遠距離大直徑工業管道自重變位下置鋪設直埋施工技術1.前言近年來隨著城市化進程的加快，加之人們環境意識的增強和對生活質量提高的關注，無論在人稀罕至的地區還是城市當中，地下管道工程越發普遍，特別是石油、天然氣等介質輸送管道工程，若采用大開挖溝下焊接施工工藝，不僅大范圍的需要占用土地，造成環境破壞還易發生安全隱患。一方面大開挖溝下焊接需要對邊坡進行支護，防止坑坍塌事故，另一方面成本加大，如何解決面臨的兩難問題是擺在行業面前的重大課題。為保證工程順利推進，采用長輸管線原位組對焊接后利用重力變位雙側沉管的施工工藝，在保證安全和質量的前提下，達到了節約支護成本、保證了支護安全、縮短了施工工期，實現了高效、節約、綠色發展的目標。2.技術特點2.1利用自重變位下置鋪設施工技術，避免了地下埋置管道傳統施工工藝先下管后焊接的溝下作業危險，和先焊接后下管的復雜應力作用，提高了施工效率，保證了施工安全，降低了施工成本。2.2長輸管線主線接頭主要采用下向焊焊接工藝，比采用傳統上向焊焊接工藝，不僅提高了焊接效率，降低了施工成本，且焊縫成形質量美觀，減少了焊縫缺陷。3.適用范圍可廣泛應用于石油、天然氣等介質長距離輸送管道等建設領域大規模推廣應用。技術適用范圍：利用鋼管為載體的管道；地質條件復雜的砂土地帶。4.工藝原理地面焊接完成后，采用符合技術參數的2臺反鏟挖掘機，沿管道一端開始，在管道兩側各一臺挖掘機按規定寬度、放坡率、深度同步后退式進行管溝土方開挖，隨著開挖管溝的延長，管道底部出現懸空狀態，組裝好的管道在自重力的勢能作用下控制在鉛垂平面內產生向下變位，實現了管道段逐漸下置鋪設于溝底并自然伸直。5.工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程施工工藝流程見圖5.1-1所示。圖5.1-1施工工藝流程圖5.2操作要點5.2.1場地清表正式作業前，根據業主征地線內進行作業帶清理（清表）。一般地段施工作業帶清理、平整采用推土機進行，在施工作業帶范圍內，對于影響施工機具通行或施工作業的石塊、雜草、樹木、構筑物等清理干凈，溝、坎整平，達到爬行設備能行走為準。施工過程中最大程度的推平、壓實，為后期作業打好基礎。5.2.2管溝中線定位清表作業完成后，測量人員進行管道中心線的確定（即管溝中心線的確定）。為了滿足管道數字化坐標的要求，對管道沉管下溝后中心坐標應嚴格控制。為此，對計劃沉管的地段，提前確定好管溝中心線和布管焊接中心線。依據圖紙縱斷面深度、里程與管道對應的具體位置要做好深度標記，特別是重點陡坡、低洼地段、溝渠地段開挖曲率半徑應符合設計要求。變坡點起點里程、深度，變坡點終點里程、深度等都要在管道醒目位置做好標記，為操作手和檢查人員提供現場技術數據。5.2.3管道布管管道中線確定后，進行布管，選擇相鄰閥門井間距的中點做為起始點，沿相反方向逐節將管材進行布管，布管時應首尾相接，相鄰管口應相互錯開。管道應卸放在管道組對一側，布管的間距應與管長基本一致，每布15～20根管應核對一次距離，發現過疏或過密應及時調整。見圖5.2.3-1所示。圖5.2.3-1布管平面示意圖5.2.4管道組對焊接管口組對選用液壓外對口器，對口間隙2-3mm。管道組對后，先點焊固定，在完成大于根焊道總長度的60%，且焊完的焊道應沿圓周均勻分布方可撤離。根焊2人，填充、蓋面焊2人，對稱焊接。根焊與填充焊間隔：＜10min；層間溫度：≥80°。每焊完一層，用鋼絲刷和角向磨光機清理干凈焊道表面后方可進行下一層焊接。管道組對焊接如圖5.2.4-1。圖5.2.4-1管道組對焊接5.2.5自重變位下置鋪設1、對于管道焊接位置不滿足沉管要求的要將管道位置重新進行調正。為了防止管墩下沉，避免在開挖過程中造成局部管段下滑移位，因此，在進行沉管前，根據情況對管道進行適當的位置調正。2、沉管下溝前應滿足的條件：管道焊接、無損檢測已完成，并檢查合格；防腐補口、補傷已完成，經檢查合格；現場監理及業主對將沉管下溝段檢查確認同意。3、雙側沉管可行性計算1）建立沉管施工的受力模型管道下溝的示意圖，見圖5.2.5-1，其受力狀態可以簡化為受均布荷載的超靜定梁模型如圖5.2.5-2。圖5.2.5-1管道下溝示意圖圖5.2.5-2受均布荷載超靜定梁模型2）力學分析計算支座反力FRB和均布荷載q在支座處產生的變形之和為零，因此（5.2.5-1）可得公式5.2.5-2、公式5.2.5-3。（5.2.5-2）（5.2.5-3）由材料力學可知，由B點處的力矩平衡∑MB=0 （5.2.5-4）可以求得：L1=0.586LL2=0.414LA截面的彎矩（5.2.5-5）B截面的彎矩（5.2.5-6）帶入以上公式計算比較，得MA-MB<0，B截面彎矩比A截面彎矩大，B截面為最大危險截面鋼管Φ820×10mmq=199.758Kg/m≈2000N/md=0.82md1=0.80m彈性模量:E=2.06×105慣性矩 （5.2.5-7）鋼管凈截面模量 （5.2.5-8）由公式（5.2.5-9）可得（5.2.5-10）查管材材質報告可知屈服強度σ=380MPa則當σ取最大值380MPa時可得：L2max=43.97m則可得：max=106.21mL1max=62.24m帶入公式5.2.5-11：（5.2.5-11）則鋼管最大撓度（5.2.5-12）即開挖最大深度4.23m，開挖深度不超過4.23m鋼管就處于安全狀態，建議開挖深度不超過3.5m。4、雙側開挖演示演示前要召集相關施工人員進行現場學習。操作時，需要技術人員現場指導作業。雙側開挖鋼管應位于管溝中心線。機械設備鏈軌板距管壁距離為1m，即貼近支墩外側，確保挖掘機配重旋轉空間，倒土位置可根據地形和施工作業帶寬度確定，開挖起頭要超過管端不少于3m為宜。風積砂段標準開挖斷面如下圖5.2.5-3所示（圖號TKSS-水工-輸水線-23）：圖5.2.5-3開挖斷面每米土方開挖量：（0.9+4.35）×2.3×1=12.075m3因施工征地線僅為20米，開挖斷面兩側土方無法完全堆積下。采取措施：根據計算L2max=43.97m，前70米土方量超出征地線范圍，通過臨時征地解決，后沉入的管段每隔24米檢漏一次，符合要求后，后開挖的土方用挖溝機逐步將前段回填，減少土地占用量。開挖尺寸深度偏差至少要滿足＋50mm，－100mm為宜，管頂埋深要符合設計要求。土質松軟地段，為了保證管頂覆土埋深，避免過程中因塌方墊層產生的溝底偏淺，因此，在沉管開挖時，要適當加深，并為塌方墊層留有余量。5、試驗段驗收管溝開挖試驗段長為100m，檢查管道置于溝底的深度、鋼管平直度、管道中心線偏離誤差。工程技術人員和質量人員對本工藝的可操作性進行評估，確認操作工藝可行后，方可進行多個作業面施工。6、沉管開挖正式沉管開挖之前，技術人員對施工人員提出技術要求及安全注意事項。進入正式沉管作業施工時，設備、人員數量要配備齊全，開挖操作手技術熟練。為了防止開挖過程中防腐層的損壞，除了對操作手有嚴格的技術要求之外，還要派專業防腐工在沉管前后分別進行電火花檢漏。沉管下溝前，應于施工前48小時報請區段監理請監理到場進行全程旁站監督。沉管下溝前，用白漆筆在管子上標注設計開挖深度，以保證管道按照圖紙設計要求沉管下溝。沉管下溝前，派專職安全員監督整個施工過程，確保在施工過程中不會有閑雜人等進入作業帶。管道沉管下溝應由挖掘機機手、測量工、質檢員、安全監督員、警戒人員、清理人員、防腐工共同配合完成，且應由專人統一指揮。通過開挖管溝，管頭可以依靠自身撓度貼附于溝底，將管端擺到管溝中心線位置，之后隨著管溝的開挖，管道依靠管道自身重量自然、逐步沉降至管溝底部，完成沉管施工。開挖時，在距離挖掘機最近的位置上鋪蓋橡膠板，防止挖掘機碰傷管道，并在橡膠板下部設置勾環，使橡膠板在人的拖動下能夠及時對挖掘機開挖部分的管道進行防護。挖掘機的斗鏟在距離管道200mm處應緩慢入土開挖，操作動作不得過大，要做到慢落慢起，確保斗鏟不接觸管道。整個過程中應有專人進行監督，一旦發現有防腐層被碰傷的情況，應立即進行補傷并再次檢漏。當管道一端下到溝底后，繼續向后開挖管溝，隨著管溝長度不斷增加，管道在自身重力作用下貼服于管溝底部，從而成功實現管道下溝。如下圖5.2.5-4示。圖5.2.5-4開挖沉管5.2.6沉管驗收沉管下溝后，首先應根據設計要求和挖溝通知書的要求進行自檢，合格后由項目部負責驗收，并按項目部的規定填寫記錄，報監理復查，合格后簽字確認。管溝、下溝質量檢驗項目、檢驗數量、檢驗方法及合格標準應符合下表5.2.6-1規定。表5.2.6-1管溝檢驗項目、檢驗數量、檢驗方法及合格標準表檢驗項目檢驗數量檢驗方法合

格

標

準外觀全部觀察檢查施工記錄直線段管溝順直，曲線段圓滑過渡，無凹凸和折線；溝壁和溝底平整，無溝坎階梯，無銳器物；溝內無塌方、無雜物；轉角符合設計要求。管溝中心偏移每千米不少于5處用經緯儀檢查允許偏差應小于100mm溝底寬度每千米不少于5處用尺檢查允許偏差為±100mm溝底標高每千米不少于5處用水準儀檢查允許偏差為

+50

mm-100

mm變坡點位移全部用尺檢查允許偏差應小于1000mm5.2.7沉管回填沉管管子經實測標高、中心線位移、外觀符合設計及規范要求后，即可進行沉管回填?；靥罘謱舆M行，第一層回填從槽底至管頂以上500mm范圍內，回填砂土從兩側對稱運入槽內，并進行壓實。第二層回填剩余部分至地面，并將多余砂土回填在管線上部，自然下沉。5.2.8沉管作業注意事項挖掘機應嚴格注意防腐層的保護，挖斗離鋼管應有一定安全距離，同時旋轉角度不宜過大，防止旋轉時碰傷防腐層。挖方時應采取先表層再下層的順序，管溝開挖處斷面應呈緩坡狀，防止大面積土層突然塌落。5.2.9管道打壓實驗管道試壓采用離心泵將試壓用水從水源提升到上水端蓄水沉淀池內，然后用1臺多級離心泵往試壓管道內上水，再用另1臺高壓往復柱塞泵進行升壓。試壓時，應逐步（每次0.2MPa）升壓到實驗壓力，每次升壓后，都要在檢查沒有問題時，再繼續升壓。升至工作壓力后，穩壓不少于10min（為保持壓力，允許向管內補水），對鋼管進行檢查，情況正常時方可逐步升至試驗壓力保持5min，再下降至工作壓力，保持30min。如整個試驗過程中無滲水及其它異常現象即為合格。試壓注意事項1、在升壓過程中，不得撞擊和敲打管道，穩壓期間安排專人負責巡線，發現管道破裂和異常情況，及時聯系匯報。2、強度試驗時，若壓力出現急劇下降，要及時查找泄漏點，泄壓后組織搶修，并重新進行試壓。5.3管道焊口焊接具體實施5.3.1焊接工藝流程焊接工藝流程見圖5.3.1-1所示。合格合格不合格坡口檢查預熱組對熱焊、填充焊（及層間檢查打磨）根焊（及檢查打磨）蓋面焊（及檢查清理）外觀檢查后熱或緩冷處理無損檢驗進入下道工序焊縫返修層間溫度控制圖5.3.1-1焊接工藝流程圖5.3.2焊接工藝要點1、坡口檢查1）管道的坡口形式和坡口尺寸應按設計文件或焊接工藝卡規定要求進行。2）坡口加工宜采用機械方法，坡口端面應與管軸線垂直。3）坡口加工后應進行外觀檢查，坡口表面不得有裂紋、分層等缺陷。2、組對1）焊件組對前應清除坡口兩側各50mm表面上的油污、浮銹、水分、泥沙等，并對坡口內外側表面不小于10mm范圍內的油、漆、垢、銹、毛刺等清除干凈。2）管子或管件對接接頭組對時，內壁應齊平。宜采用內對口器進行組對，在撤離內對口器前必須焊完全部根焊道。若采用外對口器組對時，撤離外對口器前根焊道必須焊完50%以上，且均勻分布。3）下向焊管道組對尺寸見表5.3.2-1。表5.3.2-1下向焊管道組隊尺寸表組對項目纖維素型下向焊條的管道組對尺寸低氫型下向焊條的管道組對尺寸坡口角度（°）55～6560～70鈍邊厚度（mm）1.0～1.51.0～2.0間隙（mm）1.0～2.01.0～3.5最大錯邊量（mm）不大于管外徑的3/1000，且不大于24）有直縫（或螺旋焊縫）的管道組對時，應將直焊錯開間距≥100mm，相鄰環縫間距≥1.5Do（管外徑）。3、預熱1）在本工程中，當環境溫度在0℃以上，可不預熱。環境溫度在0℃以下預熱溫度100～150℃。2）對有焊前預熱要求的管道在焊件組對并檢驗合格后，進行預熱。預熱方法可采用火焰加熱法、電加熱法和噴燈加熱的方法。3）預熱寬度以焊縫中心為基準，坡口兩側大于50mm為宜，該范圍內預熱溫度應均勻。測溫方式可采用觸點式溫度計或測溫筆，在距離焊縫中心線50mm處對稱測量。4、焊接1）焊條的選用原則見下表5.3.2-2所示。表5.3.2-2焊條選用序號接頭名稱打底填充蓋面備注1主線纖維素焊條，下向藥芯焊絲，下向藥芯焊絲，下向2連頭纖維素焊條，上向藥芯焊絲，下向藥芯焊絲，下向3返修纖維素焊條，上向低氫焊條，上向低氫焊條，上向2）施焊順序及焊接層次主線即管道除碰頭之外的所有接頭，采用傳統下向焊工藝，由兩名焊工分兩側纖維素焊條下向打底，藥芯自保護焊絲填充，蓋面；連頭即分段的碰頭接頭，由兩名焊工分兩側纖維素焊條上向打底，藥芯自保護焊絲填充，蓋面；返修接頭，由兩名焊工分兩側纖維素焊條上向打底，低氫焊條填充，蓋面；采用不同的工藝流都程是為了保證接頭的強度，連頭和返修接頭采用纖維素焊條上向焊接，是為了更好的保證打底層的合格率，雖然損失了一些效率。返修接頭含氫量本來就高，為了保證接頭的強度，一定采用低氫類的焊條，所以返修接頭的填充與蓋面采用低氫焊條，而不是繼續用自保護焊絲。施焊順序及焊接層次應按焊接工藝卡規定要求執行。管道下向焊的施焊順序見圖5.3.2-1。對管道直徑小于711mm，每層焊道由二名焊工同時施焊。當管道直徑大于或等于711mm時，每層焊道宜由三名焊工同時焊接。圖5.3.2-1施焊順序管道下向焊采用多層單道焊，不同管壁厚度的焊接層數參見表5.3.2-3所示。表5.3.2-3不同管壁厚度要求的焊道層數壁厚（mm）67～89～1010～1212～14層數3～444～55～66～73）焊接工藝參數施焊時的焊接工藝參數應在焊接工藝卡規定的范圍內。纖維素型下向焊焊條施焊的焊接工藝參數參見表5.3.2-4。表5.3.2-4用纖維素型下向焊條焊接工藝參數項目焊條直徑（mm）電流極性電流（A）電壓（V）焊接速度（cm/min）運條方法根焊5.2直流反接70～11021～2612～20直拉4.0100～14022～2815～35熱焊、填充焊及蓋面焊第二層5.2直流反接100～13022～2815～30直拉4.0110～18022～3015～35第三層及以后各層4.0直流反接110～18025～3010～35直拉或小幅度擺動4.8140～22026～3215～35低氫型下向焊焊條施焊的焊接工藝參數參見表5.3.2-5。表5.3.2-5用低氫型下向焊條焊接工藝參數項目焊條直徑（mm）電流極性電流（A）電壓（V）焊接速度（cm/min）運條方法根焊5.2直流反接70～12019～266～20直拉熱焊、填充焊及蓋面焊第二層5.2直流反接90～14020～2715～30直拉或小幅度擺動4.0120～18021～3015～35第三層及以后各層5.2直流反接90～14020～3015～25直拉或小幅度擺動4.0140～21021～3015～354）施焊技術①全位置下向焊接必須采用焊接速度快、熔敷金屬單層厚度薄的多層焊原則。并對根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊以及層間的修磨和清理采用流水作業的形式。②根焊焊道必須采用直向焊，其余焊道的焊接可直向焊或小幅度擺動焊。③根焊道必須熔透，背面成形良好。根焊道焊完后，立即用角向磨光機打磨整條根焊道，使焊縫中間部位稍有圓滑下凹。并應盡快進行熱焊道焊接，根焊道與熱焊道焊接間隔時間不宜超過5min。④熱焊、填充焊和蓋面焊的層間，應對換焊條的接頭高出部位和其它凸出的熔敷金屬用角向磨光機修磨平整，并用專用鋼絲輪清理焊縫后，方可焊接次層。⑤相鄰兩焊層更換焊條的接頭不得重疊，應錯開20～30mm。⑥施焊時，每層焊道應連續焊完，中間一般不應中斷。⑦焊接層間溫度不低于規定的預熱溫度下限。5）操作注意事項①嚴禁在被焊工件表面引弧、試電流或隨意焊接臨時支撐物。②施焊時管子應保持平穩，不得受到震動和沖擊。③每根焊條引弧后應一次焊完，應保證起弧和收弧處的質量。更換焊條應迅速，應在熔池未冷卻前再次起弧。④根焊焊接時，管內應防止穿堂風。⑤焊接完畢應對焊縫進行清理，經自檢合格后做好焊工代號的標識。6）后熱及緩冷處理后熱或緩冷處理按焊接工藝卡規定要求進行，并做好記錄。5、焊接質量檢驗1）外觀檢驗不合格的焊縫，不允許進行其它項目的無損檢驗。2）管道對接焊縫表面質量應符合下列規定：焊縫表面成型良好，焊縫邊緣應圓滑過渡到母材，焊縫表面不允許有裂紋、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷。焊縫咬邊深度≤0.5mm，在任何長300mm焊縫中兩側咬邊累計長度≤50mm。余高：以0.5～1.6mm為宜，局部不得大于3mm，且長度不超過50mm。寬度：焊縫寬度以每側坡口增寬0.5～2.0mm為宜。3）焊縫的無損檢驗所有焊縫進行100%射線探傷（RT），20%超聲波探傷（UT）。主線對接焊縫采用探傷機器人周向曝光，連頭（碰頭）探傷采用定向射線機雙壁單影透照。探傷合格級別為Ⅱ級，100%合格。6、返修當焊接接頭有超標缺陷時，必須進行返修，并應遵守下列規定：1）焊縫返修工藝，應有經評定合格的焊接工藝評定。2）焊縫返修應由持有相應合格項目的焊工擔任。3）對于不合格的焊接接頭，應查明原因，采取對策，提出返修工藝，進行返修。返修后還應重新進行檢驗，并認真做好記錄。4）焊縫修補宜使用同等強度級別的低氫型焊條，返修按返修工藝要求進行。5）當焊縫裂縫累計長度大于或等于焊縫長度的8%時，該焊縫宜割掉重新焊接。6）所有修補的焊縫長度，均應大于50mm。7）返修一般采用機械挖補的方法來清除缺陷，對厚壁管道亦可采用碳弧氣刨清除缺陷。確認缺陷清除后，并對返修部位進行坡口清理和修磨，方可進行補焊。8）焊縫同一部位的返修次數一般不得超過二次。當超過二次返修時，其返修工藝措施必須經項目總工批準。6.材料設備6.1所需材料及設備所需材料及設備見表6.1-1。表6.1-1材料設備一覽表序號名稱型號規格數量單位備注1汽車吊25t1臺臨時租用2自吊8t1臺臨時租用3鏟車502臺清表/布管4挖掘機3205臺沉管/對口5推土機2臺清表6發電機2臺焊接7半自動電焊機6臺焊接8對口器1套對口9GPS1套測量定位10磨光機1256臺打磨11射線檢測儀1套無損檢測12超聲波檢測儀1套無損檢測13電火花檢測儀1套防腐檢測14管道爬行器1套無損檢測15管道打壓泵車1臺打壓16其他各類小工具若干7.質量控制7.1組織全體施工人員認真學習掌握施工技術規程和質量標準，并開展崗位技術培訓，提高施工人員的技術操作水平。7.2工程開工前，由項目工程師組織項目專業技術人員，針對該工程特點編制詳細可行的施工技術安全措施，經審批后執行。7.3開工前，技術人員要做詳細的技術交底，施工中堅持“三檢”制，質量檢查人員隨時抽查、檢查，以確保每道工序都受到控制。7.4嚴把材料進場關，進場材料須質量證明文件齊全，經檢驗合格后入場。7.5管道焊接時，嚴格遵守施工操作規程，嚴格控制焊接制作過程，保證焊接質量，杜絕錯口、咬邊、夾渣、氣孔等缺陷。7.6管道搬運必須采用尼龍帶，寬帆布吊索或加墊吊索的裝車設備；7.7吊裝時，嚴禁用鋼絲繩穿心吊，堆放時應采用足夠多的吊繩分層擱分管道，以不使某個支撐點荷載過大，損壞防腐層；7.8長途運輸時，管道的承口插口段應妥善包扎，以防管滾動碰傷，路況不好時應減速慢行；7.9嚴禁直接將管材從運輸車上滾落到地面上；7.10管材存放時，兩處墊物支點距管端距離不超過管長的1/5；7.11管道排氣閥、排水閥及截斷閥留置的位置必須符合設計要求；7.12嚴格控制管道埋置深度，確保管道在凍結深度以下。8.安全措施8.1針對工程特點制定專項安全方案，并進行安全交底。制定應急預案，確保施工安全。8.2吊裝作業要有專人指揮，信號要清晰、明確。8.3吊裝作業