關(guān)于大直徑鋼管穿越套管方法改進(jìn)的研究

◎甄曉桐 中交四航局第二工程有限公司

劉 源 海南省建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司

智永勝 中國船舶重工集團(tuán)新能源有限責(zé)任公司

1.工程概況及研究背景

2018年以來，唐山市先后出臺(tái)《唐山市建設(shè)生態(tài)唐山實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展工作方案》、《唐山市全域治水清水潤城工程工作方案》，致力于全面實(shí)施全域治水、清水潤城工程，其中引邱入城管線工程是唐山市環(huán)城水系提升改造綜合治理PPP工程重點(diǎn)項(xiàng)目之一。本項(xiàng)目自唐山市豐潤區(qū)邱莊水庫取水，途經(jīng)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域廣，難度大，管線全長36km，管道選用DN1400（鋼管+PCCP管）供水管道，涉及6處穿越鐵路頂管施工和9處穿越公路頂管施工，穿越部分均采用鋼筋混凝土套管做支護(hù)，套管內(nèi)為壁厚16mm長6m鋼制管道，但套管內(nèi)空間狹小無法完成管道焊接施工，需將每節(jié)鋼制管道在混凝土套管外焊接完成再送入套管內(nèi)完成穿越套管。本工程穿越鋼管每根大約3.3噸，在狹小空間內(nèi)，長距離鋼管無法使用汽車吊、履帶吊等吊裝設(shè)備推動(dòng)鋼管，為避免鋼管與套管間滑動(dòng)摩擦對(duì)鋼管外防腐和管口造成損壞，本項(xiàng)目提出一種在管道外壁焊接滑輪的方法完成管道穿越。

目前國內(nèi)針對(duì)大口徑管道穿越套管的方法已相對(duì)成熟，多項(xiàng)實(shí)用新型專利得以運(yùn)用，例如中國石油天然氣股份有限公司的孟憲山等在《一種管道穿越套管的移動(dòng)式管道支架》中提出一種可調(diào)節(jié)的小車設(shè)備，該新型小車可調(diào)節(jié)底座、輪桿和上蓋已達(dá)到匹配所運(yùn)輸管道的口徑，該方法可安全和高效地利用拖拽法完成管道套管穿越工序。再如蘇寶中在《履帶式可調(diào)管道支架》一文中提出一種可調(diào)節(jié)的履帶式管道支架，完成套管內(nèi)管道運(yùn)輸。但設(shè)備使用并不廣泛，且設(shè)備制作工藝較復(fù)雜，針對(duì)本工程施工范圍較大，施工工期分散，施工空間狹小，工期緊的特點(diǎn)，上述施工設(shè)備不能很好的滿足施工要求，且造價(jià)較高，針對(duì)本工程特點(diǎn)亟需一種簡單易行且造價(jià)低的方法完成管道穿越工作。

2.工藝對(duì)比與分析

本工程全長36km，其中穿越部分共計(jì)15處，本工程設(shè)計(jì)院唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院針對(duì)穿越部分設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖1所示，為在套管內(nèi)鋪設(shè)1000×214mm，混凝土墊層，在混凝土墊層兩邊間距944mm預(yù)埋L50×50×6角鋼，角鋼與管道中心軸對(duì)稱，待混凝土墊層與角鋼凝固壓實(shí)后，上覆小角度U形鋼肋板作為鋼管管床，鋼托架與鋼管焊接間距2m。該設(shè)計(jì)將混凝土套管與管道間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為角鋼與鋼肋板間的滑動(dòng)摩擦，雖然減小了摩擦系數(shù)，但始終為滑動(dòng)摩擦，未改變摩擦方式且該設(shè)計(jì)較復(fù)雜，耗時(shí)耗材。

圖1 套管內(nèi)管線剖面圖

結(jié)合本項(xiàng)目類型為PPP項(xiàng)目，可根據(jù)現(xiàn)場情況與設(shè)計(jì)溝通改變圖紙施工內(nèi)容，考慮到本工程施工范圍較大，施工工期分散，施工空間狹小，工期緊的特點(diǎn)，本項(xiàng)目前期嘗試了多種方法完成套管內(nèi)鋼管穿越，如在冬季施工中，利用冰塊摩擦力較小的特點(diǎn)，在鋼管與套管間鋪墊冰塊完成管道穿越；再如鋪墊細(xì)砂的方法，減少鋼管與套管間的摩擦系數(shù)，雖然都完成了鋼管穿越，但對(duì)鋼管外防腐破壞較大，在后期的運(yùn)營中易引發(fā)鋼管生銹破裂的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際及前人經(jīng)驗(yàn)本文提出一種焊接滑輪的方法完成管道穿越施工，如圖2所示。在穿越馬陡路頂管施工中采用在鋼管底部與設(shè)計(jì)院角鋼相同位置焊接滑輪，使管道承重呈三角形分部，避免管道在滑動(dòng)過程中出現(xiàn)偏移或由于受力不均發(fā)生傾斜，將鋼管與套管間形成滑輪直徑大小的間距，在卷揚(yáng)機(jī)的帶動(dòng)下，使鋼管在套管內(nèi)由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，每節(jié)管道焊接一組滑輪，在吊裝設(shè)備的推動(dòng)下完成管道穿越。

圖2 滑輪焊接及及套管內(nèi)穿越示意圖

該方法將焊接滑輪處外防腐去除焊接滑輪支架，在焊接支架外側(cè)涂抹外防腐，滑輪為半徑65mm×35mm實(shí)心鋼制滑輪如圖3所示，每組滑輪與管道軸中心對(duì)稱。該方法優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）滑輪均為廠家預(yù)支滑輪，現(xiàn)場完成每組滑輪焊接需2小時(shí)，而設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)混凝土墊層養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，最少7天以上，焊接滑輪的方法使工期縮短了30倍，焊接示意圖如圖3所示；2）每組滑輪造價(jià)4000元，每節(jié)鋼管安裝兩組滑輪，相較于設(shè)計(jì)混凝土墊層加角鋼支撐造價(jià)相當(dāng)，但焊接滑輪簡單易行；3）焊接滑輪在套管外側(cè)進(jìn)行，而混凝土墊層及角鋼的安裝均在套管內(nèi)進(jìn)行，焊接滑輪較安全。該方法可完成長距離套管無法完成管道穿越的難題，且對(duì)管道端頭無磨損，可直接進(jìn)行后續(xù)焊接工作，節(jié)省了后續(xù)切割焊接的施工工序，加快了引邱入城管線工程完工時(shí)間。

圖3 滑輪示意圖

3.關(guān)鍵技術(shù)及展望

該輔助設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)在于將管道間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，使鋼管在套管內(nèi)在很小的拖拽作用下完成管道穿越，且該滑輪為實(shí)心鋼制滑輪，可承受管道自重帶來的壓力，以免造成滑輪在管道內(nèi)發(fā)生脫落，使管道穿越工作更加困難。該滑動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念基于滑輪，在套管內(nèi)空間狹小，且每根管道自重3.3噸，小型拖拽設(shè)備無法拖拽管道，而大型滑動(dòng)或拖拽設(shè)備無法安裝，因此將管道自身設(shè)計(jì)為“滑動(dòng)小車”的形式，在套管外側(cè)運(yùn)用小型拖拽設(shè)備或吊機(jī)進(jìn)行推動(dòng)完成管道穿越。

本設(shè)計(jì)滑輪設(shè)備可運(yùn)用于引邱入城管線工程其他未完成管道穿越的頂管施工段，同時(shí)推廣運(yùn)用于其他管道穿越施工中，在唐山二期項(xiàng)目曹妃甸區(qū)灤河下游輸水干渠西延工程、青龍湖管線生態(tài)補(bǔ)水工程中涉鐵、涉路段均可采用本文的施工工藝。針對(duì)不同管道的直徑選擇相同角度焊接滑輪，使管道在套管內(nèi)順利滑動(dòng)，完成管道穿越。該滑輪焊接設(shè)備主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在于其造價(jià)低，使用便捷，每處管道穿越可根據(jù)管道長度自行調(diào)整焊接滑輪數(shù)量，其社會(huì)效益可運(yùn)用于其他管道穿越施工中或應(yīng)用于其他大型吊裝設(shè)備無法吊裝的施工區(qū)域。

4.結(jié)語

唐山市是我國重要的鋼鐵生產(chǎn)基地，工業(yè)的發(fā)展造成當(dāng)?shù)厮廴緡?yán)重，各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，水環(huán)境的治理迫在眉睫，引邱入城管線工程的實(shí)施將為市區(qū)每日供應(yīng)13萬方清潔的淡水資源。綜上所述，本工程使用焊接滑輪的方法、低成本的完成所有涉路、涉鐵段大直徑鋼管穿越混凝土套管的施工工作，最終使本工程按期完成順利通水，得到了業(yè)主的一直好評(píng)，同時(shí)為本工程其他重點(diǎn)項(xiàng)目樹立了良好的榜樣，爭取了足夠的工期，為唐山市水環(huán)境的改善增加了籌碼。