設(shè)計壓力的1.5倍，故取管道設(shè)計壓力的1.5倍為管道試壓值。管道水壓試驗的步驟為：

（1）將壓力提高到0.5倍試驗壓力，穩(wěn)定0.5 h，觀察無異常情況后繼續(xù)；

（2）將壓力提高到0.8倍試驗壓力，穩(wěn)定0.5 h，觀察無異常情況后繼續(xù)；

（3）將壓力升高到最終測試壓力并保持至少4 h。加壓的速度不得超過每分鐘0.2 MPa。

在加壓過程中，所有管道中的空氣應通過排氣閥排出。在管道排水過程中，排氣閥需保持打開，直到整個排水過程結(jié)束，以防止管道中出現(xiàn)真空情況。

4 結(jié)束語

FRP管道憑借其優(yōu)秀的耐腐蝕性、低經(jīng)濟成本和運行成本以及使用壽命長等優(yōu)勢，被廣泛運用在海外石化工程中，且均有良好的使用效果。相信隨著FRP管設(shè)計與施工技術(shù)的不斷進步，將在國內(nèi)沿海地區(qū)和土壤腐蝕性較強的地區(qū)以及輸送海水等較強腐蝕性介質(zhì)的工程項目中得到更廣泛的應用。