大直徑高密度聚乙烯管海上出運(yùn)和安裝關(guān)鍵技術(shù)

李操

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

0 引言

高密度聚乙烯（high density polyethylene，簡(jiǎn)稱HDPE）管具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，且具有一定的變形能力和較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，是排水工程的理想材料[1]。但目前關(guān)于HDPE 管海運(yùn)與安裝技術(shù)研究的文獻(xiàn)資料較少，且相關(guān)應(yīng)用實(shí)例也較少，導(dǎo)致可供參考的資料幾乎沒(méi)有。在設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)方面，界定也相對(duì)模糊，在一定程度上阻礙了這種新型管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[2]。HDPE 管道的施工安裝、使用、維護(hù)管理與傳統(tǒng)管材有較大差別，且大直徑HDPE管道在連接、運(yùn)輸、安裝工藝等方面，又顯著不同于普通的HDPE 管道[3]。以沙特某港口的電廠排水工程為背景，總結(jié)大直徑HDPE 管海上出運(yùn)和安裝的關(guān)鍵施工工藝。

1 工程概況

沙特某港口電廠項(xiàng)目擬建一給排水工程，引入海水作為冷卻、消防用水，并將廢水排入深海。項(xiàng)目位于沙特阿拉伯西南海岸，屬紅海東岸活躍地震帶，設(shè)計(jì)使用年限為25年。港口岸上的地理位置主要位于低洼的平原區(qū)域，地層為第四紀(jì)海岸沙丘、含鹽粉土、黏土的沖擊扇沉積層。海床面以下至基巖面之間的沉積層依次為松散細(xì)砂、粉土質(zhì)或黏土質(zhì)中細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化砂巖[4]。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)了6 根平行的內(nèi)徑為3000mm 的HDPE 管道，將廢水排入海中。每根管道向海中側(cè)延伸約2.5km，分為8 個(gè)管段進(jìn)行安裝，包含1 個(gè)管段在陸上安裝，7 個(gè)管段進(jìn)行海上安裝，每段管段安裝均包括出運(yùn)、定位、沉放、對(duì)接工序，本文重點(diǎn)介紹管段海上運(yùn)輸和安裝關(guān)鍵技術(shù)。

該項(xiàng)目是目前全球海上安裝的同類管道中直徑最大的，所涉及的出運(yùn)、安裝工藝復(fù)雜。國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，國(guó)外也僅有少數(shù)成功案例，實(shí)施難度較大。

2 施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 施工準(zhǔn)備工作

施工準(zhǔn)備工作包括陸上運(yùn)輸、管段設(shè)施安裝、海上準(zhǔn)備等多項(xiàng)內(nèi)容，其中最重要的一項(xiàng)是確定海上施工窗口期。海上施工窗口期需要詳細(xì)調(diào)查當(dāng)?shù)貧夂驐l件，特別是海域風(fēng)浪特點(diǎn)，并結(jié)合施工裝備情況綜合確定。

2.2 管段浮運(yùn)

2.2.1 準(zhǔn)備工作

在管段浮運(yùn)過(guò)程中，受到風(fēng)浪流作用影響，水上作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。應(yīng)以不同顏色標(biāo)示施工區(qū)域的水深條件，定期對(duì)施工海域水深進(jìn)行掃測(cè)，避免回淤情況不明而導(dǎo)致船舶擱淺事故。不同型號(hào)的作業(yè)裝備，其作業(yè)區(qū)域的水深應(yīng)嚴(yán)格控制：水深小于2m 的海域不宜設(shè)置方駁船，水深小于3.5m 的海域不宜設(shè)置拖輪。

2.2.2 由陸入海運(yùn)輸

管段進(jìn)行由陸入海出運(yùn)時(shí)，首先保證出運(yùn)軌道連續(xù)、平順，使得管段入水軌跡在允許曲率半徑范圍內(nèi)；其次保證出運(yùn)小車中部填充的泡沫綁扎牢固，并控制其浮力不宜過(guò)大，以便出運(yùn)小車從壓載塊底輕易抽離。

起重船距岸邊出運(yùn)通道前端650m 處拋錨，確?？梢淮涡酝习惭b管段入水。在管段出運(yùn)初始階段，起重船配合出運(yùn)軌道兩側(cè)的卷?yè)P(yáng)機(jī)拖管段入水200m，此間起重船僅用于調(diào)整管端方向，使管段與出運(yùn)軌道軸線重合，避免跳軌。

在管道由陸入水過(guò)程中，出運(yùn)通道前端，即管道水中段末端及距出運(yùn)通道前端約250m 的管道中部，分別設(shè)置2 艘錨艇。當(dāng)2 艘錨艇上的定位GPS 測(cè)量顯示管段軸線偏離出運(yùn)通道延長(zhǎng)軸線2m 時(shí)，控制管段復(fù)位?？刂乒芪草S線回復(fù)與出運(yùn)通道延長(zhǎng)軸線一致，避免跳軌。

2.2.3 近岸區(qū)和淺水區(qū)海上浮運(yùn)

管段全部入海后繼續(xù)前行，待其前端貼近起重船，前端改繩連接主拖輪，起重船通過(guò)絞錨后撤100m，以空出管道彎曲通行的空間，管道尾端由分布兩側(cè)的2艘錨艇進(jìn)行控制。首尾船舶協(xié)調(diào)配合牽拉管段沿最小曲率半徑（50D，D 表示管段外徑，下同）所劃弧線斜行，移至基槽內(nèi)并調(diào)順使其處于安裝位置的延長(zhǎng)線上。

安裝位置位于近岸區(qū)和潛水區(qū)時(shí)，主拖船預(yù)先移動(dòng)到管段前端附近停泊，管段入槽后，由輔助拖輪以GPS 軸線偏差值做參考，統(tǒng)一指揮錨艇、主拖輪跟隨管段前行并調(diào)整管段軸線，船舶互相配合將管道拖進(jìn)安裝位置。

2.2.4 深水區(qū)海上浮運(yùn)

安裝位置位于深水區(qū)時(shí)，起重船通過(guò)絞錨后撤150m，以空出管道彎曲通行的空間，管道尾端由主拖輪接管拖纜控制，輔助拖輪拖帶管段前行。首尾船舶協(xié)調(diào)配合牽拉管段沿最小曲率半徑（50D）所劃弧線西向斜行。機(jī)動(dòng)船舶和小型機(jī)動(dòng)船舶錯(cuò)位均布管段兩側(cè)，隨管段前行并調(diào)整管段軸線，配合拖輪將管段拖進(jìn)深水安裝區(qū)域。

2.3 管段系泊定位

根據(jù)水深和作業(yè)條件，針對(duì)近岸區(qū)、淺水區(qū)和深水區(qū)，采用不同系泊定位工藝，近岸區(qū)采用鋼管樁+岸上地錨定位系泊，淺水區(qū)為鋼管樁+水下重力式錨塊定位系泊，深水區(qū)為兩側(cè)鋼管樁定位系泊。

管段就位后，灌水下潛等過(guò)程耗時(shí)約2～3h，需預(yù)先在安裝段基槽兩側(cè)，沿鋼管樁或岸上設(shè)置防風(fēng)纜繩。首先，利用槽鋼焊接沉樁定位架，并將其焊接于駁船船頭；其次，計(jì)算定位鋼管樁的坐標(biāo)，利用GPS 引導(dǎo)駁船初定位；再對(duì)定位架精測(cè)，通過(guò)駁船錨纜小幅度收放精確定位；最后，將鋼管樁穿過(guò)定位架，完成鋼管樁定位，開(kāi)始沉樁。同時(shí)在沉樁過(guò)程中，使用GPS 定位儀器不斷地復(fù)測(cè)樁位，進(jìn)行校核調(diào)整。

2.4 管段沉放

2.4.1 準(zhǔn)備工作

考慮到不同施工區(qū)域的水深和風(fēng)浪條件不同，使用了組合氣囊，通過(guò)特定氣囊的放氣操作實(shí)現(xiàn)管段下沉，并通過(guò)不同長(zhǎng)度的氣囊綁帶控制管段的入水深度和管段曲率。管段水下調(diào)整定位采用小型動(dòng)力船舶牽拉的方式，并需要潛水員全過(guò)程配合，進(jìn)行出運(yùn)前軌道清理、浮排拆除、水閥開(kāi)啟、法蘭對(duì)接等工作。

2.4.2 管段下潛和沉放

將已安裝管段的尾端（對(duì)接端）表示為A 端，待安裝管段的前端（對(duì)接端）表示為B 端（下同）。管段沉放主要分灌水下潛和沉放兩個(gè)階段。具體操作過(guò)程如下：

管道軸線調(diào)整就位后，開(kāi)啟A 端的水閥和B 端的氣閥，進(jìn)行管道灌水下潛操作，使管段充水自由下潛，繃緊吊帶。不能同時(shí)打開(kāi)同一盲板上的水閥和氣閥，否則管道中部出現(xiàn)氣泡，將導(dǎo)致無(wú)法按預(yù)期完成整體下潛。

為了讓管道入水順利從A 端向B 端逐步進(jìn)行，在灌水前，B 端考慮利用駁船配150t 履帶吊將管頭稍微抬高。A 端灌水后管道自由下沉2.5m，下潛部分與停留在水面的部分會(huì)形成S 形狀態(tài)。

待管段全部潛入水中后，部分氣囊淹沒(méi)于水中，另一部分氣囊浮于水面，吊帶受力繃緊懸吊管道于某水深處。待管段對(duì)接完成后，將氣囊從B 端向A 端逐個(gè)放氣，此時(shí)管段壓重逐漸增大，開(kāi)始從B 端向A 端緩緩下沉，完成管段沉放施工。

2.5 管段對(duì)接

待安裝管段需要根據(jù)已安裝管段的實(shí)際位置定位安裝，具體對(duì)接方案如下：

A 端在預(yù)留氣囊的減重作用下，使其50m 范圍內(nèi)的管道上浮，A 端頭處沿左右方向各系纜定長(zhǎng)纜繩，纜繩的另一端系于沉放在海床底面上的混凝土塊。整體灌水后，調(diào)整B 端的高度，使其基本與A 端高度保持一致。

駁船上2 臺(tái)10t 卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩，穿過(guò)A 端第一塊壓載塊夾具，再連接到B 端第一塊壓載塊兩側(cè)的夾具上固定，同時(shí)駁船上的150t 履帶式起重機(jī)控制B 端，將3個(gè)導(dǎo)向限位裝置均布在A 端的法蘭盤(pán)上，使三者構(gòu)成等邊三角形。

2 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)同時(shí)收繩，使B 向A 靠近，在此過(guò)程中卷?yè)P(yáng)機(jī)可通過(guò)單側(cè)點(diǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整B 端水平位置，通過(guò)吊機(jī)調(diào)整B 端標(biāo)高。待安裝管段進(jìn)入限位裝置影響范圍前，將對(duì)位調(diào)整鋼絲繩穿入法蘭盤(pán)，用于限制法蘭盤(pán)周向的錯(cuò)位，調(diào)整孔位偏差。卷?yè)P(yáng)機(jī)繼續(xù)收繩，使對(duì)接管端繼續(xù)貼合，當(dāng)對(duì)接管段完全貼合且法蘭盤(pán)孔位基本對(duì)齊后，每隔2 個(gè)螺栓孔迅速插入鋼螺桿。

待鋼螺桿安裝完成后，通過(guò)調(diào)整管節(jié)高度的方式進(jìn)行消除縫隙；確認(rèn)法蘭盤(pán)間無(wú)縫隙后，將所有鋼螺桿擰緊。鋼螺桿安裝完成后，在法蘭下部的孔位順序插入GRP 螺栓，使用氣動(dòng)扳手、扭力扳手配合將其擰緊，將其中鋼螺桿所占孔位逐個(gè)替換成GRP 螺桿。

底部全部GRP 螺栓安裝完成后，從A 端開(kāi)始，順序釋放氣囊，完成管道的沉放，并將剩余孔位依次插入GRP 螺栓并擰緊。GRP 螺栓連接全部完成24 小時(shí)后，潛水員需進(jìn)行第二次水下緊固，并使用2mm 塞尺檢測(cè)對(duì)接頭縫隙。若檢測(cè)合格，則管道對(duì)接施工全部完成；若檢測(cè)不合格，需再進(jìn)行一輪擰緊、檢測(cè)，直至檢測(cè)合格。

3 結(jié)語(yǔ)

HDPE 管作為目前應(yīng)用場(chǎng)景較為特殊的一種新型管材，其各方面指標(biāo)都優(yōu)于現(xiàn)在常用的傳統(tǒng)排水管材，代表了未來(lái)優(yōu)質(zhì)排水管材的發(fā)展方向。由于目前HDPE 輸水管道設(shè)計(jì)和施工尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，結(jié)合沙特某港口城市電廠給排水工程中應(yīng)用大直徑HDPE 管的應(yīng)用施工案例，分別從施工準(zhǔn)備工作、管段浮運(yùn)、系泊定位、沉放、對(duì)接來(lái)闡述其技術(shù)要點(diǎn)。