CN101280862A - 海底pe管道边敷边埋施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底PE管边敷边埋施工方法，该方法集合海底管道和海底电缆的施工工艺，PE管在敷管船上逐段焊接，然后通过托管架敷设到海底，同时托管架尾部直接连接了海底管道埋设机，管道敷设到海底的同时已经到了沟槽底部，然后，靠自然回淤将管道埋在海床下。该方法能确保整个管道的连续焊接施工，避免海中间管道的法兰接头；节省大量的人力、物力以及对环境造成的破坏，同时也解决了水下沟槽开挖回淤较快的问题；将敷管船和埋管船合二为一，就可实现管道的敷设和埋深，大大节约了施工成本。

Description

海底PE管道边敷边埋施工方法

技术领域

本发明涉及一种海底管道的敷埋施工方法，尤其是一种海底PE管道敷埋施工方法。

背景技术

目前，长距离海底输水管道均以钢管为主，采用将钢管内外防腐，先敷设到海底然后进行埋深作业。而钢管容易生锈、结垢，在海底会产生腐蚀。

采用新型的PE材料作为管材，它具有防爆、防震、防腐、无毒、无味、不生锈、不结垢、使用寿命长等特点，在陆地上的城市地下水管网系统中已广泛应用，在上世纪50年代起塑料管道就开始进入水中铺设，在世界各地广泛应用。

PE材料作为管材施工中要求全程热熔对焊并外加套筒，不允许采用法兰对接；且海底管道全程埋深2.5m以上。因此，不能用拖管、沉管、水下法兰、哈夫连接等常规的管道施工方法。

并且工程采用材料为PE100，允许抗拉强度仅为10MPa，管道的刚度很小(通常为1100MPa，但随温度的变化而变化)，瞬时允许弯曲半径为12m；PE材料硬度小，管道表面没有外防腐，因此管道表面很容易被尖锐物刮伤。如果采用常规的海底钢管先敷后埋的方法，那么，在埋设机骑在管道上进行埋深施工时，无法保证埋设机对管道不造成损坏，一旦管道的外表面产生损坏就会影响整个管道的质量和使用。

同时，由于PE管具有很大的柔性，，它无法给埋设机提供一个前进的导向，所以，不能采用先敷后埋的施工方法。

目前海底PE管施工工艺主要有的PE管敷设施工工艺和管道埋深施工工艺。

PE管敷设施工工艺基本分为漂浮-下沉法、水底拖拉法和敷管船法三种。

(1)漂浮-下沉法这是海底PE管最通常使用的施工方法：

利用HDPE管道可以熔接的特长在岸边把运来的管段对接熔焊成几百米长的连续长管段，逐步下水漂浮在水上，或者把管材挤出生产线安置在岸边，直接制成几百米长的连续长管段逐步下水漂浮在水上；压重块可以在岸上就安装到管道上，然后和管道一起下水；也可以在水面上利用驳船把压重块固定到管道上；把固定好压重块的连续长管段拖引到计划铺设的位置；把各段长管连接到工程需要的长度；通过从岸端灌水使管道逐步沉到水底要求的位置：利用塑料管道的柔韧性，让管道随着水底的地形状起伏躺在水底上(为了减少轻水流作用力，通常利用压重块使管道和水底间有一定的距离)。通常大部分塑料管道就直接暴露在水中，只在近岸处将部分管道埋在水底的管沟内。该施工工艺适用于施工区域海况较好的地区。

(2)水底拖拉法：

当水上交通阻止采用浮-沉铺设法时(如在穿越河流的工程中)，可以采用水底拖拉法。当采用这种方法时，先把塑料管道在岸上连接成连续长管，加装上足够保证管道始终沉在水底的压重，然后用用卷扬机把管道拖过河。通过适当设计的压重和固定在管道前端的特殊拖拉头-‘滑橇’确保管道在拖过河时能随着河底的断面轮廓顺畅滑动。该施工工艺适用于大口径、距离较短的管道工程。

(3)敷管船法：

敷管船法亦称弹性敷设法，即管道在敷管船上逐一焊接后，敷管船绞动锚缆的方法移船前进，钢管从船尾入水，经托管架敷入海中。该施工法对气候的适应能力较强，管段的焊接、敷设都在敷管船上进行，不需要大量的其他的工作船，需要敷设的管段通过托管架自然、平稳地从敷管船敷设到海床上。该施工工艺适用于长距离管段的敷设。

海底管道埋深施工工艺一般分为：先开沟后敷管、先敷管后开沟以及自埋法。

(1)先开沟后敷管：

在敷管前先用挖泥船在管道路由上开挖一条沟槽，然后在沟槽内进行敷管，敷管方法可以采用浮-沉法、水底拖拉法以及敷管船法。该方法比较适用于短距离的工程，一般为过江、过河管道工程。

(2)先敷管后开挖：

先采用海底管道的敷设方法将管道敷设到海床上，然后用海底管道埋设机将管道埋到设计位置。该方法需采用专用的海底管道埋设机，埋设深度一般能达到2~3m，适用于软土地质的长距离海底管道工程。

(3)自埋法：

自埋法是在管道顶部安装的一种倒T型的结构物，该结构物会显著改变管道周围的流场分布，使得管段底部形成冲刷，从而使管道产生自埋的一种方法。该方法埋设的深度一般不深，适用于长距离海底管道。

因此，现有的PE管施工工艺无法用于钢丝网缠绕高密度聚乙烯复合管材(SPE)，直径450mm，壁厚22mm，海底管道路总长17996m的施工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种海底PE管边敷边埋施工方法，该方法集合了海底管道和海底电缆的施工工艺，适用于水深在30m以内的浅海软土地基的海域内进行的PE管道的施工。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种海底PE管边敷边埋施工方法，其具体步骤是：

(1)管道敷设施工准备

在管道敷设施工前，管道敷设工作船安装托管架和水力机械埋设机；

(2)管段拼接就位

管段由运管船驳运至施工现场后，吊装上管道敷设工作船，将50m管道吊装到发射架上的50m管道拼接滑道上，拼接成100m长管段，将100米管段滚至发射滑道上，在熔接站内和已敷埋的管段对接，并安装配重块；

(3)管段埋深至海床

启动高压水泵和及埋深系统通过收绞牵引锚钢丝，将管段经发射架、托管架及埋设机埋深至海床，埋设深度为管底相对深度在泥面以下2.5米；此过程的同时，由潜水泵向管道内注入海水，水量控制在入海管道长度的同等容积量，以确保管道不起浮；并且在工作船首的发射架和船尾的焊接站内各设置一台DGPS定位系统，通过DGPS定位系统控制敷管路由偏差在20米左右。

上述管段埋深至海床中的工作船的定位和移位过程是：

(1)工作船锚位的布置：

八个锚分别对称抛在铺管工作船左右舷两侧，其中四只在敷管船首部，四只在敷管船尾部；

(2)卷扬机的设置：

在艏侧设置一台采用变频器控制牵引速度，主牵引锚抛设在距敷管船首部800米的管道设计轴线上的35吨卷扬机，作为主牵引卷扬机；

(3)起锚和抛锚：

当一段100米长的PE管子铺设完后，锚艇在铺管工作船背水一侧将四个锚由前往后依次起起来，抛设在新的位置上。

(4)绞锚移船：

当敷管船上的管段熔接后，移船绞车绞动牵引锚缆，八个移船绞车一台35吨主牵引卷扬机同时配合绞动锚缆或松宽锚缆调整敷管船的左右偏差和控制船前进的速度，使船在前进的过程中始终沿设计路由方向前进；每绞一次锚，敷管船前进100米，然后进行锚位的更新。

上述管段埋深至海床过程中管道埋深监测：

在正式铰锚移船前，根据埋深监测系统的数据，随时调整牵引力、牵引速度、水泵压力，确保管段的埋设深度大于2.5米。

本发明的特殊工况作业

1、弃管施工

当出现台风、或冷空气等恶劣的天气和海况条件威胁到管线的安全时，先焊上拾管头系好浮筒并与托管架用钢丝绑扎、收紧，利用船上的起重扒杆将托管架并托管架上管段整体吊离船体、并缓缓沉放至海底；

为防止托管架因风、浪、流因素的影响而产生位移、损坏甚至折弯，在托管架两侧50米距离处各预先抛设一个1000KG的锚，由潜水员水下将锚钢丝和管段连接、收紧；在弃管施工过程中，有DGPS定位，连续精确记录弃管船位，管段位置、锚位。

2、拾管施工

当海况条件转好，进行管线回收：首先由潜水员水下配合将与管段相连的锚钢丝解开，并在托管架上设置起吊钢丝；铺管施工船利用DGPS定位，使施工船与托管架沉放时的路由保持在同一直线上，将托管架上的起吊钢丝与施工船上的起重把杆相连接，启动起重扒杆，将托管架吊出水面，并将其重新安装在施工船上。

本发明的海底PE管边敷边埋施工方法集合了海底管道和海底电缆的施工工艺，PE管在敷管船上逐段焊接，然后通过托管架敷设到海底，同时托管架尾部直接连接了海底管道埋设机，管道敷设到海底的同时已经到了沟槽底部，然后，靠自然回淤将管道埋在海床下。该方法具有以下几个特点：

1、确保了整个管道的连续焊接施工，避免了海中间管道的法兰接头；

2、避免了采用先开挖后敷管所需的大量的人力、物力以及对环境造成的破坏，同时也解决了水下沟槽开挖回淤较快的问题；

3、将敷管船和埋管船合二为一，只要一条作业船就实现了管道的敷设和埋深，大大节约了施工成本；

4、管道一下到海底，直接被埋入沟槽中，避免了管道在海床表面停留的时间内，水流对管道的稳定所带来的影响，同时也避免了在未埋深期间受到锚害等外界因素影响的风险；

5、采用浅海无张力敷管法进行管道的敷设施工。

附图说明

图1是本发明的施工流程框图；

图2是敷管船示意图；

图3是托管架示意图；

图4是埋设机示意图；

图5是弃管作业示意图；

图6是拾管作业示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明的海底PE管道边敷边埋施工方法，包括：

1.管段敷埋施工程序：

在开始深海段管道敷设施工前，由施工辅助作业船(锚艇)配合管道敷设工作船安装托管架和水力机械埋设机。

管段由运管船驳运至施工现场后，吊装上管道敷设工作船，将50m管道吊装到发射架上的50m管道拼接滑道上，拼接成100m长管段，将100米管段滚至发射滑道上，在熔接站内和已敷埋的管段对接，并安装配重块。

接缝满足强度要求后，启动高压水泵和及埋深系统通过收绞牵引锚钢丝，将管段经发射架、托管架及埋设机埋深至海床。埋设深度为管底相对深度在泥面以下2.5米。

在管道敷设入海的同时，由潜水泵向管道内注入海水，水量控制在入海管道长度的同等容积量，以确保管道不起浮。

敷管施工时，根据DGPS定位系统随时调整船位。通过DGPS定位系统控制敷管路由偏差，在船首的发射架和船尾的焊接站内各设置一台DGPS定位系统。施工时管段路由偏差控制在左右20米。

2.锚泊系统的操作：

锚位的布置：8个锚分别对称抛在铺管船左右舷两侧，其中4只在敷管船首部，4只在敷管船尾部，系船锚横距为200米，纵距100米，同时在艏侧设置一台35吨卷扬机，作为主牵引卷扬机，采用变频器控制牵引速度。主牵引锚抛设在距敷管船首部800米的管道设计轴线上，并与35吨卷扬机相连接。

起锚和抛锚：当1段PE管(100米)的管子铺设完后，铺管船的锚位应进行调整。锚艇在铺管船背水一侧将4个锚由前往后依次起起来，抛设在新的位置上。一次起锚、抛锚过程结束。

3.绞锚移船：

当敷管船上的管段熔接、检测通过并达到强度要求后后，便开始进行移船敷管作业，移船绞车绞动牵引锚缆，8个移船绞车1台35吨主牵引卷扬机同时配合绞动锚缆或松宽锚缆来调整敷管船的左右偏差和控制船前进的速度，使船在前进的过程中始终沿设计路由方向前进。每绞一次锚，敷管船前进100米，然后进行锚位的更新。4.管道埋深及监测：在正式铰锚移船前，启动施工船上的高压水泵和埋深监测系统，在敷管的同时进行埋管施工。指挥人员根据埋深监测系统的数据，随时调整牵引力、牵引速度、水泵压力等，确保管段的埋设深度大于2.5米。

本发明所用敷管船(图2所示)：

根据本发明施工的特殊情况，采用一艘专用于本工程施工的敷管船。

敷管船的船体为一艘箱型非自航甲板驳，主要尺度为：船长100m、型宽21.4m、型深4.9m。设计载重量2500t，满载吃水2.5m。

敷管船集合了管道敷设系统和埋设系统。管道的敷设系统包括了储管区(48米/根，可以一次性储管7000m)、锚泊系统(8台20吨锚机，1台35吨锚机，锚重7~9t)、管道发射架、焊接平台(2个)、管道在船上水平和垂直运输系统、DGPS全球定位系统、托管架的起吊安装设备和固定装置；管道的埋设系统包括高压水供应系统、水下空气吸泥系统以及管道埋深水下监测系统。同时船上布置了集中控制指挥室，便于整条船的集中控制和指挥。

本发明的托管架(图3所示)：

本发明的托管架和常规铺管船的托管架作用有所不同，它不仅起到了常规托管架在敷管期间托住敷管船至海底之间的悬空管段的作用，同时它底部和埋设机相连，提供管道埋深需要的高压水和高压空气的通道，同时也将敷管船的牵引力传递给埋设机，使得埋设机和敷管船同步前进，实现边敷边埋的效果。

本发明的托管架为刚性直线型，长50m，一端和敷管船尾部铰接，另一端和埋设机铰接。适用的水深为3~25m，随着水深变化，可以调节角度(3°~30°)。托管架上设置了滑道，托住被敷管道，同时被敷管道通过滑道辐射到海底。

由于托管架受到竖直荷载(悬空段管段的重量)、水平荷载(横向水流作用)、轴向力(牵引力)以及风、浪的荷载。因此，在设计时必须考虑有足够的强度和刚度满足各种工况的组合，同时需要考虑托管架的外形尽可能减少横向水流阻力。

本发明的埋设机(图4所示)

埋设机自重约50吨。最大设计埋设深度3.0米(和牵引速度以及海底土质有关)，设计最大牵引速度3米/分钟。适应水深0-45m，最大抗流能力为6节。可适用于淤泥、淤泥质土、泥质粉砂和粉砂质泥等海底底质的埋深，底质的不排水抗剪强度＜15MPa。

埋设机用敷管船上的高压水泵(4台)通过托管架上的管路供给埋设臂上的喷嘴射水破土，通过高压胶管供给埋深臂尾部的空气吸泥系统将沟槽内的泥浆排出。

埋设机与施工船通过托管架连接，连接构件采用双向铰接形式，它既能保证托管架和埋设机之间竖直方向的转动，也能保证托管架和埋设机之间水平方向的转动。避免了由于敷管船的微小移动(竖直和横向)给埋设机的稳定造成影响。

埋设机装备电测传感系统。主要监控海底管道的埋设深度、埋设机的行走速度、埋设机前后、左右高差、牵引力、水泵压力、水深、敷埋管道的大地坐标、管道偏差、敷埋管道长度等。

本发明的管道的焊接：

PE管道的焊接采用常规采用热熔对接或电熔套筒连接，本发明由于是海上施工，不可预见的因素较多，因此，在本发明中管道的焊接均采用先进行热熔对接，然后再进行电熔套筒连接，采用双重连接方式，提高管道接头的安全可靠性。

本发明的特殊工况作业：

1、弃管施工

如果出现台风、或冷空气等恶劣的天气和海况条件威胁到管线的安全时，就要进行弃管作业。弃管时，先焊上拾管头(防止管段内进泥沙)系好浮筒并与托管架用钢丝绑扎、收紧。利用船上的起重扒杆将托管架并托管架上管段整体吊离船体、并缓缓沉放至海底。为防止托管架因风、浪、流等因素的影响而产生位移、损坏甚至折弯等现象。在托管架两侧50米距离处各预先抛设一个1000KG的锚，由潜水员水下将锚钢丝和管段连接、收紧。在弃管施工过程中，必须有DGPS定位，连续精确记录弃管船位，管段位置、锚位等。(图5所示)

2、拾管施工

当海况条件转好，进行管线回收。首先由潜水员水下配合将与管段相连的锚钢丝解开，并在托管架上设置起吊钢丝。铺管施工船利用DGPS定位，使施工船与托管架沉放时的路由保持在同一直线上。将托管架上的起吊钢丝与施工船上的起重把杆相连接，启动起重扒杆，将托管架吊出水面，并将其重新安装在施工船上。(图6所示)

本发明采用具有柔韧性的PE管道进行海底铺设，铺设时间短可以减小对该地生活的干扰、管道完全不会腐蚀确保了长期使用寿命和维护运行成本低、从而降低了总造价。在水下铺设的排放管道领域，已经有许多实例证明，采用柔韧性海洋排放管道的成本仅是传统钢或混凝土制造排放管道造价的一半。

常规的海底PE管道埋深敷设是采用大开挖然后回填的施工方法，由于需要在海底进行大量的放坡开挖，造价比较高，对施工海区的环境也将造成很大的影响。如果采用边敷边埋的施工工艺则将大大降低海底水底开挖的工作量，也大大减少了施工对施工海域的环境的影响。因此具有较大的经济效益和社会效益。

在本工程中，采用了边敷边埋的施工工艺，省略了一条埋管船，并大大减少了工期，直接的经济投资将近节约了1000万。同时，管道在施工、运行中的安全也得到了保证。

本发明是根据国际经验水中铺设塑料管道主要有三大市场：排放管道和取水管道用塑料管道、水中输送用塑料管道、海上油气开采用有特殊要求的塑料管道，这三大市场都有巨大的需求和广阔的前景。此外，水中铺设塑料管道还有其他一些市场，如：疏浚工程用管道、临时性的漂浮管道、在沼泽地里铺设管道、水中通气系统等。目前水中铺设塑料管道在世界各地已经广泛应用，显示了非常突出的先进性和经济性，成为塑料管道的一个重要的市场领域。国内应用水中铺设塑料管道还刚起步，这是一个前景十分广阔的发展空间。

Claims (4)

1. 一种海底PE管边敷边埋施工方法，其特征在于，具体步骤是：

(1)管道敷设施工准备

在管道敷设施工前，管道敷设工作船安装托管架和水力机械埋设机；

(2)管段拼接就位

管段由运管船驳运至施工现场后，吊装上管道敷设工作船，将50m管道吊装到发射架上的50m管道拼接滑道上，拼接成100m长管段，将100米管段滚至发射滑道上，在熔接站内和已敷埋的管段对接，并安装配重块；

(3)管段埋深至海床

启动高压水泵和及埋深系统通过收绞牵引锚钢丝，将管段经发射架、托管架及埋设机埋深至海床，埋设深度为管底相对深度在泥面以下2.5米；此过程的同时，由潜水泵向管道内注入海水，水量控制在入海管道长度的同等容积量，以确保管道不起浮；并且在工作船首的发射架和船尾的焊接站内各设置一台DGPS定位系统，通过DGPS定位系统控制敷管路由偏差在20米左右。

2. 根据权利要求1所述的海底PE管边敷边埋施工方法，其特征在于，所述管段埋深至海床中的工作船的定位和移位过程是：

(1)工作船锚位的布置：

八个锚分别对称抛在铺管工作船左右舷两侧，其中四只在敷管船首部，四只在敷管船尾部；

(2)卷扬机的设置：

在艏侧设置一台采用变频器控制牵引速度，主牵引锚抛设在距敷管船首部800米的管道设计轴线上的35吨卷扬机，作为主牵引卷扬机；

(3)起锚和抛锚：

当一段100米长的PE管子铺设完后，锚艇在铺管工作船背水一侧将四个锚由前往后依次起起来，抛设在新的位置上；

(4)绞锚移船：

当敷管船上的管段熔接后，移船绞车绞动牵引锚缆，八个移船绞车一台35吨主牵引卷扬机同时配合绞动锚缆或松宽锚缆调整敷管船的左右偏差和控制船前进的速度，使船在前进的过程中始终沿设计路由方向前进；每绞一次锚，敷管船前进100米，然后进行锚位的更新。

3. 根据权利要求1所述的海底PE管边敷边埋施工方法，其特征在于，所述管段埋深至海床过程中管道埋深监测：

在正式铰锚移船前，根据埋深监测系统的数据，随时调整牵引力、牵引速度、水泵压力，确保管段的埋设深度大于2.5米。

4. 根据权利要求1所述的海底PE管边敷边埋施工方法，其特征在于，该方法的特殊工况的具体作业为：

(1)弃管施工

当出现台风、或冷空气等恶劣的天气和海况条件威胁到管线的安全时，先焊上拾管头系好浮筒并与托管架用钢丝绑扎、收紧，利用船上的起重扒杆将托管架并托管架上管段整体吊离船体、并缓缓沉放至海底；

为防止托管架因风、浪、流因素的影响而产生位移、损坏甚至折弯，在托管架两侧50米距离处各预先抛设一个1000KG的锚，由潜水员水下将锚钢丝和管段连接、收紧；在弃管施工过程中，用DGPS定位，连续精确记录弃管船位，管段位置、锚位；

(2)拾管施工

当海况条件转好，进行管线回收：首先由潜水员水下配合将与管段相连的锚钢丝解开，并在托管架上设置起吊钢丝；铺管施工船利用DGPS定位，使施工船与托管架沉放时的路由保持在同一直线上，将托管架上的起吊钢丝与施工船上的起重把杆相连接，启动起重扒杆，将托管架吊出水面，并将其重新安装在施工船上。

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