高压输气管道水平定向钻穿越工程设计

高压输气管道水平定向钻穿越工程设计

罗肖

610423198410081437

摘要：目前常用的非开挖穿越方式有水平定向钻穿越、盾构穿越、顶管穿越等[1]。本文以某条输气管道穿越南水北调水利工程为例，通过比较几种常用的穿越方式的优缺点，结合工程实际情况，介绍了水平定向钻的穿越方案设计，为今后类似的工程设计提供了借鉴经验。

关键词：输气管道定向钻穿越轨迹设计   计算校核

0前言

随着能源结构的调整，天然气在国家能源结构中的比例不断提高。在当前，天然气输送管道建设正在如火如荼的进行。由于大部分输气管道位于野外场所，所经地区地理位置复杂，通常需要穿越湖泊、河流、铁路、高速公路、建筑物等各种障碍物。在遇到障碍物或重要设施，需要采用穿、跨越方式规划、设计管道，而穿越通常更有利于管道长期安全稳定隐蔽美观运行，且在河流湖泊等跨越距离较长区域，穿越成为必然选择。根据工程实际情况，综合选择穿越方案、合理设计穿越方案就显得尤为重要。

1穿越方案比选

输气管道穿越障碍物可以采取开挖和非开挖两种方式，非开挖方式主要有水平定向钻穿越、盾构穿越、顶管穿越等。

盾构穿越是一种全机械化施工方法，具有工艺安全、高效、无公害的特点，使用条件广泛，但是施工周期长，费用较高。

顶管穿越不需要开挖面层，适合穿越土质较软的地层，受顶进力和钢管强度、刚度的限制，穿越长度一般不宜太长。

定向钻在非开挖领域中占主导地位，是发展最快的成熟的新技术，与其他穿越方式相比较有以下优点：

(1)对地面的干扰很小，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境。即使是在河床冲刷严重、水流湍急、截流或围堰存在的情况下，技术也可以确保管道埋设在稳定层以下，适应环保的各项要求[2]；

(2)施工期间需要的工作人员少，施工占地少，所消耗的工程造价低，施工安全可靠，成功率比较高。不必考虑水流速度和深度，也不会受到汛期影响；

(3)较易于调整施工过程中实际的敷设方向和埋深，更适用于管线弧形敷设距离长等各项要求[3]。

由于水平定向钻具有其穿越方案难以比拟的优点，因此在穿越湖泊、河流、铁路等障碍物时往往成为工程设计的首选方案。

2穿越方案设计前的资料准备

采用水平定向钻施工过程中主要受两个方面的影响因素：一方面是地质条件多变复杂，土壤层容易坍塌，有可能会遇到岩石、卵砾石或者其他障碍物等；另一方面则可能会遇见地下已经建成的电力、热力、通信等管网。为此，在穿越设计时必须做好充分的准备工作，弄清地下地质的变化和已建管线的分布情况。通常可以向市政管理部门咨询地下管网的分布情况，采用电子仪器实地探测和真空挖土以及委托专业单位提供岩土工程勘察报告。

水平定向钻适用于粘土、沙土以及硬度不高的岩石，应尽量避免在卵石层等硬度较大的岩石中进行水平定向钻技术，穿越段位置区域地形应较为平缓，不存在崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等不良地质条件。

3设计内容

3.1穿越曲线设计

影响定向钻穿越的因素很多，而且各个因素之间的相互关系也非常复杂，结合大量定向钻穿越工程实践经验，其主要影响因素有10个[1]：穿越长度、管道特性、穿越深度、出入土点及地面标高、入土角、出土角、管道曲率半径、管道与障碍物的安全间距、穿越曲线经过的土质分布情况、钻杆允许长度。

如图1所示，穿越曲线可分为AB、CD、EF 3个直线段和BC、DE 2个曲线段总计5部分。

图1 穿越曲线示意图

a 钻孔曲线计算

如图2所示，该计算方法亦称切线支距法

图2 切线支距法

=入土点地面高程—水平段高程，=出土点地面高程—水平段高程

，，，

，，，

其中：切线长，曲线长

为入土角度，为出土角度。

b穿越深度

1）穿越深度应低于洪水冲刷深度，河道疏浚深度。

2）一般要求河床最低点处管顶覆土厚度不小于6m。

3）在环境敏感地区，最小覆土厚度需经过验算，避免发生冒浆事故。

c  入、出土角度[4]

入土角一般为9°～12°之间，与穿越的地层和钻机规格有关。出土角一般为4°～10°之间，与穿越管径大小有关，管径较大时取较低值。特殊情况下，可适当调整出、入土角度大小。

d穿越曲率半径R

根据《油气输送管道穿越工程设计规范》GB 50423-2013以及《油气输送管道穿越工程施工规范》GB 50424-2015的规定：穿越管段曲率半径不宜小于1500D；且不应小于1200D。入土段直线段长度宜为10m。

根据DCA-Europe经验公式：

D＜400时，

400≤D≤700时，

700＜D≤1200时，

分别依据曲率半径R=1500D、R=1200D以及DCA-Europe经验公式计算不同管径的曲率半径R的分布情况如图3所示  

图3不同计算方法的曲率半径分布图

由图3可以看出：在200＜D＜1000时，相同的管径下，采用1500D时曲率半径最大，DCA-Europe经验公式计算的曲率半径最小，在D＞1000时，DCA-Europe经验公式计算的曲率半径大于1200D,

并逐渐靠近1500D。较大的曲率半径有利于降低管线回拖阻力，但曲线段过长也将增加导向孔控向难度，在实际工程设计中，应根据地质情况和管径大小综合考虑选取合适的曲率半径。

3.2穿越回拖应力计算[5]

式中：— 计算的拉力(t)；

—穿越管段的长度(m)；

—摩擦系数，0.1～0.3，此处按0.1；

D—钢管外径(m)；

—泥浆密度(t/ m3)；

—钢材密度78.5kN/m3；

—钢管壁厚(m)；

—粘滞系数，0.01～0.03，取0.01。

4设计实例

温县输气管道穿越南水北调水利工程输气管道全长35km，穿越段长度为281.20m，管道设计压力为6.4MPa，输送介质为常温天然气,设计输气量为3.5×104m3/d。穿越段天然气管道采用D168.3×8.0无缝钢管，钢级为L360N。根据岩土工程报告，高压天然气管道穿越处总干渠为土质渠段，此处地质条件自上而下依次为砂壤土、粉质壤土、中砂、细砂及粉质壤土，南水北调输水渠渠底位于粉质壤土层中。经过分析比较，定向钻穿越位置最终选择在粉质壤土层(见图4)。

图4穿越处总干渠地质横断面图

本工程定向钻出土点距离工程管理范围线48.30m，入土点距离工程管理范围线99.90m。穿越管段与南水北调水利工程夹角为75°，定向钻入土角为10°，出土角为10°，曲率半径为1500D，管道规格为DN150无缝钢管，钢级为L360N。穿越段管道埋设在渠底以下10m处。有效穿越长度按281.20m设计。

基本参数如表1所示

表1 基本参数

经计算所得结果如表2所示

表2 计算结果

通过表2可以看出：穿越段管道的轴向应力、径向应力以及管道强度均满足要求。

结束语

在输气管道设计中，管道穿越湖泊、河流、铁路、高速公路、建筑物等各种障碍物的情况经常遇见，这就要求设计人员在实地勘察的基础上，运用科学的方法，合理的设计计算，综合考虑各种因素，并在定性确定总体方案情况下，通过严谨计算保证方案的合理性，即确保输气管道运行的安全，又要经济合理，把对环境的影响降到最低。

参考文献

[1]阿迪拉·木依都力，冯良，王会祥.高压输气管道穿越工程方案设计[J].上海煤气，2015，（2）：1~2.

[2]刘盛兵，向启贵，刘坤.水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨[J].石油与天然气化工.2008，(04) .

[3]张穹.管道水平定向钻穿越长江的技术分析[J]. 管道技术与设备.2008，(05) .

[4]杨青.燃气管道水平定向钻穿越线路设计[J].煤气与热力，2008，28（1）：B10~B12.

[5] GB50423，油气输送管道穿越工程设计规范[S]。2013。