长输管道螺形地锚施工工法

1、长输管道螺形地锚施工工法中国石油天然气管道局编写人 管道二公司：谭瑞成、朱怀德、李松柏、吴海宁、姜延年1前言长输油气管道穿越河流、泽地带,因管道受地下水浮力影响,易造成管段悬空；管道在运营期间的振动易导致管道产生较大的应力,甚至造成管道破裂。因此要保证长输油气管道长期安全运行,管道的浮力控制是一个非常重要的问题。泰国Wang Noi - Kaeng Khoi天然气管线工程全长72.4km，管径为914mm，其中32km水网地段需要采取浮力控制措施。中国石油天然气管道第二工程分公司有效解决了传统混凝土压块方法存在原材料用量多、制作周期长、运输量大、安装困难等诸多问题,此工艺施工方便快捷、而且工程

2、造价低，是一项经济、适用的施工方法。管道地锚技术于2008年初获得了国家专利认可，为今后推广应用此项技术提供了保障。2工法特点2.1 采用专用设备进行施工，施工安全快捷、效率高；2.2 螺形地锚重量轻，存储占地少、运输方便；2.3 地锚深入地下，浮力控制效果好，可通过改变安装深度，满足不同的管径对浮力控制的要求，适用性强； 2.4 人员设备投入少，施工成本低。3适用范围作为管道浮力控制的一种优选方法，此工艺适用于长输管道穿越河流、水网沼泽地段，特别是连续穿越河流鱼塘等地下水位高的地段；在季节性降水量大的地段或盐渍地段管道施工也可采用此工法。4工艺原理螺形地锚作为管道浮力控制的方法，其原理是当管

3、道穿越高水位地段时，为防止管道施工完毕后地下水对管道产生的浮力影响，在管沟中管道两侧分别安装一根螺形地锚；然后利用高强度聚酯固定带将管道束缚在两根地锚中间，从而控制地下水对埋地管道的浮力。每根地锚上联结一个锌块作为牺牲阳极，保护螺旋地锚不被腐蚀。 图4-1 地锚开始安装 图4-2 地锚安装完成5施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程不符合要求符合要求符合要求不符合要求符合要求施工准备测量定位安装螺形地锚头安装延长杆安装固定带检查扭矩检查扭矩不符合要求安装牺牲阳极拉力实验拆除地锚填写质量检查表 图5.1 地锚安装工艺流程图5.2 操作要点 施工准备1由专业技术人员到现场培训指导施工人员、质量

4、人员、安全人员、操作人员和机械安装人员。培训内容包括地锚设备安装流程、地锚施工操作流程、地锚施工技术规范以及相关的HSE要求。2地锚安装所用的设备包括地锚机、扭矩表、液压挖掘机、吊装设备和拉力表。地锚机的扭矩必须能够满足设计要求；扭矩表的量程应大于或等于地锚机扭矩值；液压挖掘机为地锚机提供足够动力源；吊装设备用于拉力试验，检验地锚承受的拉力值；拉力表的量程满足地锚抗浮的设计要求。图 安装地锚机3拆除挖掘机的挖斗，将地锚机安装到挖掘机上，并连接挖掘机上的液压管与地锚机上的液压接口，使挖掘机挖斗的前伸动作变为地锚机的顺时针旋转，后缩动作变为地锚机的逆时针旋转。将扭矩表安装到地锚机的外侧，便于操作人

5、员观察表面数据。5.2.2 测量定位1平整施工场地，地锚设备就位，调配适量螺形地锚及附件进入现场。2根据管径大小及地质条件，计算浮力大小，进行地锚定位，测量出地锚安装位置。地锚设备的配备应根据管线浮力控制点的数量进行调整。附：浮力控制计算1）根据公式-1计算出单位长度管道的浮力净值。Fn= BpWp ( -1)式中 Fn单位长度管道浮力净值；Bp单位长度管道承受浮力，Bp=每米管道体积×回填土密度；Wp单位长度管道自重，Wp=每米管道钢材体积×钢材密度。2）计算出地锚所承受的浮力：Ps=Fn×L/2 （-2） 式中 Ps地锚承受的浮力；L地锚间距。3）确定地锚破坏

6、性试验承受的最大拉力Qmax，地锚的安全系数为2，如果PsQmax且Qmax/ Ps2，则地锚承受力能满足设计要求。以36管道为例，管道直径为914mm，壁厚14.7 mm，回填土密度1442Kg/m3，钢材密度7840Kg/m3，地锚破坏性试验承受的最大拉力为180000N，地锚间距29m，安全系数为2，地锚受力计算如下：=9470N/m；=3253N/m；单位长度浮力净值：Fn= 94703253=6217N/m；地锚所承受的浮力:Ps=Fn×L/2=6217×29/2=90146N； PsQmax=18000N；且Qmax/Ps2所以地锚承受力能满足设计要求。5.2.

7、3 安装螺形地锚头1将螺形地锚头连接到地锚机上；2操作手操控挖掘机抬起地锚并使之处于垂直状态，地面人员检查地锚的垂直度和正确定位，管沟内作业人员指挥操作手将地锚放到正确位置，并用铅坠检查是否垂直，指挥操作人员调正地锚头； 3用地锚机将地锚头旋入地下，直到锚杆末端距离沟底约300mm的位置。旋入时，沟内作业人员要指挥操作人员调整挖机斗臂，保持地锚垂直，并与地锚旋入速度一致下降。4观察扭矩表，如果已经达到设计要求的旋转扭矩，则可以按照设计要求进行拉力实验；否则加装延长杆。附：扭矩计算公式试验证明，地锚机的扭矩和地锚安装后所承受的拉力成正比关系，由于不同型号的地锚机工作压力不同，所以关系式系数也不同

8、，以采用的加拿大CYNTECH公司生产的地锚机举例，其关系式如下：Qu=Kt×T （5.2.3）式中 Qu地锚承受的极限拉力,单位为lbs；Kt10ft -1(扭矩与拉力之间的关系系数)；T扭矩表读数psi，1psi相当扭矩值4ft.lbs。按上述浮力控制计算结果，以36管道为例计算，施工时的扭矩为Tmin= Qu/ Kt= Ps*2/ Kt=3970 ft.lbs。5.2.4 延长杆的安装1将延长杆一端与地锚机相连，另一端和已经旋入地下的螺形地锚头锚杆末端连接 （见图）。管线锌阳极连接头连接头延长杆螺形地锚头安装深度按照规范要求并达到最低限度的扭矩值聚酯管道固定带图 螺形地锚安装示

9、意图2按第3条方式旋入延长杆，直到延长杆末端距离沟底300mm的位置。3观察扭矩表，如果已经达到设计要求的扭矩，则可按照设计要求进行拉力实验；否则继续增加延长杆，直到达到计算要求的扭矩值。5.2.5 安装固定带图5.2.5 管道固定带管道两侧地锚安装完成后，将固定带安装到地锚上，继续旋进管道两侧地锚，牢牢束缚住管道。 5.2.6 安装牺牲阳极图 锌阳极锌阳极采用牺牲阳极法对地锚进行阴极保护，每根地锚上端安装一块锌阳极，其大小应符合设计要求。5.2.7 填写质量检查表地锚安装施工完成后，质量员核对每个地锚安装记录值，包括：安装扭矩值、地锚类型、安装深度、延长杆的长度和根数，并填写质量检查记录表。

10、5.3 劳动组织表5.3 劳动组织序号岗 位人 数备 注1机组长1负责整个地锚安装的管理、协调2技术员1负责安装现场施工技术 3质量员1负责质量监督工作4HSE监督员1负责HSE监督工作5操作手1负责设备安装及地锚的组装6普工4配合施工7司机2平板车、自卸车各1人合 计116主要设备、机具配备表6 主要设备、机具配备序号名称规格、型号单位数量备注1液压挖掘机根据要求确定型号台12地锚头根据要求确定型号台13扭矩表根据要求确定型号个14平板车30t辆15吊臂自卸车5t辆16吊装设备40t吊管机或25t汽吊车台1仅在拉力试验时使用 质量标准7.1 执行标准7.1.1钢制品机械测试的标准试验方法和定

11、义A0370-05。7.1.2油气长输管道工程施工及验收规范GB 50369-2006。7.1.3气体输送和配油管道系统施工规范ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping Systems。7.1.4螺形地锚程序文件Screw Anchor Procedure。7.2 控制措施按标准规定，根据管径大小及地质情况不同，地锚需要承受的拉力也不相同，泰国Wang NoiKaeng Khoi天然气管线工程，地锚需承受103.7kN的拉力并保持15秒钟，并要求10地锚做拉力试验。在试验期间，如拉力值不变或地锚无变形则试验为合格，反之则为不合格。若

12、试验不合格则安装延长杆，增大地锚的安装深度，然后继续做拉力试验直到合格。地锚的拉力试验需要用吊车或吊管机，拉力表需要有校验合格证。做拉力试验卡具的额定受拉能力应大于试验拉力负载。对于每一个已安装的螺形地锚,应适当确定和计算最终的安装扭矩并记录。地锚安装负责人应保证最终安装扭矩等于或者大于规定的最小安装扭矩。地锚拉力试验时需记录试验时间，试验拉力值和观测结果。8安全保护要求8.1 施工前，对相关操作人员进行技术、安全交底，并进行小型安全演习，保证每个操作人员熟悉操作规程、流程；8.2 所有操作人员应做好劳动保护，由于地锚安装时会发出刺耳的声音，操作人员应配带耳塞进行防护；8.3 正确摆放地锚杆,

13、防止人员不慎碰伤，必要时设置隔离带；8.4 设专职人员检查管沟,防止塌方对地锚作业人员的伤害；8.5 与施工无关的人员应远离施工现场。8.6 施工过程的风险分析表如下表：风 险（危害）产生原因影响危险等级控制范围控制措施漏油污染环境地锚机、挖掘机及运输设备油管爆裂、密封损坏等。机械伤害挖掘机旋转作业对施工人员易造成伤害。沟下作业存在塌方、跌落、碰伤及设备滑落等危险因素。对人及设备造成危害3施工人员、设备施工前现场负责人必须严格仔细地勘察现场情况，下沟时应有扶梯，扶梯安放应稳固，施工人员必须严格穿戴劳保用品及安全帽。塌方严重地段采取打钢板桩加支撑的方式确保沟下作业安全。车辆运输车辆发生交通事故对

14、人及设备造成危害4驾驶人员地锚施工设备施工前先向当地驾驶员了解当地运输的路况及驾驶特点、当地的交通法规和习惯，可能遇到的紧急情况和预防措施，每天检查车况，注意休息，不超速行驶和疲劳驾驶。设备转场要有车辆带路，专人指挥。与其它工序施工相互影响在施工过程中，不可避免的与其它施工工序交叉作业，就会产生交通危险，施工设备对其它工序施工人员的危害等危险。对人和设备造成危害4现场全部人员在现场作业时做好警戒，防止对其它工序作业人员和监理造成伤害，两工序作业带内交叉时互相避让，做到文明施工，进行地锚作业时做好警戒，防止施工设备伤害其它施工人员。溺水人员下水游泳、人员和设备掉入水中对人和设备造成危害3施工人员

15、施工设备禁止人员下河塘游泳，沟内积水较多时必须抽净积水再进行施工作业，不作业带内积水较多的地段施工时应做好安全防护，防止人员和设备掉落水中，做好人员溺水的自救培训和救护培训。表8.6 地锚安装作业HSE风险分析表9环保措施9.1 施工期间专（兼）职HSE监督员对工程施工期间进行环境管理，其管理的内容主要是根据上级有关环保管理规定和施工项目特点制定的环境保护措施，并对作业现场实施监督检查。9.2 施工过程产生的工业固体废弃物随时清理回收，做到工完、料净、场地清。施工期间产生工业污油、污水等废液，设置专用回收装置。9.3 地锚施工临时占地（如堆放锚杆、停放机具设备等），应尽量避免占用农田、绿地、草

16、场；施工便道尽量利用已有道路，固定行车路线。9.4 加强设备的维修保养，发现漏油及时处理，维修时采取必要的措施处理收集废油。10效益分析在输油气管道各种浮力控制的安装施工中，以前采用压重块控制浮力，投入大、施工费用高。而采用此种方式进行浮力控可减少投入，降低成本。以泰国Wang NoiKaeng Khoi天然气管道项目为例，地锚与压重块浮力控制措施对比如下：表10-1 地锚与压重块浮力控制措施对比表地锚压重块安全系数21.1间距29m4.8m存放面积每公里仅需2用于存放地锚材料每公里需60用于存放压重块运输量每运输10公里地锚需3车次每运输10公里压重块需200车次日工程量每天每组完成450m

17、每天每组完成300m 在1公里水网地段管道施工中，地锚安装和压重块安装经济对比如下:表10-2 地锚安装和压重块安装经济对比表地锚压重块每公里需用量34套208块单位造价8000元/每套2800元/每块造价合计27.2万元58.24万元通过对比，我们可以看出地锚比压重块安装造价节省了53%，地锚安装更加经济。泰国Wang NoiKaeng Khoi天然气管道项目中约有32公里水网地段须进行浮力控制。地锚实际安装1090套，采用地锚浮力控制工艺，每公里降低造价31.04万元，共节约工程造价993.28万元。地锚施工工艺简单，节约空间，大大提高了施工质量，保证了工期。不仅在经济上效益突出，而且在环境保护、安全、质量等方面效果显著。11应用实例2005年12月8日 2006年10月20日，中国石油天然气管道第二工程分公司在泰国Wang NoiKaeng Khoi天然气管道项目建设中，采用螺形地锚作为管道浮力控制的措施，替代了传统的安装混凝土压重块的施工工艺，在短时间内完成了32km的水网地段管道浮力控制施工任务。螺形