水下管道設(shè)計(jì)原則

水下管道的直徑，根據(jù)輸送材料的性質(zhì)、輸送量和輸送速度等因素按流體力學(xué)計(jì)算確定。管壁材料和厚度先按經(jīng)驗(yàn)假定，而后根據(jù)各種荷載作用核算其應(yīng)力和變形。若不符合規(guī)定，則再修改。計(jì)算時(shí)通常需考慮管道在施工時(shí)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)部和外部受力狀態(tài)。對(duì)雙層管及三層管，內(nèi)管及外管需按不同受力狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算。還需驗(yàn)算由內(nèi)壓和外壓、溫度變化以及管線(xiàn)彎曲引起的管壁應(yīng)力;核算管道在試壓荷載作用下的強(qiáng)度，管道在可能發(fā)生的水擊壓力作用下的應(yīng)力，以及管道在地震作用下的應(yīng)力。

由于水擊壓力和地震作用均為短期荷載，因而材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均可提高。為了提高管道抗腐蝕能力，應(yīng)適當(dāng)增加鋼管壁厚。在管道敷設(shè)過(guò)程中和敷設(shè)后均須驗(yàn)算穩(wěn)定性，包括在波浪、水流(主要為潮流)、冰層壓力和流水沖擊力作用下管道的穩(wěn)定性，以及由于管道基底面不平整、地基基礎(chǔ)的不均勻沉陷而對(duì)管道穩(wěn)定性的影響。調(diào)節(jié)水下管道的重量，可以降低管道在施工敷設(shè)時(shí)的應(yīng)力和保持管道在敷設(shè)過(guò)程中和敷設(shè)后的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)的方法有增重調(diào)節(jié)法(調(diào)節(jié)管道單位長(zhǎng)度的重量，增加管壁厚度，在管道上連續(xù)或間隔地覆蓋壓塊，管道內(nèi)充水等)和浮力調(diào)節(jié)法(用浮筒的浮力來(lái)調(diào)節(jié)管道重量)。

當(dāng)穿越寬度不大的江、河時(shí)可以采用頂管法或盾構(gòu)法施工。當(dāng)穿越湖泊或海峽時(shí)可采用:①漂浮敷設(shè)法。管道在陸上制作加工組裝成管段，浮運(yùn)至敷設(shè)地點(diǎn)，在作業(yè)船上焊接管段之間的接頭，然后使管道下沉就位。②牽引敷設(shè)法。管道在陸上制作加工，并焊接成數(shù)百米長(zhǎng)的管段，然后用牽引設(shè)備(卷?yè)P(yáng)機(jī)、船舶等)沿水底或水面牽引,同時(shí)在岸邊把管段接長(zhǎng),直至整根管道牽引到預(yù)定敷設(shè)位置為止。③敷管船敷設(shè)法。管道制作加工都在敷管船上進(jìn)行，每敷設(shè)一管段后就前進(jìn)一定距離。單節(jié)管道由駁船供應(yīng)。不論采用哪一種敷設(shè)方法，均應(yīng)按不同受力狀態(tài)復(fù)核管道的應(yīng)力。如應(yīng)力太大應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。

?水下管道多為鋼筋混凝土管和鋼管。按其斷面構(gòu)造可分為單層管、雙層管和三層管(見(jiàn)圖)。

單層管用于輸送常溫的單一材料的液體、氣體或固體;雙層管用于輸送兩種材料或在輸送過(guò)程中需保溫的液體或氣體;三層管用于在輸送過(guò)程中需加熱的液體或氣體。

1、鋪設(shè)在水底上;

2、埋設(shè)在水底下溝槽內(nèi);

埋設(shè)在水底下溝槽內(nèi)時(shí)，溝槽內(nèi)管頂鋪設(shè)深度一般為管徑的3-4倍，以避免船只拋錨，河床沖刷等影響。海下管道的埋地鋪設(shè)，還應(yīng)防止風(fēng)暴時(shí)管道可能浮漂或下沉，為此，管道應(yīng)埋設(shè)在海床下足夠深度。此外，如果水道較深，水底之上鋪管不會(huì)影響航運(yùn)，水底平坦，沿管線(xiàn)沒(méi)有障礙物和懸空地，管道不會(huì)因船只拋錨、流體動(dòng)力、土壤液化、床底土運(yùn)動(dòng)、河床沖刷或其他原因引起破壞，則可將管道直接鋪設(shè)在穩(wěn)定的河床或海床上。

水底直接敷設(shè)的管道抗震性能要優(yōu)于水下溝槽埋設(shè)。

管道水下溝槽敷設(shè)一般有3種情況:

1、先挖槽后埋管;

2、挖槽和埋管同時(shí)進(jìn)行;

3、先放管后沉入土內(nèi)。

這些方法的選擇取決于水底土質(zhì)、水系寬度和深度等因素。

先挖槽后埋管的優(yōu)點(diǎn)是施工設(shè)備簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是管線(xiàn)定位不易準(zhǔn)確，槽底平整度差，溝槽準(zhǔn)直度低，而且易于回淤。因此，當(dāng)采用這種方法時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選擇槽底寬度和開(kāi)挖深度。底寬一般為管外徑加0.8-1.0m.開(kāi)挖深度根據(jù)回淤情況而定，邊坡系數(shù)為1:2-1:4.粘土河床的回淤情況并不嚴(yán)重，沙土回淤迅速。常用的水下溝槽開(kāi)挖方法和設(shè)備有爆破法、岸式索鏟、挖泥船、高壓泵船等。

爆破法開(kāi)挖:適用于巖石河床;

岸式索鏟:適用于狹窄水系。鏟斗用岸上卷?yè)P(yáng)機(jī)曳引。鏟斗順滑道往上拉，隨著挖深增加而往下放滑道。這種方法可以比較準(zhǔn)確地控制溝槽的平面位置和準(zhǔn)直度。

挖泥船和高壓泵船:水系寬闊一般用抓斗式或多斗式挖泥船開(kāi)挖水下溝槽的方法，土方卸在溝槽水流下游一側(cè)，或由駁船運(yùn)至遠(yuǎn)處;河床土質(zhì)松散，可用高壓泵船以高壓水流沖射水底土層進(jìn)行開(kāi)挖 .

用船或其他浮動(dòng)設(shè)備開(kāi)挖時(shí)，挖泥船等應(yīng)臨時(shí)錨舶，以保證溝槽中心位置準(zhǔn)確。水下溝槽中心線(xiàn)用岸標(biāo)或浮標(biāo)顯示，并用經(jīng)緯儀或激光準(zhǔn)直儀測(cè)量。條件允許時(shí)，可在兩岸標(biāo)之間拉設(shè)管道中心線(xiàn)，以中心線(xiàn)為準(zhǔn)用標(biāo)尺或錘球可測(cè)水下溝槽的位置和槽底高程。

為了防止回淤影響，可以采用分段開(kāi)挖鋪管的施工方法，以縮短水下晾槽時(shí)間。

1、浮漂拖航鋪管:

浮漂拖航鋪管的方法是先在岸邊把管子連接成一定長(zhǎng)度的管段，管段兩端堵板，浮漂拖航到鋪管位置，灌水入管，下沉到水底或溝槽內(nèi)，取下堵板，然后將各管段之間在水下接口。

如果水系較淺，有縱深岸邊，岸邊與水面高差不大，可在過(guò)河管中心延長(zhǎng)線(xiàn)的岸邊原地面制備管段;或者岸邊與水面高差較大，就須開(kāi)挖岸邊，減少與水面高差，并在開(kāi)挖區(qū)內(nèi)降低地下水位后再制備管段。預(yù)制管段用船只或用設(shè)在對(duì)岸的曳引設(shè)備(卷?yè)P(yáng)機(jī)、拖拉機(jī)等)浮拖。

但多數(shù)情況是岸邊預(yù)制的管段與水系平行，管段制備后裝上浮筒推入水中，在水面上由船浮漂拖航。

管的兩端采用法蘭盤(pán)螺栓堵板。在堵板上設(shè)有直徑1/2--1的放氣孔和進(jìn)水孔。

管段由水面浮航到溝槽上方，由定位起重船吊放入槽，管段下放到溝槽內(nèi)。

管段水下定位及接口均由潛水工操作。潛水工用通訊工具與定位起重船聯(lián)系，調(diào)正定位船錨泊位置和船上起重臂操作，使下沉管段與已鋪管段對(duì)口。

2、水底拖曳鋪管

當(dāng)長(zhǎng)度較大的管段采用浮航困難時(shí)，可在水底拖曳。拖運(yùn)時(shí)受風(fēng)浪、潮汐等影響較小，作業(yè)安全，不需牽制船，但拖運(yùn)馬力較大。適用與長(zhǎng)距離深水鋪管，如向海中鋪設(shè)排污干管。

如管道分段預(yù)制，則應(yīng)在拖曳過(guò)程中將管道逐段接口，增長(zhǎng)拖曳長(zhǎng)度。管道一次拖曳長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十米。

3、鋪管船鋪管

將管子用運(yùn)管船運(yùn)至鋪管船上，在鋪管船上進(jìn)行管段接口后，沿鋪管船上的滑道、管托架等裝置，下入水底。這種方法適用于長(zhǎng)距離管段遠(yuǎn)離岸邊的鋪管工作。

4、沖沉土層鋪管

水底鋪設(shè)的管段，如采用預(yù)先挖溝的方法，管線(xiàn)定位、溝槽準(zhǔn)直、溝底平整等質(zhì)量不易保證。為了避免預(yù)先挖溝引起的缺點(diǎn)，可采用沖沉法鋪管。

沖沉法鋪管是先把管子放在水底，然后用沖泥器把高壓水射向管底土層，使管底土液化，喪失承載能力，管道就埋入水底。液化土層的厚度一般為管徑的3-4倍。

采用這種方法的前提條件是管底土層為可被液化的。

5、綜合作業(yè)船鋪管

預(yù)挖水下溝槽鋪管的方法的缺點(diǎn)是溝槽可能發(fā)生回淤，棄土和回填土工作量大。為了克服這種缺點(diǎn)，可采用綜合作業(yè)船鋪管。

溝槽由水泵噴射高壓水沖挖，挖出的土由砂泵抽升到后部回填溝槽，使溝槽晾槽時(shí)間減少至最短，而且取消了回填土的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)。

自50年代以來(lái)，水下管道敷設(shè)量不斷增長(zhǎng)，過(guò)去只能跨越江、河，現(xiàn)在已發(fā)展到跨越深海。

在現(xiàn)階段，敷管船的自動(dòng)化程度不斷提高;鋼材及混凝土用料更進(jìn)一步適應(yīng)水下的要求;

管道的制作開(kāi)始趨于標(biāo)準(zhǔn)化;利用自動(dòng)電焊和自動(dòng)探傷攝影;

采用陰極防腐蝕技術(shù)以及應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)和遙測(cè)遙控裝置，使水下管道的安全性和耐久性大大提高

在水中進(jìn)行的焊接。這種焊接最初應(yīng)用于海難救撈和艦船水線(xiàn)以下部位的應(yīng)急搶修。20世紀(jì)60年代以后，由于海洋石油開(kāi)采，需要興建海底油庫(kù)、敷設(shè)輸油管道，組裝采油平臺(tái)等，水下焊接技術(shù)得到發(fā)展（見(jiàn)彩圖）。水下焊可分為濕法焊、干法焊和局部干法焊3類(lèi)。濕法焊直接在水中進(jìn)行焊接。主要采用手工電弧焊。水下焊焊條藥皮外表涂防水層，在熔化過(guò)程中放出大量氣體,排開(kāi)焊接電弧周?chē)乃?使焊接過(guò)程穩(wěn)定。水下電弧氣氛中含氫量高，水對(duì)焊接接頭的冷卻作用劇烈，接頭容易產(chǎn)生硬脆現(xiàn)象和氫裂。在一般情況下接頭強(qiáng)度和塑性分別約為陸上焊接時(shí)的80％和50％，只適用于水中非受力金屬結(jié)構(gòu)件的安裝、維修和應(yīng)急修補(bǔ)。

干法焊把焊接部位和焊工密封在一個(gè)排除水的壓力艙內(nèi)，在氣相環(huán)境中進(jìn)行焊接。干法焊接分為高壓干法焊接和大氣壓干法焊接。主要使用手工電弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊。接頭性能可與陸地焊接接頭性能相等。水下干法焊因設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴、并受工件形狀和尺寸限制，一般只限于高質(zhì)量構(gòu)件的焊接。

局部干法焊主要采用氣體保護(hù)半自動(dòng)焊，在焊接部位進(jìn)行排水，造成一個(gè)局部氣相區(qū)，使焊接過(guò)程穩(wěn)定（見(jiàn)圖）。局部干法焊接的接頭質(zhì)量?jī)?yōu)于濕法焊接，且不需要大型設(shè)施，適應(yīng)性也較強(qiáng)。