CN104676108A - 一种跨海钢沉管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨海钢沉管的设计方法。该跨海钢沉管的设计方法包括以下步骤：(1)所述跨海钢沉管包括同一平面上的曲率半径相等的两上弯段及两下弯段，根据海床地形，确定管道线路布置；(2)计算设计曲率半径：根据管道材料强度及其受力特性，按照规范计算得出设计曲率半径，根据管道线路布置及设计曲率半径，确定上弯段、下弯段弧长；(3)基于管道线路布置及设计曲率半径，在海床挖出与管道线路相匹配的基槽；(4)施工拖行管道，并且确保管道沉放后的曲率半径等于设计曲率半径。本申请所述的跨海钢沉管的设计方法克服了现有底拖法的不足，提供了一种更安全、更适宜的跨海钢沉管的设计方法。

Description

一种跨海钢沉管的设计方法

技术领域

本发明属于跨海钢沉管设计方法，具体地，涉及一种大口径的、超长径比的跨海钢沉管的设计方法。

背景技术

沉管工法为水下管道建设的主要工法之一，近年来也在不断的完善中，主要有水面浮运法、铺管船法以及底拖法等，较为常用的是底拖法。

跨海钢沉管底拖法施工是将钢管沉入基床面，按设计标高的路径拖行，在对岸埋设牵引力地锚或在工作船上用卷扬机牵引将管道一步一步牵拉完成铺设。底拖法由于具有以下优点而被广泛使用：(1)不需占用大面积海上作业面积，降低海域使用补偿费用；(2)管道焊接在陆上，焊接质量和进度更有保证。但是底拖法沉管却也存在着以下不足：(1)长距离、大口径沉管摩擦阻力大，需要牵引力大，对牵引设备要求高；(2)管道紧贴基槽拖行，管道外防护层容易损坏，或者需采用耐磨强度高的涂层，增加防护的难度和费用；(4)大口径钢沉管在两端岸坡与海底变坡处如设置刚性弯头则无法采用拖管法铺设，如不设刚性弯头，则管道与基槽存在架空，不利于管道的稳定及结构安全。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种适用于大口径的、超长径比的跨海钢沉管的设计方法。

本发明通过以下方案达到上述目的：

一种跨海钢沉管的设计方法，包括以下步骤：

(1)所述跨海钢沉管包括同一平面上的曲率半径相等的两上弯段及两下弯段，根据海床地形，确定管道线路布置；

(2)计算设计曲率半径：根据管道材料强度及其受力特性，按照规范计算得出设计曲率半径，根据管道线路布置及设计曲率半径，确定上弯段、下弯段的位置、弧长；

(3)基于管道线路布置及设计曲率半径，在海床挖出与管道线路相匹配的基槽；

(4)施工拖行管道，并且确保管道沉放后的曲率半径等于设计曲率半径。

本发明所述的跨海钢沉管的设计方法适用于大口径的、超长径比的管道，其中，超长径比指的是管道长度与直径的比值≥500；大口径指的是直径≥1000mm。

其中，所述步骤(1)中，所述跨海钢沉管主要由下弯段、直管段、上弯段、直管段、上弯段、直管段、下弯段依次连接组成。

其中，所述步骤(2)中，本领域技术人员根据管道材料强度及其受力特性，考虑管道所受内压、外压、温度以及弯曲变形等各种荷载工况组合下，按照规范计入各种计算系数得出设计曲率半径。

其中，所述步骤(3)具体可以为：

挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段(包括上弯段和下弯段)的曲率半径，与设计曲率半径相对比，若一致，则步骤(3)完成，若不一致，则重复上述步骤3(挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段的曲率半径，并与设计曲率半径相对比)，直至拟合曲线的弯段的曲率半径与设计曲率半径一致。

其中，所述步骤(4)具体可以为：

a.在陆上焊接拼装预定长度的第一管道；

b.在该第一管道上间隔地设有固定气囊和可调节气囊；

c.在焊接拼装场和下水发射通道处间隔地设有若干滚动气囊，所述第一管道放置在所述滚动气囊上方；通过所述滚动气囊入海，避免所述第一管道外壁的防护层的损伤，且减少了第一管道的牵引阻力；

d.拖行所述第一管道沿设计路径前进至预定距离处停止拖行并沉放管道于基槽内；

e.按照上述a-c步骤安装第二管道，并将该第二管道焊接在位于陆上的所述第一管道的末端后，按照d步骤拖行；

f.按照上述a-c步骤安装第N+1管道，并将该第N+1管道焊接在位于陆上的所述第N管道的末端后，按照d步骤拖行直至全部管道完成，其中，N取自然数，如1、2、3、4……等。

其中，所述步骤(4)中，基于已经确定的管道线路布置及上弯段、下弯段的位置，在陆上焊接管道时，在管道线路布置的管道弯头处(管道设计的弯段与直段相连接的位置处)及两端岸坡与海底变坡处的管道预装大挠度伸缩装置。在管道拖行及沉放过程中，大挠度伸缩装置的固定螺栓拧紧，此时大挠度伸缩装置是刚性的，利于保护管道，管道沉放就位后再逐渐解除螺栓约束，此时，挠度伸缩装置可适应变形，使管道与基槽紧贴，还可抵消部分管道弯曲变形量，从而减小管道的弯曲应力，节约管道材料，确保管道结构安全与稳定。

其中，所述步骤(4)中，在拖行管道时，管道在海中处于半悬浮状态，半悬浮状态指管道重量与浮力接近相等，管道在水中近似处于悬浮的状态。调节管道的半悬浮状态是通过调节固定于管道上的可调节气囊实现的，该可调节气囊与控制船连接，并且所述控制船可通过对所述可调节气囊的充气量/或放气量的调节，来控制对应管道是处于半悬浮状态或者是沉放状态，当管道处于半悬浮状态时，减少了管道与基槽砂碎石垫层的接触摩擦，也有利于管道结构外表面防护层的保护，减少拖管所需的牵引力。

其中，所述可调节气囊直径为对应管道直径的40％-50％，长度优选4m-6m，任意两相邻的可调节气囊间距为28m-32m。

其中，所述步骤(4)中，在管道上还固定有固定气囊，所述固定气囊使得管道在海中静止时的自重减轻了80％-90％，且减少拖管所需牵引力。所述固定气囊直径为对应管道直径的70％-80％，长度优选12m-14m，任意两相邻的固定气囊间距为28m-32m。

其中，所述步骤(4)中，若管道沉放后，产生的曲率半径大于设计曲率半径，则可增加配重块于所述管道上，由于配重块的重量为钢管浮力的2倍，所以，使钢管最终紧贴基槽底，管道曲率半径达到设计曲率半径。

本发明通过利用滚动气囊的滚动减阻，利用固定在管道上的固定气囊和可调节气囊的水中助浮减阻，利用管道在海中拖行时处于半悬浮状态，一方面使拖管所需牵引力可减少至管道自重的5％-10％，拖管牵引设备更容易解决；另一方面大大减轻了管道与基槽的接触摩擦，更有利于对管道外的防护涂层的保护。

综上，本发明的有益效果是：

本专利发明提供的跨海钢沉管设计方法的优点在于：

(1)钢管焊接质量有保证。管道全部焊接均在陆上，避免了常规沉管的水上焊接，焊接质量更有保障。

(2)海上作业量大大减少。由于不需要海上的拼装、浮运和整体沉放，海上作业量大大减少，施工所需各种海上作业船只大为减少，施工所需海域面积大为缩小，沉管施工对当地海域影响小。

(4)拖管牵引设备容易解决。由于采用了气囊的陆上滚动减阻和水中助浮减阻，使沉管水中拖行时处于半悬浮状态，拖管所需牵引力可减少至管道自重的5％-10％，拖管牵引设备更容易解决。

(4)管道防护涂层保护更有利。由于采用了气囊的陆上滚动减阻和水中助浮减阻，使沉管拖行时处于半悬浮状态。大大减轻了管道与基槽的接触摩擦，管道防护涂层保护更有利。

(5)在管道弯头处及两端岸坡与海底变坡处预装大挠度伸缩装置，使沉放就位后的管道与基槽紧贴，还可抵消部分管道弯曲变形量，从而减小管道的弯曲应力，节约管道材料，确保管道结构安全与稳定。

附图说明

图1是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管管道线路布置图；

图2是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管陆上始发入海示意图；

图3是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管陆上焊接拼装及始发入海示意图；

图4是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管拖行状态时大挠度伸缩装置的结构示意图；

图5是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管大挠度伸缩装置的布置示意图；

图6是本发明较佳实施例所示的跨海钢沉管拖行状态示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：钢管1、第一管道101、第二管道102、滚动气囊2、焊接拼装场3、下水发射通道4、固定气囊5、可调节气囊6、可调节气囊控制船7、大挠度伸缩装置8、设计曲率半径R、第一下弯段111、第一直管段112、第一上弯段113、第二直管段114、第二上弯段115、第三直管段116、第二下弯段117。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明结合图1-6，对跨海钢沉管的设计方法进行具体说明，该方法包括以下步骤：

(1)如图1所示，根据海床地形，确定大口径、超长径比的跨海钢沉管的管道线路布置主要由第一下弯段111、第一直管段112、第一上弯段113、第二直管段114、第二上弯段115、第三直管段116、第二下弯段117依次连接组成。其中，所述第一下弯段111、第一直管段112、第一上弯段113、第二直管段114、第二上弯段115、第三直管段116或者是第二下弯段117都是由若干的钢管1焊接拼装而成。两上弯段113、115及两下弯段111、117在同一平面上且曲率半径相等；在管道弯头处(即，第一下弯段111与第一直管段112相连接的位置处，第一直管段112与第一上弯段113相连接的位置处，第一上弯段113与第二直管段114相连接的位置处，第二直管段114与第二上弯段115相连接的位置处，第二上弯段115与第三直管段116相连接的位置处，第三直管段116与第二下弯段117相连接的位置处)及两端岸坡与海底变坡处预装大挠度伸缩装置8。

(2)根据管道在海中所受各种荷载工况组合(例如内压、外压、温度以及弯曲变形等)，计算管道所受的各种工况及荷载，具体计算设计曲率半径R：根据管道材料强度及其受力特性，按照规范计算得出设计曲率半径R。根据管道线路布置及设计曲率半径R，确定上弯段113、115及下弯段111、117的位置、弧长等。

(3)沿海床挖一条与管道线路布置相匹配的基槽，使管道线路布置的弯段处(包括上弯段113、115和下弯段111、117)的曲率半径与设计曲率半径R一致，具体为：挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段的曲率半径，与设计曲率半径R相对比，若一致，则步骤(3)完成，若不一致，则重复上述施工步骤(挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段的曲率半径，并与设计曲率半径R相对比)，直至拟合曲线的弯段的曲率半径与设计曲率半径R一致。

(4)如图3所示，在焊接拼装场3处将若干的钢管1焊接拼装成具有一定长度的第一管道101，结合图2所示，在该第一管道101上间隔地设有固定气囊5和可调节气囊6，一方面使该第一管道101入海后，拖管所需牵引力可减少至管道自重的5％-10％；另一方面可通过调节所述可调节气囊6调节管道在海中拖行时处于半悬浮状态，减少管道与基槽的接触摩擦，更有利于对管道外的防护涂层的保护。其中，所述固定气囊5的直径为对应管道直径的70％-80％，长度为12m-14m，任意两相邻的固定气囊5间距为28m-32m；所述可调节气囊6的直径为钢管直径的40％-50％，长度为4m-6m，任意两相邻的可调节气囊6间距为28m-32m。在焊接拼装场3和下水发射通道4处间隔地设有若干的滚动气囊2，所述第一管道101放置在所述滚动气囊2上方，利用所述滚动气囊2的滚动减阻，将所述第一管道101从所述焊接拼装场3移至所述下水发射通道4处准备入海，一方面避免所述第一管道101外壁的防护层的损伤，另一方面减少了所述第一管道101的牵引阻力，在对岸或工作船上用牵引卷扬机拖行所述第一管道101沿设计路径前进，此时，通过控制所述可调节气囊控制船7调节所述可调节气囊6充气使所述第一管道101相对于所述基槽处于半悬浮状态，拖行至预定距离处停止拖行，并通过控制所述可调节气囊控制船7调节所述可调节气囊6放气将所述第一管道101沉放于基槽内；

按照第一管道101的安装方式进行第二管道102的安装，在位于陆上的所述第一管道101末端处焊接该第二管道102，再继续拖行所述第一管道101至预定距离处停止拖行并沉放管道于基槽内；需要注意的是，在启动拖管之前，需先通过控制可调节气囊控制船7对可调节气囊6充气，使管道处于半悬浮状态；

再按照第二管道102的安装方式进行第三管道的安装，并将其焊接在上述第二管道102的末端，再继续拖行所述第一管道101至预定距离处停止拖行并沉放管道于基槽内；……；再按照第N管道的安装方式进行第N+1管道的安装，并将其焊接在上述第N管道的末端，再继续拖行所述第一管道101直至全部管道按照管道线路布置完成，其中，N取自然数，如1、2、3、4……等。

请结合参阅图4-5，所述步骤(4)中，基于已经确定的管道线路布置、两上弯段113、115及两下弯段111、117的位置、弧长，在陆上焊接管道时，在管道弯头处(管道设计的弯段与直段相连接的位置处)及两端岸坡与海底变坡处的管道预装大挠度伸缩装置8。在管道拖行及沉放过程中，大挠度伸缩装置8的固定螺栓拧紧，此时大挠度伸缩装置8是刚性的，利于保护管道，管道沉放就位后再逐渐解除螺栓约束，此时，挠度伸缩装置可适应变形，使管道与基槽紧贴，还可抵消部分管道弯曲变形量，从而减小管道的弯曲应力，节约管道材料，确保管道结构安全与稳定。

下面结合具体的例子进行详细说明，待铺设刚沉管的海床宽度为1.3km，钢管直径为1.8m，海床两岸高程为2.3m，海床中间为-10.2m。

选择钢管弯曲段断面进行计算，计算结果显示：钢管环向最大应力为97.7MPa(正值为拉应力，下同)；轴向最大应力为176.9MPa；最大组合折算应力为171.9MPa(组合应力并非是环向最大应力和轴向最大应力叠加，所以组合值偏小，属于正常)。环向稳定计算结果显示，钢管外荷载产生的外压是305.4kPa，小于钢管的临界压力598.8kPa。径向刚度计算结果显示，荷载产生的变形量为12.0mm，小于规范允许值为45.5mm。

按照管道所受的工况及荷载，按照规范计入各种计算系数得出两上弯段113、115及两下弯段111、117的设计曲率半径R为1800m，圆弧段弧长为71.798m。根据海床地形，海床中间段管顶覆土厚度确定为2.278m，海床中间管道中心高程为-13.414m，两岸的管道中心线为-2.0m。

基于前述参数，挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段的曲率半径直至该曲率半径与设计曲率半径R相一致为止。

分段拼装所述刚沉管，节约空间及占地面积，首先将钢管由6m长焊接至180m长的第一管道，在该钢管上固定设置固定气囊5，该固定气囊5的直径为1.4m、长度为14m、间距为30m，在该钢管上固定设置可调节气囊6，该可调节气囊6的直径为0.8m、长度为5m、间距为30m。安装完后移至下水发射通道4，准备始发入海，通过调节可调节气囊6的充放气调节钢管相对基槽处于半悬浮状态，并减少拖管所需牵引力。拖行一段距离后，停止拖行，将管道沉放于基槽内，再焊接后续的第二管道，管道接长完成后再继续往前拖行，如此循环往复，直至全部管道到达指定位置。

复核钢管浮容重下能否产生设计曲率半径：1.8m钢管在浮容重下，跨度为71.798m情况下，产生的曲率半径为2363m，略大于设计曲率半径R的1800m，在钢管拖放到位后加配重块。由于配重块的重量为钢管浮力的2倍，所以，钢管最终紧贴管槽底，成型为设计曲率半径R为1800m弯段。

综上，本发明所述的跨海钢沉管的设计方法克服现有底拖法的不足，具有如下优点：

(1)钢管1焊接质量有保证。管道全部焊接均在陆上，避免了常规沉管的水上焊接，焊接质量更有保障。

(2)海上作业量大大减少。由于不需要海上的拼装、浮运和整体沉放，海上作业量大大减少，施工所需各种海上作业船只大为减少，施工所需海域面积大为缩小，沉管施工对当地海域影响小。

(4)拖管牵引设备容易解决。由于采用了气囊的陆上滚动减阻和水中助浮减阻，使沉管水中拖行时处于半悬浮状态，拖管所需牵引力可减少至管道自重的5％-10％，拖管牵引设备更容易解决。

(4)管道防护涂层保护更有利。由于采用了气囊的陆上滚动减阻和水中助浮减阻，使沉管拖行时处于半悬浮状态。大大减轻了管道与基槽的接触摩擦，管道防护涂层保护更有利。

(5)在管道弯头处及两端岸坡与海底变坡处预装大挠度伸缩装置，使沉放就位后的管道与基槽紧贴，还可抵消部分管道弯曲变形量，从而减小管道的弯曲应力，节约管道材料，确保管道结构安全与稳定。

如上所述，可较好的实现本发明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述跨海钢沉管包括同一平面上的曲率半径相等的两上弯段及两下弯段，根据海床地形，确定管道线路布置；

(2)计算设计曲率半径：根据管道材料强度及其受力特性，按照规范计算得出设计曲率半径，根据管道线路布置及设计曲率半径，确定上弯段、下弯段弧长；

(3)基于管道线路布置及设计曲率半径，在海床挖出与管道线路相匹配的基槽；

(4)施工拖行管道，并且确保管道沉放后的曲率半径等于设计曲率半径。

2.根据权利要求1所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述跨海钢沉管的直径大于或等于1000mm，管道长度与直径的比值大于或等于500。

3.根据权利要求1所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述跨海钢沉管主要由下弯段、直管段、上弯段、直管段、上弯段、直管段、下弯段依次连接组成。

4.根据权利要求1所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：挖基槽，测量高程点，拟合曲线，求出拟合曲线的弯段的曲率半径，与设计曲率半径相对比，若一致，则步骤(3)完成，若不一致，则重复步骤3，直至拟合曲线的弯段的曲率半径与设计曲率半径一致。

5.根据权利要求1所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：

a.在陆上焊接拼装预定长度的第一管道；

b.在该第一管道上间隔地设有固定气囊和可调节气囊；

c.在焊接拼装场和下水发射通道处间隔地设有若干滚动气囊，所述第一管道放置在所述滚动气囊上方；

d.拖行所述第一管道沿设计路径前进至预定距离处停止拖行并沉放管道于基槽内；

e.按照上述a-c步骤安装第二管道，并将该第二管道焊接在位于陆上的所述第一管道的末端后，按照d步骤拖行；

f.按照上述a-c步骤安装第N+1管道，并将该第N+1管道焊接在位于陆上的所述第N管道的末端后，按照d步骤拖行直至全部管道完成，其中，N取自然数。

6.根据权利要求5所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在a步的陆上焊接拼装管道时，在管道线路布置的弯头处及两端岸坡与海底变坡处的管道预装大挠度伸缩装置。

7.根据权利要求5所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在拖行管道时，管道在海中处于半悬浮状态。

8.根据权利要求5所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述可调节气囊直径为对应管道直径的40％-50％，长度为4m-6m，任意两相邻的可调节气囊间距为28m-32m。

9.根据权利要求5所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述固定气囊直径为对应管道直径的70％-80％，长度为12m-14m，任意两相邻的固定气囊间距为28m-32m。

10.根据权利要求5所述的跨海钢沉管的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，若管道沉放后，产生的曲率半径大于设计曲率半径，则可增加配重块于所述管道上，使钢管沉放于基槽且管道曲率半径达到设计曲率半径。