天然气管道河流穿越方案的设计.pdf

第 4 3卷第 1 2期 2 0 1 4 年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o ] ． 4 3 ． N o ． 1 2 D e c e mb e r ，2 0 1 4 天然气管道河流穿越方案的设计 杨欧修 ，于丽丽 中石化天然气分公司广西液化天然气工程项 目部， 广西 北海 5 3 6 0 0 0 摘 要 从总体上阐述了天然气管道河流穿越方案的选择原则 ，穿越工程设计原则，穿越位置选择原则 ， 穿越方式的选择原则 ，河流穿越方案的设计步骤。总结了长输管道河流穿越的几种主要形式，分析了大开挖穿 越，定向钻，顶管穿越，这几种河流穿越方案的适用条件，并结合工程实例 ，论述了定向钻穿越方法在工程中 的应用 。 关键词 天然气管道 ；河流穿越；设计方案 中图分 类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 41 2 2 6 0 6 0 3 De s i g n o f t he Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne Cr os s i n g Ri ve r Pr o g r a m Y4 NG Ou - x i u， YU Li ． 1 i S i n o p e c G a s B r a n c h G u a n g x i L NG E n g i n e e ri n g P r o j e c t ， G u a n g x i B e i h a i 5 3 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p ri n c i p l e t o s e l e c t g a s p i p e l i n e fi v e r c r o s s i n g p r o g r a m wa s i l l u s t r a t e d ， d e s i g n p rin c i p l e o f c r o s s i n g r i v e r e n g i n e e r i n g wa s l i s t e d ， p r i n c i p l e s o f s e l e c t i n g t h e c r o s s i n g p o s i t i o n a n d wa y we r e i n t r o d u c e d ，d e s i g n s t e p s o f r i v e r c r o s s i n g p r o g r a m wa s i l l u s t r a t e d ， t h e ma i n t y p e s o f c r o s s i n g r i v e r o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e i n c l u d i n g l a r g e e x c a v a t i o n c r o s s i n g ， d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a n d p i p e j a c k i n g c r o s s i n g we r e s u mma ri z e d ， T h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s o f s e v e r a l k i n d s o f r i v e r c r o s s i n g p r o j e c t s we r e a n a l y z e d a n d s u m ma r i z e d ， c o mb i n e d wi t h e n g i n e e ri n g e x a m p l e s ． E n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f t h e d i r e c t i o n a l d r i l l i n g me t h o d wa s d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s p i p e l i n e ； C r o s s i n g ri v e r ； De s i g n p r o g r a m l天然气管道穿越工程设计原则 1天然气管道穿越工程设计应遵循 国家及 行业 、企业现行有关设计标准及规范； 2对 于大 中型穿越工程 ，根据输气管道线 路总体走向及自然条件确定和调整管道穿越位置， 穿越工程与线路工程的应做好衔接，为确保输气管 道和地方建设 的协调发展 ，需协调好穿越工程与河 流 、铁路 、公路 、城市及水利规划 的相互关系 ； 3 管道穿越位置的选定应符合城市、 交通、 河道 、航道等相关部 门的法规及规划 ； 4应根据水文 、地质 、地形 、水土保持 、 环境 、气象 、交通 、施工及管理条件进行技术经济 论证确定大 中型穿越] 二 程的位置与方案⋯ ； 5优化设计方案 ，确定合理的穿越位置及 最优穿越结构型式 ； ． 6采用先进 、成熟的技术 ，吸收国内外新 的技术成果 ，做到技术先进 ，施工简便 ，经济合理 ， 安全适用 ； 7 河流大 中型穿越工程的各项措施应征得 河道、航道管理部 门的同意 ，不得影响排洪疏浚和 航道通行 ，不得损坏大堤口 ； 8河流大中型管道穿越设计方案必须取得 河流主管部 门同意 ； 9穿越管段位于地震基本烈度 7度及 7度 以上地 区时 ，应进行抗震设计。 2 天然气管道穿越位置选择原则 1 穿越位置选择应与线路总走 向相一致 ， 因 自然条件限制 ，穿越 困难地段 ，可以根据穿越位 置调整线路局部走向 ； 2 穿越位置应符合该水域的总体规划要求 ， 穿越位置 、穿越方式必须报经穿越水域主管部门同 意 ，由建设单位与该部 门签署的具有法律效能的协 议 ； 3穿越位置宜选在水流平缓 、河面较窄 、 河水主流线摆动不大的顺直河段上 ；应避开冲沟沟 头发育地段 ； 4 穿越位置应尽量避开灾害性地质地段 如 活动地震断裂带 、滑坡 、岩溶等 ， 选择在河段 的变 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 0 2 作者简介 杨欧修 1 9 7 7 一 ，男，湖北荆门人，工程师，2 0 0 8年毕业于长江大学油品储运专业，研 究方向从事天然气行业管理。E - m a i l ya n g o x 1 2 6 ．c o m。 第 4 3卷第 1 2期 杨欧修，等天然气管道河流穿越方案的设计 2 6 0 7 迁运动历史清楚，河床面平坦，冲淤变化小，地质 构成较为单一 ，两岸漫滩开阔，岸坡宜呈倾斜状且 稳定耐冲刷处 ； 5穿越位置宜选择在交通和施工场地条件 良好 ，干扰小 ，能满足施工方法 中所需要 的施工场 地 的要求 ； 6穿越河段应选择 在闸坝上游 或其他水工 构筑物影响区之外 ； 7穿越管 段和 穿越水 域 中或 附近 已建建 构 筑物之间的距离应符合有关规范和安全规定 要求 ； 8 穿越工程建成后，应不会降低该水域的 防洪标准，不会影响抗洪救灾措施，同时也不会引 起河势的变化 ，不会影响已规划堤防的安全 ； 9管道穿越位置与港 口、码头 、水下建筑 物或引水建筑物之间的距离不得小于 2 0 0 m； 1 0 管道穿越位置不宜选在河道经常疏浚加 深、岸蚀严重或侵滩冲淤变化强烈地段； 1 1 穿越管段应垂直于水流轴 向；如要斜交 时 ，交角不宜小于 6 0 。 ； 1 2管道穿越铁路 、公路应避开石方区、高 填方区、路堑 、道路两侧为同坡 向的陡坡地段 ； 1 3 管道严禁在铁路站场、有值守道口、变 电所、隧道和设备下面穿越。 3 常见河流穿越方案 目前 ，天然气长输管道河流穿越方式主要有大 开挖穿越 、定 向钻穿越 、顶管穿越 、钻爆法隧道穿 越和盾构法隧道穿越等口 。 3 ． 1 大开挖穿越河流 大开挖穿越河流 的方式是将 天然气管道埋置 于河床稳定层 内的穿越敷设方式 ，目前 ，它在 国内 外 的管道穿越 的设计施工 中因技术成熟 ，投资省得 到了广泛运用 。一般根据河流地形 、水文和地质条 件 、和施工设备等因素选择开挖方式 。大开挖敷设 穿越方式埋深浅容易受到通航船舶抛锚 、 河道冲刷 、 挖砂 的破坏 ，所 以大开挖穿越方案适用于季节性河 流 ，中小型河流 的穿越 、人工干渠 、水塘等 ，对于 大型河流及管道通过 的较深的水塘 ，一般采取配重 块稳管或混凝 土连续覆盖的措施保证洪水期管线抗 冲刷、不漂浮，对已干涸的河流采用直接大开挖的 方法施工，对已断流但仍存大量积水的河流、水塘 和沟渠，一般采取围堰截流排水方法施工，对冬季 不断流的河流 ，一般采用围堰导流渠导流的方法进 行施工 ，对有的穿越点处有岩石无法开挖导流沟 ， 一 般采用围堰导水的方法进行施工。 对于穿越长江 、 黄河等水流量大、通航量大的大型河流时，因其工 程量大 ，难度高， 难 以保证工程质量 ，一般不予 以考 虑大开挖穿越方式 。 3 ． 2 定 向钻穿越河流 定 向钻穿越河流即通过计算机控制进行导 向和 探测 ，按照设计 曲线 的轨迹 ，采用定 向钻技术先钻 一 个导 向孔 ，在钻杆端部接大直径的扩孔钻头和已 组装好 的管道用于扩孔和回拖 ，完成管线穿越 的施 工过程 。对于具有较为稳定的地层 ，适宜黏土 、亚 黏土 、 砂质河床 ， 有足够的材料堆放和回拖的场地 ， 同时有专业的定向钻穿越施工队伍的情况，采用定 向钻穿越河流的方式既经济实用又安全可靠，随着 定 向钻穿越技术和设备 的不断发展与完善 ，定 向钻 已能穿越中等硬度的泥岩 、砂岩等岩质地层以及超 厚卵石层 ，且穿越长度 以及穿越管径不断加大口 。 3 ． 3 顶管穿越河流 顶管穿越河流是继盾构 、定 向钻施工之后发展 起来的一种地下管道暗挖式施工方法 ，在施工时， 通过传力顶铁和导向轨道 ，用支承于基坑后座上的 液压千斤顶将管压入土层 中，同时挖除并运走管正 面的泥土，当第一节管全部顶人土层后，接着将第 二节管接在后面继续顶进 ， 这样将一节节管子顶人 ， 作好接 口建成涵管 ，对松散 、黏土、软弱地层 比较 适用 。按工作面开挖方式 的不 同可将顶管法分为普 通顶管 人工开挖 、机械顶管 机械开挖 等 ，在 大型河流中顶管法穿越方式应用比较少 。 4 河流穿越方式的选择原则 河流穿越方式主要为大开挖、 定向钻、顶管等 穿越方式。穿越方式的选择应该根据地形地貌 、水 文、 地质、 环境、 交通运输等多方面因素综合分析， 以确保天然气管道安全为第一前提 ，在施工工期满 足整个工程要求 的前提下 ，应尽量选择投资低 、施 工简单的穿越方式。一般情况下 ，管道穿越方式要 优于跨越方式 ，主要是 由于管道埋人地下 ，受环境 影响小 ，安全性好 ，节省投资 ，施工期短 ，施工技 术难度小 ，有利于维护和管理等优点 ，在工程实践 中，大多采用穿越方式通过天然或人工障碍物。 5 穿越方案的设计步骤 1 确定穿越位置及概况 ； 2确定场地 自然地理概况 ，包括地形地貌 和河流概况及水文条件 ； 3穿越处地质条件 ，包括地层情况和各层 化 工 2 0 1 4年 l 2月 情况物理力学指标和岩土参数 ； 4场地稳定性 ，包括河床和岸坡稳定性评 价和河床冲刷深度 ； 5场地地震效应 ； 6穿越方案 比选 ； 7穿越方案设计 ； 8穿越设计 图纸 。 6 工程实例 某运河勘察区属平原河谷地貌 ，平坝地形 ，地 形平缓开阔， 起伏不大， 穿越段运河宽约 3 2 m， 水 面宽也大约 3 2 m，水深 2 r n ，河道内无采石挖砂现 象 ，河床未受扰动，河床稳定性较好 。拟穿越段位 于运河缓弯处，运河宽约 4 5 m， 呈对称的 “ u ”型， 水面宽约 3 2 m，水深约 2 ． 5 m，河内质为粉质粘土 夹细一 砾砂 。穿越段总体地势东部略高 ，西部稍低 ， 东侧最高 5 0 ． 9 6 m，西侧最高 4 9 ． 6 0 m，两侧大堤坡 角约 3 0 。 ，大堤下部为砼结构护壁 ， 上部为土质岸 坡 。东侧大堤为林地 ， 高出水面约 3 ． 4 m；西侧岸坡 为水泥公路 ，高出水面约 4 ． 6 m。拟穿越段上游约 7 0 m处为兰海高速跨河大桥，下游约 3 0 0 m处 有小型桥梁连接两岸， 最高水位高程为 4 3 ．4 3 m， 勘 察期间实测河水流速 0 ． 0 3 2 m ／ s ，定 向钻方式穿越也 必须从运河底部较深位置实施 ， 无需计算冲刷深度， 场地土类型为中软土 ，场地类别为 Ⅱ类 ，为对建筑 抗震一般地段。地震动反应谱特征周期为 0 ． 3 5 S ， 地震动峰值加速度为 0 ． 0 5 g ，区内建筑抗震设防烈 度为 6 。。 6 ． 1 穿越方案比选 根据现场实际情况 ，考虑在顶管穿越和定 向钻 穿越 2种穿越方式 比选 。 6 ． 1 ． 1 大开挖穿越河流 大开挖穿越河流是通过施工机具在河道 开挖 一 定深度的管沟 ，将管道埋置于河床稳定层 内，并 辅以一定稳管措施的的穿越敷设方式 ，大开挖穿越 方案适用于季节性河流 ，在枯水季节可直接开挖管 沟或采用导流明渠、 围堰导流等施工措施进行敷设。 由于运河为北海市重要 的生活 和工业用水水 源工 程 ， 采用开挖方式势必对水源产生较大影响 ， 因此 ， 不推荐大开挖方式 。 6 ． 1 ． 2 定 向钻穿越河流 定向钻穿越 目 前在国内也得到了广泛的运用， 它具有施工人员少 、占地省、工期短 、效率高 ，不 受季节 、天气影响 ，自然环境影响小等诸多优点。 而运河两岸场地较为开阔，且交通方便 ，且不会对 河道产生影响 ，较适合定 向钻穿越 ，因此 ，推荐采 用定向钻方式运河。 6 ． 2 定向钻穿越设计 6 ． 2 ． 1 定向钻穿越出入土点 入土点运河东侧耕地 中，临近水泥路 ，交通条 件较好 。利于设备进场 ；出土点位于运河西岸穿越 点位于耕地中，附近为大片农 田，利于管线运输及 回拖 。 6 ． 2 ． 2 定 向钻穿越 曲线 穿越管段的出、入土角根据穿越地形、地质条 件和穿越管径的大小确定 ，管线定向钻人土角为 8 。， 出土角为 5 。， 穿越管段的曲率半径为 1 5 0 0 D D --4, 1 3 mm 。 6 ． 2 ． 3 定向钻径向屈 曲失稳计算 穿越管径为 8 1 3 X 1 7 ．5 ， 根据 油气输送管道 穿越工程设计规范 G B 5 0 4 2 3 2 0 0 7 的相关规定 ， 穿越管段 回拖在扩孔 回拖时 ，应核算空管在泥浆压 力作用下的径向屈曲失稳 。按下列公式进行核算 F d P y ． 【 1 一 { 6 脚 l 警 。 旦 ， Y o ， P 一 2 E s D 3 2 2 一1 一“ 式 中尸 一泥浆压力，可按 1 ． 5倍泥浆静压力或 回拖施工时的实际动压 力选取，MP a ； 一 钢管屈服强度， MP a ； 一 穿越管段设计系数 ，地区等级为二类 ，按 0 ． 6 选取； P ” 一穿越管段所能承受的极限外压力，MP a ； 广 _钢管弹性变形临界压力， MP a ； 钢管弹性模量； 一 钢管壁厚，m m； D一钢管外径 ，ra i n ； 一 泊桑 比，0 ．3 ； 一 钢管椭圆度 ，％。 6 ． 2 ． 4 定 向钻穿越 出入土点 穿越管径为 4,8 1 3 X 1 7 ． 5 ，穿越管段回拖时 ， 最 大回拖力采用下式 计算 p L f g l 2- 7 ．8 5 D I ,tD L X g 3 L 叶 式中F 一管道回拖力，k N； 三 一穿越长度，m； 户 摩擦系数，取 0 1 ～ 0 ．3 ； y 一泥浆重度，1 ． 1 5 ～ 1 ．2t ／ m ； K一粘滞系数，0 ． 0 1 ～ 0 ． 0 3 。 经计算，F 4 2 1 ． 3 8 k N。 根据 油气输送管道穿越工程设汁规范G B 5 0 4 2 3 - 2 0 0 7 ，最大回拖力按照取计算值的 1 ． 5 3 倍考虑，本 次计算最大回拖力按照取计算值的 2 倍考虑， 经计算 ， 本穿越管段最大回拖力为 8 4 2 ． 7 6 k N。 下转第2 6 1 1 页 第4 3 卷第1 2 期 刘 军对比国内外油气管道高后果区标准 2 6 1 l 系的同时，还应 当重点加强管道完整性管理的理念 宣传与教育工作 。无论从管道公司的技术硬环境还 是从社会公众意识的软环境 ，都应努力做好相应工 作 ，只有这样 ，才能得到真正意义上 的油气管道的 安全运行。 2 为了建立符合我国油气管道现状和城市燃 气管道工程实际情况的风险评价体系，国内管道公 司应努力做好收集和整理油气管道相关的信息和数 据工作 ，以此作为实施管道完整性管理的基础环节。 3尽可能加快我 国油气管道保护的立法进 程 了，此举有助于明确政府 、社会和企业三方在油 气管道完整性管理上的责任及义务。 4 我国管道完整性管理技术的发展必须充分 结合国内政治 、经济 、社会和文化 的客观实际，绝 对不可生搬发达国家已有的技术标准和管理模式 。 5国家和相关单位应从 占领 国内油气管道 安全保护技术市场 的战略全局出发 ，高度重视对在 役油气管道结构安全评价方法 、性能检测工具和完 整性管理技术等方面的技术攻关 ，加大经费的投入 力度 ，集中力量整合 国内研究力量。 参考文献 [ I ] 曹斌， 廖柯熹， 罗敏，等． 川渝地区管道高后果区第三方破坏因素 分析【 J J ．天然气与石油， 2 0 1 1 ， 2 9 2 1 2 1 4 ． [ 2 ] 王福众，帅健．输油管道完整性管理体系及其应用fJ ] ． 焊管， 2 0 1 3 1 2 2 3 - 2 6 ． [ 3 ] 董绍华， 王联伟，费凡， 等．油气管道完整性管理体系【 J 】． 油气储 运， 2 0 1 0 ， 2 9 9 6 4 1 6 4 7 ． [ 4 ] 税碧垣， 艾慕阳， 冯庆善．油气站场完整性管理技术思路『J 1 ． 油气 储运， 2 0 0 9 ， 2 8 7 1 1 - 1 4 ． 1 5 J C h e n L ， Z h a n g P ， M a J ． T h e ma n a g e m e n t d a t a b a s e p l a t f o r m c o n s t r u c t i o n f o r h i g h c o n s e q u e n c e a F e a s H C A s o f o i l ／ g a s p i p e l i n e s [ C ] ． I n f o rma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r in g I C I S E ， 2 0 1 0 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n ． I EE E． 2 01 0 4 7 9 5 4 7 9 8 ． [ 6]马伟平，贾子麒，赵晋云， 等． 美国油气管道法规和标准体系的管 理模式【 J ll 油气储运， 2 0 1 1 ， 3 0 1 5 - 1 1 ． [ 7]杨祖佩，王维斌．油气管道完整性管理体系研究进展[ J ] _ 油气储运 2 0 0 6 ， 2 5 8 7 1 1 ． 上接 第 2 6 0 8页 6 ． 2 ． 5 定 向钻穿越地层 管道 中心轴线从人土到出土穿越地层依次为 在运河东侧入土斜穿粉质粘土 、粉质粘土夹砂到达 河床底部水平段，在砂夹粉质粘土中水平穿越。开 始在砂夹粉质粘土中上扬 ，经粉质粘土夹砂 、粉质 粘 土在运河西侧出土 。管线穿越轴线最深处管底标 高 2 9 ． 0 m，距离运河河底最小埋深 1 1 - 3 m。 7 结 论 从总体上总结了天然气管道河流穿越方案设 计步骤 ，穿越方案选择原则 ，穿越工程设计原则， 穿越位置选择原则 ， 穿越方式的选择原则， 分析了 大开挖穿越，定向钻，顶管穿越方案的适用条件， 并结合工程实例， 对穿越方案进行了比选， 案例确 定穿越方式为定 向钻穿越 ， 计算 了穿越管段最大 回 拖力。 参考文献 [ 1 ] 王毓民． 大 口径管道穿越河流方法研讨[ J 】 ． 天然气与石油， 2 0 0 0 ， 1 8 3 5 6 ． [ 2] 陈仲科． 管道穿越大 中型江河 方案比较【 J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 0 ， 2 0 2 8 3 8 4 ． [ 3 ] 伍平， 向勇， 天然气长输管道汉江穿跨越方案研究l J l西 华大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 3 ， 3 2 9 4 9 6 ． [ 4] 阎庆华 ，孙玉杰 ，付超， 等 ，长输管道河流穿跨越方案选择f J ] ． 石 油工程建设，2 0 1 l ，3 7 3 1 3 ． [ 5 ] 闫相祯， 丁鹏， 杨秀娟．水平定 向钻技术在管道穿越工程 中的应用研 究[ J J ． 石油学报， 2 0 0 8 ， 2 9 2 2 9 3 2 9 4 ． [ 6 ] 杨先亢 ， 遣仲森 ，马保松， 等，水平定向钻管道穿越回拖力计算公 式的比较分析[ j I． 石油工程建设， 2 0 1 1 , 3 7 1 2 3 ． [ 7 ] G B 5 0 4 2 3 - 2 0 0 7油气输送管道穿越工程设计规范[ S ] 2 5 - 2 7 ． 阿克苏诺贝尔中东新建粉末涂料厂 阿克苏诺贝尔中东新建粉末涂料工厂开车， 该工厂将显著扩增公司旗下 I n t e r p o n和 R e s i c o a t 产品产能。这座拥有先进水 平的工厂是阿克苏诺贝尔在中东建立的第六座制造厂，并且是全球范围内第 3 0座粉末涂料生产厂。 “ 该投资将进一步增强阿克苏诺贝尔在中东的战略地位并提升我们服务迅速发展的粉末涂料市场的能力。 ”阿克苏诺贝 尔执行委员会委员 C o n r a d K e i j z e r 性能涂料部 如是说。新建工厂旨在满足不断增长的装饰性粉末涂料需求， 尤其是建筑领域。 包括石油和天然气以及建筑使用的功能性产品。据专家介绍，就工厂开车 ，阿克苏诺贝尔中东地区的常务董事 P e t e r T o m l i n s o n表示 “ 迪拜新建工厂突出显示了公司对中东地区的承诺，并不断超越竞争者。 ”