推管機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用工法

劉艷利，張彥楠，張 倩，江 勇，焦如義，馬 燦，劉任豐

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊 065000

2.中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙 410100

長距離、大口徑是未來我國油氣管道設(shè)計(jì)、施工主旋律，也是我國非開挖施工面臨的主要挑戰(zhàn)。在油氣管道建設(shè)中，根據(jù)不同的管道穿越地質(zhì)類型、穿越口徑、穿越距離和工程造價(jià)等因素設(shè)計(jì)不同的非開挖施工方式。水平定向鉆由于具備施工周期短、造價(jià)低的特點(diǎn)而被廣泛采用，在穿越口徑和穿越距離上不斷嘗試突破[1]。例如唐山LNG外輸管道納潮河定向鉆穿越，管道直徑達(dá)D1 422 mm，穿越長度1 289.93 m。如此大口徑、大壁厚（30.8 mm）的管道對水平定向鉆來說是巨大的挑戰(zhàn)。其最大風(fēng)險(xiǎn)來自于管道回拖工序，即管道回拖安裝階段，往往出現(xiàn)回拖力過大超過鉆機(jī)及鉆桿的回拖能力，不能繼續(xù)回拖而面臨工程失敗的風(fēng)險(xiǎn)。為了滿足該工藝對管道回拖大噸位的施工需求，設(shè)計(jì)制造管道穿越推管機(jī)并進(jìn)行了工程應(yīng)用。

1 推管機(jī)設(shè)計(jì)

管道推管機(jī)是一種管道助力設(shè)備。采用夾管裝置夾持管道，通過推進(jìn)油缸或其他方式使被夾持管道實(shí)現(xiàn)軸向位移的一種機(jī)械裝備。推管機(jī)通常安裝在待回拖管道的入土端，在管道回拖施工中，為水平定向鉆機(jī)提供助力。目前，推管機(jī)作為定向鉆穿越管道回拖助力的一種機(jī)械裝備，具有助力穩(wěn)定、速度可控、推拉力大的特點(diǎn)，近年來在非開挖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.1 設(shè)計(jì)用途

在水平定向鉆管道回拖過程中，當(dāng)回拖力過大或回拖受阻時(shí)，通常將管道反向拽回，進(jìn)行修孔或洗孔后再回拖。有時(shí)管道僅剩百余米也不得不反向拽回，對工期和施工成本影響較大。雖然有時(shí)可采用管錘助力工藝，但因夯管錘產(chǎn)生的高頻沖擊力的效果常常不理想，甚至沖擊震動導(dǎo)致塌孔風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)了一種助力穩(wěn)定、推力持續(xù)可靠的推管機(jī)作為助力裝備，為水平定向鉆管道回拖提供助力，特別是用于長距離、大管徑的弱膠結(jié)等復(fù)雜地質(zhì)條件下的管道回拖施工，提高管道回拖成功率。

1.2 工作原理

其工作原理是通過推管機(jī)管道夾持器內(nèi)的夾持油缸頂推夾管器的夾片使之夾持管道。夾片設(shè)有專用橡膠內(nèi)襯，并與管道具有足夠大的接觸面，從而可以使接觸壓力和作用在管道上的剪切應(yīng)力都保持在較低應(yīng)力水平，避免管道防腐層受到損傷破壞。軸向位移通過固定于基座的兩個(gè)軸向布置主推油缸推拉管道夾持裝置，從而實(shí)現(xiàn)管道的軸向位移。

1.3 推管機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

推管機(jī)由四大系統(tǒng)組成，包括：主體裝置（如圖1所示）、電氣控制系統(tǒng)、泵站動力系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。中間機(jī)架用于管道支撐，由調(diào)節(jié)托管高度和角度的角度調(diào)節(jié)架及連接左、右兩個(gè)基座的底座連接架等組件構(gòu)成。主推油缸通過油缸連接件與基座鉸接，夾管器抱緊管道，角度調(diào)節(jié)架負(fù)責(zé)管徑和角度調(diào)整，防扭梁防止夾管器扭轉(zhuǎn)，地錨板提供防扭梁反轉(zhuǎn)矩。

圖1 推管機(jī)主體裝置結(jié)構(gòu)

技術(shù)參數(shù)依據(jù)目前頂管機(jī)和水平定向鉆工程實(shí)際技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合推管機(jī)常用應(yīng)用場景，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。推拉力根據(jù)目前管道穿越距離和最大管徑設(shè)計(jì)計(jì)算，再結(jié)合安全保障系數(shù)確定。推進(jìn)行程的設(shè)計(jì)主要考慮通過兩個(gè)推管行程使管道回拖一根鉆桿的長度（9.6 m），主推油缸行程設(shè)計(jì)5 m。最大推進(jìn)速度結(jié)合功率以及最大推力，參照水平定向鉆回拖速度，助力搶險(xiǎn)需求確定。

表1 推管機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 推管機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述推管機(jī)原理可知，推管機(jī)產(chǎn)生的推力是通過夾片與管道外防腐層之間的摩擦力。要實(shí)現(xiàn)推管機(jī)最大推力，夾片最為關(guān)鍵，既不能在管道上打滑，也不能將管道防腐層破壞。因此夾片設(shè)計(jì)參數(shù)至關(guān)重要，需要滿足管道防腐層的性能指標(biāo)。目前我國長輸油氣埋地管道防腐方式絕大部分為3PE防腐層結(jié)構(gòu)，即環(huán)氧粉末層、膠黏劑層和聚乙烯（PE）層。

1.4.1 夾片設(shè)計(jì)依據(jù)

夾片擠壓管道產(chǎn)生摩擦力，摩擦力大小與防腐層強(qiáng)度密切相關(guān)。根據(jù)防腐層受力情況不同，具體可以分為剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、不均勻扯離強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度等。在此只關(guān)注與推拉力大小密切相關(guān)的3PE防腐層剪切與剝離強(qiáng)度指標(biāo)，從而估算單位面積的防腐層能夠承受的最大推拉力。根據(jù)GB/T 23257—2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》標(biāo)準(zhǔn)，3PE防腐層在（20±5） ℃條件下，剝離強(qiáng)度≥100N/cm；在（60±5）℃條件下，剝離強(qiáng)度≥70 N/cm。推管機(jī)工作過程中，夾片不可避免夾持在管道補(bǔ)口位置，也需要校核夾片對補(bǔ)口處防腐熱收縮帶的影響。QSY 1477—2012《定向鉆穿越管道外涂層技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：補(bǔ)口帶膠黏劑在23℃時(shí)，鋼/鋼和PE/PE剪切強(qiáng)度大于等于1 MPa，底漆的剪切強(qiáng)度大于5 MPa。綜上，只需要校核熱收縮帶膠黏劑的剪切強(qiáng)度?，F(xiàn)場施工環(huán)境大于23℃情況很多，應(yīng)將搭接處的剪切強(qiáng)度取值降低，但該規(guī)范只給出23℃和最高運(yùn)行溫度下的強(qiáng)度值。GB/T 35068—2018《油氣管道運(yùn)行規(guī)范》規(guī)定：管道最高溫度不應(yīng)超過75℃，而SY/T 6854—2012《埋地鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧外防腐層技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高運(yùn)行溫度值65～80℃[2-5]。盡管補(bǔ)口帶膠黏劑的剪切強(qiáng)度在最高運(yùn)行溫度下的值較小，但施工環(huán)境低于最高運(yùn)行溫度。熱收縮帶寬度通常為500 mm，相對于夾片長度占比較少。綜合上述因素，將防腐層的許用剪切強(qiáng)度確定為0.85 MPa。

1.4.2 夾片設(shè)計(jì)

夾片作為與防腐層直接接觸的部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即要滿足功能需求又要滿足技術(shù)指標(biāo)要求。為實(shí)現(xiàn)夾片開合，周向布置四片夾片。夾管器框架按最大管徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過改變不同管徑對應(yīng)的夾片高度和弧度，以適用于不同管徑。每個(gè)夾片的內(nèi)表面設(shè)計(jì)有硫化橡膠層，一是增加摩擦力，二是保證鋼管防腐層不受到夾片的擠壓損傷，三是補(bǔ)償夾片制作誤差以及管道圓度導(dǎo)致的夾片受力不均。此外，橡膠層間隔50 mm均布銑5 mm的深槽，便于排水排渣，防止打滑[6]。根據(jù)上述防腐層性能指標(biāo)計(jì)算夾片夾持長度，確定夾片長度1 600 mm。

1.4.3 推管機(jī)推拉力與管徑關(guān)系

夾片由16個(gè)缸徑220 mm、行程50 mm的夾持油缸提供正壓力，不同管徑的夾片長度相同，但夾片夾持面積不同，要避免防腐層損傷，必須減小夾持油缸對小管徑夾片施加的正壓力，從而減小推管機(jī)施加的推拉力。不同管徑對應(yīng)不同的推拉力[7-8]，具體結(jié)果見表2。

表2 不同管徑管道受力分析

2 推管機(jī)應(yīng)用工法

推管機(jī)具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、推拉力大的特點(diǎn)，根據(jù)推管機(jī)功能特點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，其應(yīng)用場景主要有4種[9-12]：管道回拖助力、直接鋪管、管道搶險(xiǎn)解卡、定向鉆管道正向推管安裝。

2.1 管道助力回拖

目前管道回拖助力通常采用夯管錘助力，一般采用20 MN或40 MN兩種規(guī)格的夯管錘。針對水平定向鉆管道回拖工藝特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了用推管機(jī)進(jìn)行回拖助力的工法，該技術(shù)避免了采用夯管錘對松散弱膠結(jié)地層的擾動和對鋼管管材及管道防腐層性能的破壞[13-14]。以中俄東線天然氣管道工程（長嶺—永清）薊運(yùn)河定向鉆施工為例，介紹推管機(jī)應(yīng)用于管道回拖助力的情況。

該穿越工程全長1 330 m，穿越段鋼管規(guī)格為D1 219 mm×27.5 mm，管道外防腐采用3LPE加強(qiáng)級防腐層，穿越地層為粉質(zhì)黏土、細(xì)沙層。在后期階段，管道回拖速度由最初的1 min/根迅速降至3 min/根，鉆機(jī)最大回拖力超過4 000 kN，甚至水平定向鉆機(jī)地錨開始松動，鉆機(jī)位移約20cm。為避免鉆機(jī)地錨破壞失效以及鉆桿斷裂風(fēng)險(xiǎn)，采用推管機(jī)助力回拖工法用于水平定向鉆管道回拖。首先，推管機(jī)采用推模式，逐漸增加推力至2 500 kN；然后，水平定向鉆機(jī)再開始回拖，當(dāng)鉆機(jī)回拖力增加至近4 000 kN時(shí)，管道開始移動，此時(shí)推管機(jī)助力推力迅速降低至1 500 kN，鉆機(jī)回拖力維持在3 000 kN左右，實(shí)現(xiàn)了薊運(yùn)河定向鉆穿越工程的順利回拖，確保了互聯(lián)互通工程的按期投產(chǎn)。

2.2 直接鋪管法

直接鋪管法是將頂管機(jī)掘進(jìn)機(jī)頭的切削進(jìn)給推力由尾部頂進(jìn)油缸提供改為由推管機(jī)提供，即推管機(jī)夾持聯(lián)接于掘進(jìn)機(jī)頭后端的管道，通過管道提供前端切削鉆壓進(jìn)行巖土切削。實(shí)現(xiàn)了頂管隧道掘進(jìn)切削和管道安裝同時(shí)進(jìn)行，使得鋼質(zhì)管道僅通過一次推進(jìn)即可安裝完畢。因每根鉆桿長約9.6 m，而推管機(jī)設(shè)計(jì)每次最大推進(jìn)行程5 m，所以每回拖一根鉆桿長度，推管機(jī)需要往復(fù)2次。動力、控制線纜、泥漿管道等管路從待安裝管道的尾部引出，根據(jù)長度或現(xiàn)場施工環(huán)境可以中途續(xù)接管道[15]。

采用該工法施工的首個(gè)直鋪管項(xiàng)目為西一線鎮(zhèn)江高校園區(qū)改線工程的船山河穿越，該工程穿越水平距離346 m，穿越管徑1 016 mm，穿越地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、碎石層[16]。第二項(xiàng)目為陜京四線無定河直鋪管工程（見圖2），該工程入土端位于內(nèi)蒙古無定河鎮(zhèn)，出土端位于陜西省橫山縣雷黑河村，穿越長度423 m，施工入土角度6°，出土角度0°，管道管徑1 219 mm，穿越地層全部為細(xì)砂層。管道穿越設(shè)計(jì)穿越軌跡從一側(cè)山上直接穿越至河谷下方位置出土，軸線落差高達(dá)40 m。開挖淺基坑作為直鋪管始發(fā)井，采用混凝土澆筑地錨，基坑兩側(cè)鋼板支護(hù)，中間鋼管支撐。出土點(diǎn)采用矩形基坑接收，基坑采用明挖加拉森鋼板樁支護(hù)的方式制作。該工程于2016年12月開工，因冬季施工，需要對低溫施工環(huán)境的泥水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)進(jìn)行特殊處理，采用纏繞加熱帶進(jìn)行管路的加熱保溫，搭設(shè)保溫房穩(wěn)定設(shè)備性能，通過對掘進(jìn)參數(shù)精確控制，最大直接鋪管施工速度為226 mm/min，工程于2017年3月順利竣工[17]。

圖2 無定河直鋪管工程

2.3 管道搶險(xiǎn)解卡

水平定向鉆管道回拖的最大風(fēng)險(xiǎn)是受阻時(shí)管道在孔洞中停留時(shí)間過長，從而造成管道抱死，為防止穿越管道卡死在孔洞里導(dǎo)致工程失敗，必須及時(shí)搶險(xiǎn)將管道反向回拖。在管道推管機(jī)推出之前一般采用滑輪群組進(jìn)行搶險(xiǎn)，該工法雖方便簡單，但多級增力損失很大，其工作效率不高，不能滿足快速搶險(xiǎn)對時(shí)效的迫切要求；同時(shí)鋼絲繩無安全防護(hù)，無拉力監(jiān)測，一旦發(fā)生斷裂，十分危險(xiǎn)，會對現(xiàn)場施工人員帶來安全隱患[18]。推管機(jī)因其推拉力轉(zhuǎn)換方便、推力穩(wěn)定可控，是目前管道回拖搶險(xiǎn)的首選方案。

錦州國儲庫外管道定向鉆穿越工程因穿越曲線復(fù)雜，穿越地層巖石硬度高，單軸抗壓強(qiáng)度80～120 MPa，綜合了水平定向鉆施工的多種難點(diǎn)。該工程穿越管道管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，穿越實(shí)長1 273.7 m。該項(xiàng)目的管道回拖因場地原因均分成四段，每段約300 m。2017年4月29日晚開始回拖，由于入洞困難，僅入洞20 m便決定退出洗擴(kuò)孔。4月30日晚再次進(jìn)行第一段管道回拖，第一段管道回拖以回拖拉力2 000 kN結(jié)束。由于射線檢測故障拖延焊口檢測，未能在當(dāng)晚回拖，導(dǎo)致第二天鉆機(jī)2 500 kN回拖管道未動，增加回拖力直至3 500 kN拉動管道。但回拖阻力始終大于3 000 kN，故決定放棄繼續(xù)回拖，采用推管機(jī)反向回拖搶險(xiǎn)解卡。需要注意的是推管機(jī)解卡工藝因與助力回拖工藝相反，又因油缸活塞桿受壓較受拉能力低很多，所以安裝方向有所不同，需將基座方向調(diào)換。推管機(jī)將管道拖曳至孔外，再次處理孔洞后回拖正常，最終成功完成管道回拖。

2.4 管道正向推管安裝工法

由于管道正常回拖施工時(shí)多受回拖場地限制，或者其他原因?qū)е禄赝狭^小，不足以滿足管道正?；赝弦螅蚨捎猛乒軝C(jī)輔助管道推進(jìn)，甚至直接代替定向鉆機(jī)進(jìn)行管道回拖。例如陸海穿越孟加拉單點(diǎn)系泊項(xiàng)目（見圖3），管道安裝中由于海上駁船提供的錨固力不足，無法提供足夠回拖力完成管道回拖，而租賃更大的海上平臺成本高昂，最終決定采用海上平臺上裝備的鉆機(jī)輔助設(shè)施牽引，在陸地安裝推管機(jī)（見圖4）提供推力進(jìn)行管道安裝的方案，其工法與管道助力回拖相似。

圖3 孟加拉單點(diǎn)系泊海中平臺

圖4 推管安裝

該項(xiàng)目位于吉大港南部馬特巴里村莊，本次穿越為馬特巴里36 in（1 in=25.4 mm）柴油管道，其設(shè)計(jì)直線長度1 534.72 m，管道規(guī)格D914 mm×31.75 mm，出土點(diǎn)水深約5.4 m，拾管段末端水深約11 m，主要穿越地層為黏土和細(xì)沙。此次穿越存在管道預(yù)置作業(yè)空間受限、海水泥漿體系性能穩(wěn)定性差、海上回拖鉆桿應(yīng)力回彈、砂層地質(zhì)大級別擴(kuò)孔易塌孔等問題，考慮采取輔助措施來降低回拖力，最終選用推管機(jī)輔助進(jìn)行管道安裝。2019年5月11日管道回拖開始，在回拖最初階段，拉力一切正常，并未啟用推管機(jī)。當(dāng)回拖到100 m時(shí)，鉆機(jī)啟動拉力達(dá)到1 500 kN管道也未能移動，開始啟用推管機(jī)進(jìn)行助力。當(dāng)推管機(jī)推拉力達(dá)到1 000 kN時(shí)，管道開始移動。此后，回拖每根鉆桿均使用了推管機(jī)助力，推拉力在1 000～3 500 kN之間，最終順利完成管道回拖安裝[19]。

另一整體采用正向推管安裝的工程案例為重慶長江定向鉆穿越工程，該項(xiàng)目是重慶—綦江成品油管道工程的節(jié)點(diǎn)工程。管徑323.9 mm，穿越距離1 009 m，穿越地層為泥巖和砂巖，入土角14°，出土角30°，入土點(diǎn)與穿越最低點(diǎn)落差高達(dá)105 m。該工程特殊之處是出土側(cè)山體自然角度為15°，山區(qū)地勢起伏大，道路交通非常不便，難以將設(shè)備和管道運(yùn)至山頂處的出土點(diǎn)，無回拖條件，故采取管道正向推管安裝工法。將推管機(jī)設(shè)置在管道入土點(diǎn)，預(yù)制的管道采用從入土點(diǎn)正向推管發(fā)送的工藝進(jìn)行管道回拖，通過推管機(jī)的推力將管道從入土點(diǎn)推到出土點(diǎn)，從而解決道路不便的困難，順利完成管道推管安裝[20]。

3 結(jié)論

推管機(jī)是水平定向鉆管道回拖非常有效的助力裝置，幾乎成為大口徑定向鉆穿越必備的輔助設(shè)備，大大降低了水平定向鉆管道回拖的工程風(fēng)險(xiǎn)。此外，根據(jù)其功能特點(diǎn)開發(fā)設(shè)計(jì)新的施工工法，包括結(jié)合頂管的掘進(jìn)機(jī)頭開展直接鋪管施工、管道的回拖搶險(xiǎn)、采用推管工藝在因場地等不具備主鉆機(jī)回拖條件的工程進(jìn)行管道推管安裝等。推管機(jī)在非開挖行業(yè)的重要作用日益顯現(xiàn)，市場地位迅速提高。然而由于目前推管機(jī)主推油缸缸徑較大、行程較長、加工要求及成本較高，限制了其推廣的速度。未來應(yīng)當(dāng)采用組合多缸方式來降低設(shè)備成本，同時(shí)輕量化設(shè)計(jì)，便于轉(zhuǎn)場運(yùn)輸。推管機(jī)因其獨(dú)有的功能特點(diǎn)在油氣管道非開挖建設(shè)中必將得到更為廣泛的應(yīng)用。