天然气高压管线定向钻穿越施工技术

摘要：今年来，我国的定向钻穿越施工技术已经趋近于成熟，并具备不会对地面的建筑物和地下的设施产生影响或损坏，且对路面的破坏也较小，不会影响到居民出行，社会效益

较高，使用的施工设备安装简便，施工时效率较高等优点，被广泛运用于管道工程。本文结合笔者的工作经验对天然气高压管线定向钻穿越施工技术进行了探讨。

关键词：天然气管道；高压管线；定向钻穿越

中图分类号：TU996.7文献标识码： A 文章编号：

广东省深圳市天然气高压输配系统工程某标段定向穿越工程高压管线采用L450(X65)，D813×19.1 mm直缝双面埋弧焊接钢管，穿越水平长度435 m ，曲线长度444 m，设计压力为4.0 MPa 。光缆套管穿越长度同主管线，管径 D114×6.3 mm无缝钢管，与主管道同沟回拖。

根据本段工程相关设计资料、相关施工及验收规范，入土点选在 3004 号桩位置，入土角8°，高程87.57 m；出土点选在 3005 号桩位置，出土角 5°，高程61.10 m。

根据地勘结果，本工程依次穿越松填土层、素填土层、中风化粗粒花岗岩层、粉质粘土层。

1、设备机具

1.1回拖力计算

因穿越管段在回拖过程中的受力非常复杂，所以很难建立起与实际工况非常吻合的并具有普遍适用性的力学模型，在实际工程中回拖力的计算大多采用经验公式，目前常用的有三种计算方法：卸荷拱土压力计算法、净浮力计算法和绞盘计算法。根据本工程地质条件，采用卸荷拱土压力计算法进行回拖力计算。

卸荷拱土压力计算法的基本思路是：穿越管段在回拖中同时受到孔道上方塌落土的压力和孔底支撑力的作用，管段本身的重量全部由孔底承担(不考虑浮力作用)；孔道力上方塌落土的压力根据穿越地层天然卸荷拱土压力的高度进行计算。管道穿越处土壤卸荷拱如图1 所示。

图1管道穿越处土壤卸荷拱示意

钢管单位长度的自重计算公式：

（1）

式中：—单位长度穿越管段重量，kN/m；

D—钢管的公称外径，mm；

S—钢管的公称壁厚，mm。

穿越管段的最大回拖力计算公式：

(2)

式中：—穿越管段的最大回拖力，kN；

p—单位长度穿越管段所受的土压力，kN/m；

—主动土压力系数，一般取 0.3；

p—单位长度穿越管段重量，kN/m；

—管壁和孔壁之间的摩擦系数( 无量纲，一般取0.2~0.3)，与孔壁土质、泥浆性能、管段外表面结构、导向孔曲线、扩孔质量有关，由施工单位根据经验确定；

L—穿越管段长度，m。

其中单位长度穿越管段所受的土压力p由垂直土压力与侧向土压力组成，p =+ (垂直土压力；测向土压力)。

孔道上方天然卸荷拱的高度h ：

（3）

= （4）

式中：—单位长度穿越管段所受的垂直土压力，kN/m；

—穿越地层土的容重，kN/m3；

D0—穿越管段外径，m；

De—最大扩孔直径，m；

h —穿越孔道上方天然卸荷拱的高度，m；

—穿越土层的坚实系数；

λ —穿越孔壁的稳定系数(无量纲)，根据经验取30~40 ；

—穿越地层土的内摩擦角，一般，砂层为30°~40°，粘土层为15°~25°； 根据朗肯土压力理论，单位长度穿越管段在回拖时所受的侧向土压力ph可按公式(5)计算：

（5）

根据以上各式，计算本次穿越回拖力理论最大值=1 084 kN( 约110.6 t)。

钻机选型

钻机的选型按照回拖力理论计算值的1.5~3倍来选用，兼顾考虑回拖过程中如因卡钻需要向管道中注水等其他因素，回拖力要保有一定余量。本次工程选用黄海机械厂FDP245非开挖钻机( 最大回拖力250 t)。

钻机型号确定后，通过管线允许拉力与钻机回拖力的比较进行安全校核，即管线安全回拖需满足：p 定向钻

表1X65钢的力学性能

管材焊接及防腐

管道选用直缝双面埋弧焊接钢管(UOE) ，材质为L450(X65)，生产标准为《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2 部分：B 级钢管》(GB/T 9711.2 —99)。

壁厚：穿越管道设计规范中没有关于钢管径向稳定性的计算方法，现有的埋地管道径向稳定性的计算方法不适用于定向钻穿越。由于设计规范的不完善，设计过程中没有对管道径向稳定性进行核算，会导致壁厚选取偏薄即回拖过程中发生管道径向变形。

对于达到8 MPa 、10 MPa、12MPa ，甚至压力更大的长输管道，根据设计压力和钢管的允许应力计算出的壁厚就会很大，也满足管道径向稳定性的要求，一般在回拖中不会发生径向变形。本工程设计压力为4 MPa ，考虑到以往类似工程( 设计压力4.5MPa)发生过径向变形事故，本工程壁厚按照设计压力6.0 MPa进行计算，取壁厚19.1 mm ，在管道回拖后现场测量椭圆度，结果符合标准。

管道焊接采用手工电弧焊打底，半自动焊填充、盖帽方法，焊接方式为下向焊。执行《深圳市天然气高压输配系统工程焊接工艺规程》同时满足《钢质管道焊接及验收》(SY/T 4103 —2006)的规定；根焊采用AWS A5.1 E6010直径4.0纤维素焊条，填充、盖帽焊采用AWS A5.29 E71T8-Ni1直径2.0药芯焊丝。焊缝100%超声探伤，符合《石油天然气钢质管道无损检测》(SY/T 4109 —2005)I 级合格；焊缝100%射线拍片，符合《石油天然气钢质管道无损检测》(SY/T 4109 —2005)II级合格。

管道主体外防腐全部采用挤压三层聚乙烯防腐，等级为加强级，符合《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》(SY 0413 —2002)，补口采用搭接式辐射交联聚乙烯热收缩带( 本工程采用美国瑞侃RayChem品牌热缩套) ，底漆为配套无溶剂环氧涂料，符合《辐射交联聚乙烯热收缩带》(SY/T 4054—2003)要求。

施工方案

3.1进度安排

本工程计划工期30天。

(1)前期准备工作、设备进场等3 天；

(2)设备安装调试1 天；

(3)分级扩孔、清孔20天；

(4)拖管1 天；

(5)设备退场及现场清理。

3.2施工工艺流程

施工工艺流程见图2 。