CN115823351A - 一种浅滩段海底管道安装方法及安装参数设计方法 - Google Patents

一种浅滩段海底管道安装方法及安装参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种浅滩段海底管道安装方法,通过在浅滩段设置施工便道,利用施工便道使用工程机械作业在浅滩段设置钢板桩和成型管道安装基槽,在基槽中利用海水浮运管道,利用拖运装置牵引及溜尾管道,利用吊带和吊车将管道抬离水面对接,利用灌水保持管道稳定对接及后续沉放,钢板桩同时作为基槽的支护、部分拖运装置的安装基础以及管道抬离水面的锚固器,该方法能够有效开展浅滩段海底管道安装,解决浅滩段施工船舶无法作业的问题,该方法步骤简单,操作方便,效果良好。

Description

一种浅滩段海底管道安装方法及安装参数设计方法
技术领域
本发明涉及海底管道安装技术领域,特别是一种浅滩段海底管道安装方法及安装参数设计方法。
背景技术
一些临海的工业园区项目拥有海洋放流管等配套辅助设施工程,海洋放流管由陆域引入海域,并由海域的浅滩段引致深海段,海域内的海洋放流管多为海底埋设的钢管,海底埋设钢管一般采用船舶作业,开挖基槽,基槽中垫层抛填,基槽中架设钢管管道,基槽分层回填。
但是浅滩段水深一般在5m以内,其部分表面为波浪破碎区,由于浅滩段及波浪破碎区施工受海况和水深影响,施工船舶无法作业,需要新的施工方式在浅滩段海底埋设管道。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术存在的海域浅滩段及波浪破碎区施工受海况和水深影响,施工船舶无法进行海底管道埋设的问题,提供一种浅滩段海底管道安装方法及安装参数设计方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
第一方面,本发明提供了一种浅滩段海底管道安装方法,包括以下步骤:
由陆域向海域浅滩段设置施工便道,使用施工便道在管道安装轴线两侧的至少一侧施打钢板桩,以及开挖管道安装基槽,基槽位于水下,陆域部分设置有出运槽,出运槽用于放置管道单元;
在基槽海侧方向设置拖运装置,拖运装置固定于钢板桩顶部,钢板桩上的拖运装置连接出运槽中的管道单元的管头,拖运管道单元的同时焊接新的管道单元连接被拖运的管道单元的管尾,直至焊接成型管道,管道的端部为法兰且密封设置,管道被拖运至基槽中漂浮,在后方陆域设置拖运装置,当单根管道焊接完成并全部下水后,连接管道的管尾,钢板桩上的拖运装置牵引管道沿基槽移动,后方陆域的拖运装置溜尾;
通过吊带将一根管道的管头提升并固定于钢板桩顶部的横撑,使管道管头抬离水面,管道管尾灌水下沉至管道保持稳定后停止灌水,用吊车起吊另一根管道的管尾,使管道的管尾抬离水面,拉合一根管道的管头法兰和另一根管道的管尾法兰相连接,对接完成后吊车下放相连的两根管道,通过吊带将另一根管道的管头提升并固定于钢板桩顶部的横撑,并灌水至管道保持稳定,重复步骤使所有管道依次连接;
管道沉放至基槽后,进行基槽回填。
采用本发明所述的一种浅滩段海底管道安装方法,通过在浅滩段设置施工便道,利用施工便道使用工程机械作业在浅滩段设置钢板桩和成型管道安装基槽,在基槽中利用海水浮运管道,利用拖运装置牵引及溜尾管道,利用吊带和吊车将管道抬离水面对接,利用灌水保持管道稳定对接及后续沉放,钢板桩同时作为基槽的支护、部分拖运装置的安装基础以及管道抬离水面的锚固器,该方法能够有效开展浅滩段海底管道安装,解决浅滩段施工船舶无法作业的问题,该方法步骤简单,操作方便,效果良好。
作为本发明优选地,施工便道包括第一施工便道和第二施工便道,第一施工便道从陆地推填,第二施工便道采用袋装砂石在浅滩段海域上推填,第一施工便道和第二施工便道均沿基槽旁侧设置,第二施工便道与第一施工便道不相连;
或者施工便道全部采用袋装砂石在浅滩段海域上推填的第二施工便道。
作为本发明进一步优选地,第一施工便道对应的基槽的另一侧施打单排钢板桩,第二施工便道对应的基槽施打双排钢板桩,双排钢板桩之间为基槽。
作为本发明进一步优选地,若浅滩段具有河流出海口,出海口处不设置施工便道,且出海口的一侧为第一施工便道、另一侧为第二施工便道,或者出海口的两侧均为第二施工便道,出海口处无法采用钢板桩支护开挖基槽,利用河水水流冲刷和砂泵船抽砂进行基槽开挖。
作为本发明优选地,在陆地上设置调压井连接管道,若调压井到海岸的距离满足出运槽长度,则陆域基槽直接作为出运槽;若调压井到海岸的距离无法满足开挖出运槽长度,则在调压井旁侧重新开挖一条出运槽,出运槽与管道轴线之间具有夹角,出运槽连通基槽。
作为本发明进一步优选地,管道单元由若干管节依次焊接而成,管道由若干管道单元吊运至出运槽后,一边拖运一边焊接而成。
作为本发明优选地,钢板桩朝向深海段的端部设有导向装置,钢板桩上的拖运装置的缆绳绕过导向装置后反向连接在管道的管头。
作为本发明优选地,管道的端部设有盲板,盲板与管道端部法兰盘通过螺栓连接,盲板上部设有气阀,下部设有水阀,气阀和水阀均用于管道灌水沉放。
作为本发明优选地,对于连接起点位于浅滩段基槽中的深海段管道,先用钢板桩上的拖运装置牵引出运管道至钢板桩外海一端,然后利用方驳继续牵引出运管道,钢板桩上的拖运装置连接管道作为溜尾。
作为本发明优选地,基槽成型后先进行垫层抛填,再沉放管道,然后依次进行回填砂、碎石层和块石层的回填。
第二方面,本发明提供了一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,用于如以上任一项所述的浅滩段海底管道安装方法的参数设计,该安装参数设计方法包括以下步骤:
获取计算参数,包括管道的屈服强度、许用强度、内径、壁厚和长度,管道施工工况风荷载、流荷载、波高、周期;
根据计算参数计算出管道的最大水流力,然后配置拖运装置的牵引力;
根据计算参数计算吊车起吊管道管尾的吊点位置以及起吊动力;
根据计算参数建立管道的有限元模型,模型中用非线型弹簧模拟海水浮力,竖向均布荷载模拟灌水荷载,管道两端采用铰支约束,采用牛顿迭代法进行求解,分析管道沉放深度。
采用本发明所述的一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,通过管道的计算参数能够计算出其最大水流力和管尾的吊点位置,匹配相应的牵引力和起吊动力,通过管道的计算参数建立有限元模型,分析出管道灌水过程的线性和最大应力的变化,匹配出管道在水面上灌水下沉时的单次最大下沉深度,该方法步骤简单,效果良好,能够精确指到浅滩段海底管道的安装。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本发明所述的一种浅滩段海底管道安装方法,通过在浅滩段设置施工便道,利用施工便道使用工程机械作业在浅滩段设置钢板桩和成型管道安装基槽,在基槽中利用海水浮运管道,利用拖运装置牵引及溜尾管道,利用吊带和吊车将管道抬离水面对接,利用灌水保持管道稳定对接及后续沉放,钢板桩同时作为基槽的支护、部分拖运装置的安装基础以及管道抬离水面的锚固器,该方法能够有效开展浅滩段海底管道安装,解决浅滩段施工船舶无法作业的问题,该方法步骤简单,操作方便,效果良好;
2、本发明所述的一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,通过管道的计算参数能够计算出其最大水流力和管尾的吊点位置,匹配相应的牵引力和起吊动力,通过管道的计算参数建立有限元模型,分析出管道灌水过程的线性和最大应力的变化,匹配出管道在水面上灌水下沉时的单次最大下沉深度,该方法步骤简单,效果良好,能够精确指到浅滩段海底管道的安装。
附图说明
图1为浅滩段海底管道的安装示意图;
图2为双排钢板桩结构断面的示意图;
图3为基槽开挖断面的示意图;
图4为出运槽的设置示意图;
图5为第一根管道的焊接和出运示意图;
图6为第二根管道的焊接和出运示意图一;
图7为第二根管道的焊接和出运示意图二;
图8为卷扬机导向安装示意图;
图9为挂耳和吊耳的安装示意图;
图10为盲板的结构示意图;
图11为第一根管道的管头吊离水面的示意图;
图12为第二根管道和第一根管道对接的示意图;
图13为第三根管道和第二根管道对接的示意图;
图14为管道回填示意图;
图15为500m长管道模型前端25m入水的应力云图;
图16为500m长管道模型前端25m入水的垂向位移云图;
图17为500m长管道模型前端50m入水的应力云图;
图18为500m长管道模型前端50m入水的垂向位移云图;
图19为500m长管道模型前端100m入水的应力云图;
图20为500m长管道模型前端100m入水的垂向位移云图;
图21为500m长管道模型前端200m入水的应力云图;
图22为500m长管道模型前端200m入水的垂向位移云图;
图23为500m长管道模型前端300m入水的应力云图;
图24为500m长管道模型前端300m入水的垂向位移云图;
图25为500m长管道模型前端400m入水的应力云图;
图26为500m长管道模型前端400m入水的垂向位移云图;
图27为500m长管道模型前端450m入水的应力云图;
图28为500m长管道模型前端450m入水的垂向位移云图;
图29为500m长管道模型前端490m入水的应力云图;
图30为500m长管道模型前端490m入水的垂向位移云图。
图中标记:1-管道,2-第一施工便道,3-单排钢板桩,4-第二施工便道,5-双排钢板桩,6-牛腿,7-围檩,8-横撑,9-调压井,10-出运槽,11-第一卷扬机,12-第二卷扬机,13-导向装置,14-挂耳,15-吊耳,16-盲板,17-气阀,18-水阀,19-吊带,20-吊点,21-方驳,22-垫层,23-回填砂,24-碎石层,25-块石层。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
如图1至图14所示,本发明所述的一种浅滩段海底管道安装方法,包括以下步骤:
步骤一、由陆域向海域浅滩段设置施工便道。
A1、如图1所示,使用二片石沿管道1轴线平行位置从陆地推填一条第一施工便道2,第一施工便道2坡脚线与管道1轴线的偏移量为1.5m,第一施工便道2顶宽5m,第一施工便道2的长度根据当地浅滩段水深决定,一般在100m以内,第一施工便道2可允许PC300挖机等重型设备通行。
A2、如图1所示,采用充填砂袋加吨袋相结合的方式进行第二施工便道4的推填,其中充填砂袋采用小型砂泵船就地取砂,充填完成之后砂袋作为第二施工便道4的底层,砂袋上部铺设0.5m3的吨袋作为第二施工便道4的顶层,吨袋上部铺填一层30cm厚的中粗砂,整平碾压之后设备即可通行,第二施工便道4顶宽5m,第二施工便道4延伸至浅滩段与深海段分界处。
在一个具体的实施方式中,施工便道也可全部采用袋装砂石在浅滩段海域上推填的第二施工便道4。
步骤二、钢板桩施打。
B1、如图1所示,考虑到第一施工便道2坡脚位置部分石料已滑落至管道1基槽位置,故可以仅在基槽的另一侧与管道1轴线偏移4.5m的距离施打单排钢板桩3,即第一施工便道2和单排钢板桩3分别位于基槽的两侧。
B2、如图1所示,在施工第二施工便道4的同时施打双排钢板桩5,双排钢板桩5的间距为3m,分别与管道1轴线的距离为1.5m,如图2所示,双排钢板桩5内侧顶部焊接牛腿6和工字钢围檩7,两侧的围檩7之间焊接横撑8,横撑8采用400mm钢管,横撑8沿双排钢板桩5长度方向间距8m布设,横撑8用于双排钢板桩5的支护。
其中,单排钢板桩3和双排钢板桩5采用1台挖掘机配480型液压振动锤进行施打,单排钢板桩3和双排钢板桩5插打按标高控制,桩顶标高控制在+2.5m左右,偏差控制在5cm范围内,最小入土深度为5.2m;在施打过程中,全程检测其垂直度和标高;先用夹桩器将单排钢板桩3和双排钢板桩5吊至插桩点进行插桩,插桩时,锁口需对准,要求无缝隙;在打桩过程中,为保证垂直度,测量人员从两个方向加以控制,防止打桩过程中,桩发生偏移。
步骤三、基槽开挖,基槽位于水下。
C1、在第一施工便道2上利用长臂挖机沿管道1轴线开挖基槽,开挖时控制开挖纵断面深度,坡比1:16,基槽开挖全部考虑超深0.6m,基槽宽度为3m。
C2、如图3所示,在第二施工便道4上利用长臂挖机沿管道1轴线开挖基槽,开挖时控制开挖纵断面深度,基槽开挖全部考虑超深0.6m,基槽宽度为3m,开挖上岸的疏浚料采用装载机进行转堆。
C3、如图1所示,对于河流入海口,由于通航需求,因此河口处的基槽无法采用钢板桩支护开挖,需要利用河水水流冲刷和砂泵船抽砂进行基槽开挖,基槽底宽为3m。
在一个具体的实施方式中,如图1所示,采用第一施工便道2施工至河口的一侧,河口的另一侧采用第二施工便道4,即第一施工便道2与第二施工便道4不连接。
在一个具体的实施方式中,由于河流入海口水流急、泥沙冲刷量大,河口两侧的钢板桩端部均再延伸一段,用于挡砂,如图1所示,延伸段与主体段呈折线设置;延伸段可采用向外的喇叭口设置,具体可根据水文条件设置。
步骤四、垫层22抛填。
基槽开挖完成之后,进行垫层22抛填施工,垫层22石料为二片石,垫层22厚度为600mm,第一施工便道2和第二施工便道4所对应的基槽利用挖掘机进行垫层22抛填,河口处基槽利用水上挖机进行垫层22抛填。
步骤五、管道1的焊接和出运,均需选在低潮位窗口期进行。
D1、单根管节最大长度为12m,管节规格为DN1000×16mm,其重量约为4.8t,在管道焊接区将3节12m长管节焊接成36m长管道单元,每单元重量约14.4t,采用PC550挖掘机及PC349挖掘机配合组装,然后将管道单元转运至堆存区。
D2、如图4所示,根据现场实际情况,调压井9已施工完成,调压井9连接管道1,调压井9起到调节管道1压力的作用,若调压井9到海岸的距离无法再满足开挖出运槽10的长度,则考虑在调压井9旁侧重新开挖一条长80m的出运槽10,出运槽10边线距离调压井9外壁1m(避免开挖到调压井9基础),出运槽10与管道1轴线夹角约4°(tan4°=1/16,可以满足管道1弯曲半径要求);若调压井9到海岸的距离满足开挖出运槽10的长度,则陆域基槽直接作为出运槽10;出运槽10宽度为3m,出运槽10端部连通基槽,开挖深度纵向坡比1:16,可以满足管道1平顺出运;堆存区存放的管道单元吊运至出运槽10中,然后通过出运槽10送至基槽。
D3、管道1出运采用挖机配合卷扬机出运的方式进行,卷扬机至少布置两台,本实施例从节约工程开支的目的出发,介绍仅设置两台卷扬机的方案;第一卷扬机11设置在调压井9处,第一卷扬机11需要提前预制混凝土基础,并将基础提前埋设,基础尺寸为3.5m×3m×1.5m,具体尺寸可根据第一卷扬机11型号调整,基础中预埋钢板用于第一卷扬机11的锚固;第二卷扬机12架设于双排钢板桩5上部,需要在双排钢板桩5上部焊接工作平台,第二卷扬机12锚固于工作平台上;其中,第一卷扬机11和第二卷扬机12的缆绳若长度不够的情况下,可采用钢丝绳或者尼龙绳进行接长。
D4、如图5所示,以第一根管道1为例,其长度为408m,将第一节段36m的管道单元吊运设置到出运槽10后,由第二卷扬机12通过其缆绳连接管道单元管头,一边焊接第二节段管道单元,一边通过第二卷扬机12牵引拉向基槽下水,直至第一根管道1成型且完全下水,第一根管道1一端牵引至双排钢板桩5处,解除第二卷扬机12的牵引,第一根管道1另一端用于连接已安装旧管,将第一根管道1临时锚固在两侧的双排钢板桩5。
D5、如图6所示,以第二根管道1为例,其长度为432m,其成型方法与第一根管道1一样,第二卷扬机12通过其缆绳牵引管道单元管头、边焊接边下水,直至第二根管道1成型且完全下水,下水时将第二根管道1管尾与第一卷扬机11的缆绳连接,此时第二卷扬机12牵引第二根管道1的管头,第一卷扬机11进行溜尾,将第二根管道1沿基槽向前拖运。
D6、如图7所示,若管道1的管头到达第二卷扬机12安装位置,第二卷扬机12无法提供拉力,此时可在双排钢板桩5朝向深海段的最后一个横撑8上设置导向装置13,使第二卷扬机12的缆绳绕过导向装置13后反向连接在管道1的管头,导向装置13可以是设置在横撑8上的定滑轮,也可以是转动套设在横撑8上的滚筒,以此方式能够使第二卷扬机12继续向前牵引管道1,仍然是第二卷扬机12牵引管道1的管头,第一卷扬机11进行溜尾,直到将第二根管道1拖运到指定位置,解除牵引,将第二根管道1临时锚固在两侧的双排钢板桩5,等待对接。
需要注意的是,如图8所示,由于第二卷扬机12架设在双排钢板桩5顶部,第二卷扬机12的缆绳高于管道1顶标高,因此在第二卷扬机12出绳口处的横撑8上也设置一个导向装置13,图8中双排钢板桩5为简化画法。
其中,如图9所示,管道1的管头和管尾分别焊接有挂耳14,挂耳14焊接在管道1的两侧,挂耳14用于连接缆绳,使第二卷扬机12牵引管道1和第一卷扬机11对管道1溜尾,管道1的管头和管尾分别焊接有吊耳15,吊耳15焊接在管道1的顶部,沿管道1轴线间隔6m焊接四个吊耳15,吊耳15用于管头和管尾的抬高,或者作为抬高的备用。
如图10所示,管道1在下水前应该提前在端部安装盲板16,保证管道1在拖运过程中的密闭性,盲板16与管道1端部法兰盘通过螺栓连接,盲板16上部设有气阀17,下部设有水阀18,气阀17和水阀18均用于管道1灌水沉放;为防止管道1拖运过程中的碰撞对阀门造成破坏,需在阀门外侧焊接钢筋笼保护罩进行保护。
由于管道1密闭状态下漂浮在基槽的水面上,当潮位较低时,管道1焊接与出运可正常进行,当潮位较高时,管道1顶部与横撑8接触,此时管道1无法出运,因此管道1的焊接和出运均需选在低潮位窗口期进行。
步骤六、管道1的安装。
E1、如图11所示,使用吊带19环绕第一根管道1,将其管头吊高高出水面,吊带19连接在双排钢板桩5的横撑8上,相邻的至少三个横撑8共同吊高第一根管道1的管头,管尾通过第一卷扬机11溜尾;打开管头位置气阀17与管尾位置水阀18,第一根管道1开始灌水沉放,由于管头位置已高出水面并已固定于钢板桩顶部的横撑,当灌水到一定程度后,海水将无法再灌入第一根管道 1,剩余距管头位置约30m在水面以上,此时关闭水阀 18,第一根管道1呈S型曲线固定;图11中双排钢板桩5为简化画法。
E2、如图12所示,第二根管道1的管尾位置通过一台150t履带吊将管尾吊离水面,吊点20设置在距离管尾端部约16m的位置,从而使管尾自然下垂,尽可能达到水平状态,缓慢靠近第一根管道1的管头,第二根管道1的管头通过第二卷扬机12溜尾;图12中双排钢板桩5为简化画法。
采用两个5t手拉葫芦将第二根管道1拉合至第一根管道1端头吻合,打开两对接端盲板16更换垫片,再次调整待安装管道1端头位置对接法兰;人员靠近两管道1处进行对接施工,采用手拉葫芦挂住第一根管道1左右两侧的挂耳14,再系挂住第二根管道1左右两侧挂耳14,通过收紧手拉葫芦,将第一根管道1拉近贴合第二根管道1;贴合后迅速将长螺杆穿过法兰孔,长螺杆一端先锁上一颗螺丝,方便对接时拧紧,拧紧长螺杆的螺栓,再逐步从法兰盘低位向高位迅速插入剩余螺杆,孔位差基本消除后,履带吊慢慢下放管道1,逐步上紧螺栓,直至两管道1的法兰盘完全贴合,解除第一根管道1连接的吊带19,履带吊下放管道1至水中。
第二根管道1与第一根管道1对接完成后,将第二根管道1的管头20m抬起至水面,通过间隔的吊带19系挂于双排钢板桩5的横撑8上,打开第二根管道1管头盲板16上的气阀17和第一根管道1管尾的水阀18,第一根管道1起点位置灌水至大部分管道1灌水下沉,此时第一根管道1全部下沉,第二根管道1呈S型固定,等待下一次对接。
E3、第三根管道1长度为540m,按分段原则,其属于深海段管道1,但由于其起点位置仍处于浅滩段的双排钢板桩5的基槽中,为最大程度降低施工难度、减小施工风险,第三根管道1也考虑在双排钢板桩5内进行水面对接。
如图13所示,首先,深海段提前定位一艘5000t方驳21,用于管道1牵引出运,使用第二卷扬机12牵引出运第三根管道1沿基槽移动至双排钢板桩5外海一端,然后使用方驳21继续牵引出运第三根管道1,第二卷扬机12作为溜尾;出运到位后,方驳21上的卷扬机与第二卷扬机12分别将第三根管道1首尾固定,第三根管道1的管尾位置通过一台150t履带吊将管尾吊离水面,吊高高度根据潮位调整,吊点20设置在距离管尾端部约16m的位置,从而使尾端自然下垂,尽可能达到水平状态,缓慢靠近第二根管道1的管头,第三根管道1的管头通过方驳21溜尾;图13中双排钢板桩5为简化画法。
采用两个5t手拉葫芦将第三根管道1拉合至第二根管道1端头吻合,打开两对接端盲板16更换垫片,再次调整待安装管道1端头位置对接法兰;人员靠近两管道1处进行对接施工,采用手拉葫芦挂住第三根管道1左右两侧的挂耳14,再系挂住第二根管道1左右两侧挂耳14,通过收紧手拉葫芦,将第三根管道1拉近贴合第二根管道1;贴合后迅速将长螺杆穿过法兰孔,长螺杆一端先锁上一颗螺丝,方便对接时拧紧,拧紧长螺杆的螺栓,再逐步从法兰盘低位向高位迅速插入剩余螺杆,孔位差基本消除后,履带吊慢慢下放管道1,逐步上紧螺栓,直至两管道1的法兰盘完全贴合,解除第二根管道1连接的吊带19,履带吊下放管道1至水中。
第三根管道1与第二根管道1对接完成后,打开第三根管道1管头盲板16上的气阀17和第一根管道1管尾的水阀18,第一根管道1起点位置灌水将第二根管道1和第三根管道1全部下沉,灌水之前提前在第三根管道1管尾预留管尾起浮所需的气囊,等待第四根管道1的水上对接。
步骤七、管道1基槽回填。
如图14所示,管道1安装完成后,进行回填覆盖施工,先回填一层1700mm厚的回填砂23,再回填一层300mm厚的碎石层24,最后回填一层900mm厚的块石层25,第一施工便道2和第二施工便道4所对应的基槽利用挖掘机进行抛填,河口处基槽利用水上挖机进行抛填。
本实施例所述的一种浅滩段海底管道安装方法,通过在浅滩段设置施工便道,利用施工便道使用工程机械作业在浅滩段设置钢板桩和成型管道1安装基槽,在基槽中利用海水浮运管道1,利用拖运装置牵引及溜尾管道1,利用吊带19和吊车将管道1抬离水面对接,利用灌水保持管道1稳定对接及后续沉放,钢板桩同时作为基槽的支护、部分拖运装置的安装基础以及管道1抬离水面的锚固器,该方法能够有效开展浅滩段海底管道安装,解决浅滩段施工船舶无法作业的问题,该方法步骤简单,操作方便,效果良好。
实施例2
如图15至图30所示,本发明所述的一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,用于实施例1所述的一种浅滩段海底管道安装方法,该安装参数设计方法包括以下步骤:
步骤一、计算参数。
管道1采用钢管,屈服强度σ:235Mpa,许用强度[σ]=0.72σ=170Mpa,钢管内径1m,钢管壁厚16mm,钢管长度500m。
在分析中考虑最不利的荷载方向,即风浪流的方向为同一方向,均垂直于管道1轴线,由于钢管直径较小,长周期波主要体现透射和管段整体垂向运动幅度变大,但是水平力变小,计算时选择最小周期(此时波浪水平力最大),工况如下,风荷载:5.4m/s(三级风),流荷载:0.5m/s,波高:1m,周期5s。
步骤二、管道1拖带力分析。
由于基槽中有海水,管道1呈密封管节在基槽中用卷扬机漂浮拖运,参照港口工程荷载规范,考虑拖运速度为1节(0.514m/s),管道1水流力计算公式为:
Figure BDA0004028036050000111
C=0.046Re-0.134+b
Figure BDA0004028036050000112
其中,Fc为水流力标准值;C为水流阻力系数;ρ为海水密度;b为挡水面宽度;D为管道1直径;v为流体粘性系数;V为水流速度;S为管道1吃水线以下的面积;Re为雷诺数。
代入各项数值,计算出管道1的最大水流力为18.277kN,拖运牵引力考虑2倍安全系数,则管道1拖运牵引力为3.7t,则第一卷扬机11、第二卷扬机12的牵引力应大于或者等于3.7t。
步骤三、管道1抬高吊点20选择位置分析。
根据管道1允许的1000D曲率半径可知,管道1的管头每抬高1m约有16m范围的管道1受影响,故将管头抬离水面1m,将有32m管道1被抬起,所需吊重约为12.8t,履带吊位于第二施工便道4外侧起吊,跨距约10m,根据履带吊性能参数可知吊重满足需求,起吊钢丝绳选用30mm直径,考虑6倍安全系数可起吊10t,呈U型起吊可起吊20t,满足使用要求。
步骤四、管道1沉放深度分析。
管道1灌水沉放过程中,管道1会发生大变形,属于几何非线型问题,若单次下沉深度过大,管道1应力可能超限,发生塑性变形,因此需要分析管道1单次沉放最大深度。
采用Midas软件建模,建立500m长管道1模型,将海水浮力模拟为非线型弹簧,灌水荷载模拟为竖向均布荷载,管道1两端采用铰支约束,采用牛顿迭代法进行求解,输出结果如下:
工况1:管道1前端25m入水,其应力云图如图15所示,垂向位移云图如图16所示。
工况2:管道1前端50m入水,其应力云图如图17所示,垂向位移云图如图18所示。
工况3:管道1前端100m入水,其应力云图如图19所示,垂向位移云图如图20所示。
工况4:管道1前端200m入水,其应力云图如图21所示,垂向位移云图如图22所示。
工况5:管道1前端300m入水,其应力云图如图23所示,垂向位移云图如图24所示。
工况6:管道1前端400m入水,其应力云图如图25所示,垂向位移云图如图26所示。
工况7:管道1前端450m入水,其应力云图如图27所示,垂向位移云图如图28所示。
工况8:管道1前端490m入水,其应力云图如图29所示,垂向位移云图如图30所示。
通过图15至图30可知,在管道1灌水初期,管道1线型呈现J形,最大应力146MPa;当管道1灌水100m长后,管道1开始呈现S形,灌水100m-400m范围内,管道1轴线始终保持为S形轴线,最大应力145MPa,与灌水初期最大应力相似;当灌水长度超过400m时,管道1轴线又呈现J形,随着灌水长度增加,最大应力增加至165Mpa;因此,对于直径1m,厚度16mm,长度500m的钢管,管道1在水面上灌水下沉时,单次最大下沉深度为5m。
本实施例所述的一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,通过管道1的计算参数能够计算出其最大水流力和管尾的吊点位置,匹配相应的牵引力和起吊动力,通过管道1的计算参数建立有限元模型,分析出管道1灌水过程的线性和最大应力的变化,匹配出管道1在水面上灌水下沉时的单次最大下沉深度,该方法步骤简单,效果良好,能够精确指到浅滩段海底管道1的安装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,包括以下步骤:
由陆域向海域浅滩段设置施工便道,使用施工便道在管道(1)安装轴线两侧的至少一侧施打钢板桩,以及开挖管道(1)安装基槽,基槽位于水下,陆域部分设置有出运槽(10),出运槽(10)用于放置管道单元;
在基槽海侧方向设置拖运装置,拖运装置固定于钢板桩顶部,钢板桩上的拖运装置连接出运槽(10)中的管道单元的管头,拖运管道单元的同时焊接新的管道单元连接被拖运的管道单元的管尾,直至焊接成型管道(1),管道(1)的端部为法兰且密封设置,管道(1)被拖运至基槽中漂浮,在后方陆域设置拖运装置,当单根管道(1)焊接完成并全部下水后,连接管道(1)的管尾,钢板桩上的拖运装置牵引管道(1)沿基槽移动,后方陆域的拖运装置溜尾;
通过吊带(19)将一根管道(1)的管头提升并固定于钢板桩顶部的横撑,使管道(1)管头抬离水面,管道(1)管尾灌水下沉至管道(1)保持稳定后停止灌水,用吊车起吊另一根管道(1)的管尾,使管道(1)的管尾抬离水面,拉合一根管道(1)的管头法兰和另一根管道(1)的管尾法兰相连接,对接完成后吊车下放相连的两根管道(1),通过吊带(19)将另一根管道(1)的管头提升并固定于钢板桩顶部的横撑,并灌水至管道(1)保持稳定,重复步骤使所有管道(1)依次连接;
管道(1)沉放至基槽后,进行基槽回填。
2.根据权利要求1所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,施工便道包括第一施工便道(2)和第二施工便道(4),第一施工便道(2)从陆地推填,第二施工便道(4)采用袋装砂石在浅滩段海域上推填,第一施工便道(2)和第二施工便道(4)均沿基槽旁侧设置,第二施工便道(4)与第一施工便道(2)不相连;
或者施工便道全部采用袋装砂石在浅滩段海域上推填的第二施工便道(4)。
3.根据权利要求2所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,第一施工便道(2)对应的基槽的另一侧施打单排钢板桩(3),第二施工便道(4)对应的基槽施打双排钢板桩(5),双排钢板桩(5)之间为基槽。
4.根据权利要求2所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,若浅滩段具有河流出海口,出海口处不设置施工便道,且出海口的一侧为第一施工便道(2)、另一侧为第二施工便道(4),出海口处无法采用钢板桩支护开挖基槽,利用河水水流冲刷和砂泵船抽砂进行基槽开挖。
5.根据权利要求1所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,在陆地上设置调压井(9)连接管道(1),若调压井(9)到海岸的距离满足出运槽(10)长度,则陆域基槽直接作为出运槽(10);若调压井(9)到海岸的距离无法满足开挖出运槽(10)长度,则在调压井(9)旁侧重新开挖一条出运槽(10),出运槽(10)与管道(1)轴线之间具有夹角,出运槽(10)连通基槽。
6.根据权利要求1所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,钢板桩朝向深海段的端部设有导向装置(13),钢板桩上的拖运装置的缆绳绕过导向装置(13)后反向连接在管道(1)的管头。
7.根据权利要求1所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,管道(1)的端部设有盲板(16),盲板(16)与管道(1)端部法兰盘通过螺栓连接,盲板(16)上部设有气阀(17),下部设有水阀(18),气阀(17)和水阀(18)均用于管道(1)灌水沉放。
8.根据权利要求1所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,对于连接起点位于浅滩段基槽中的深海段管道(1),先用钢板桩上的拖运装置牵引出运管道(1)至钢板桩外海一端,然后利用方驳(21)继续牵引出运管道(1),钢板桩上的拖运装置连接管道(1)作为溜尾。
9.根据权利要求1-8任一项所述的浅滩段海底管道安装方法,其特征在于,基槽成型后先进行垫层(22)抛填,再沉放管道(1),然后依次进行回填砂(23)、碎石层(24)和块石层(25)的回填。
10.一种浅滩段海底管道安装参数设计方法,其特征在于,用于如权利要求1-9任一项所述的浅滩段海底管道安装方法的参数设计,该安装参数设计方法包括以下步骤:
获取计算参数,包括管道(1)的屈服强度、许用强度、内径、壁厚和长度,管道(1)施工工况风荷载、流荷载、波高、周期;
根据计算参数计算出管道(1)的最大水流力,然后配置拖运装置的牵引力;
根据计算参数计算吊车起吊管道(1)管尾的吊点位置以及起吊动力;
根据计算参数建立管道(1)的有限元模型,模型中用非线型弹簧模拟海水浮力,竖向均布荷载模拟灌水荷载,管道(1)两端采用铰支约束,采用牛顿迭代法进行求解,分析管道(1)沉放深度。
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