利用超高压水射流技术进行LNG储罐预应力孔道疏通的施工实践

上海电力监理咨询有限公司 上海 200031

1 工程概况

中国石油某LNG（液化天然气）储罐工程，储罐为后张拉预应力加强混凝土结构，混凝土罐壁内径41 m，外径41.80 m，墙板内共有环向波纹管95×2道，竖向波纹管96道，环向波纹管轴线半径为41.54 m，波纹管为由厚0.60 mm镀锌钢带卷压成型的管道，内径95 mm，其中1道波纹管从锚座口起始约13 m范围内被混凝土浆液堵塞，波纹管从锚座口到扶壁柱内2 m位置处为平直段，之后分别在水平向和竖直向平滑过渡到墙板内，墙板内的波纹管为圆弧曲线（图1）。

图1 波纹管堵塞段与罐体相对位置

2 方案遴选

由于曲线预应力钢绞线穿线及张拉的过程中孔道的摩擦力对穿线机张拉的质量影响，需保证波纹管内壁光滑顺畅，尽量减小摩擦力，使钢绞线能顺畅地穿过圆弧形的波纹管孔道。所以在进行孔道清理的过程中需保证混凝土清理较干净，且不能损伤波纹管内壁。在清理完成后若孔道罐壁内仍有粗糙的混凝土黏附着，会造成预应力钢绞线穿线过程中摩擦力太大或者被混凝土顶住而造成钢绞线无法通过，也会造成张拉过程中摩擦过大而影响张拉的质量甚至导致钢绞线被拉断。

2.1 方案1：采用水钻进行钻芯钻出堵住的混凝土

由于水钻的尺寸本身和孔道的尺寸不是很匹配（或小或大），孔道为镀锌钢带卷压而成的波纹管，内里有凹凸纹路，用钻头无法将混凝土清除干净，残留的粗糙的混凝土会对预应力钢绞线穿线造成极大的影响，而且钻头不好控制，无法控制方向，在拐点及圆弧段必然会损伤波纹管，钻头也无法深入非直线段的孔道内进行施工，即使深入也难保证能够沿着波纹管走向行进。所以在尝试了用钻头在锚座口处钻入70 cm后放弃了该方案。

2.2 方案2：墙面破除进行清理疏通

破墙本身就是对结构具有较大破坏性的措施，而且也需要彻底破坏波纹管，孔道堵住的长度较长（13 m），破墙会对墙体结构造成较大的影响，所以在万不得已的情况下才能采取这种极端的疏通方式。

2.3 方案3：超高压水射流技术

水射流技术为近几年快速发展的一种以超高压的水作为介质进行切割、破岩和清洗的技术，由于水射流对表面致密光滑且不存在微孔隙的波纹管很难造成直接的损伤，且波纹管本身为金属材料，具有较好的弹性、延展性和耐疲劳性能，水射流很难对波纹管造成严重的破坏。而混凝土为脆性多孔隙材料，水射流对其能够有效地破碎。水射流可通过高压软管接喷头深入曲线波纹管内进行破碎混凝土，研究小组认为该技术能够非常好地满足该工程的需求，所以选择了该方案。

3 参数确定及方案实施

选择可压力切换的超高压水射流设备，其压力分别为140 MPa、280 MPa。为了确保有足够的压力对波纹管内凝固的混凝土浆液进行破碎，我们在现场将波纹管内的凝固混凝土浆液钻芯取出一段进行现场试验，试验结果表明在140 MPa的水压下，混凝土芯柱和试件瞬间就被水柱破坏，而280 MPa的水压下，由于水流量减小，对于混凝土试件的破坏效果不理想。为了提高混凝土破碎效率，增加了1台高压水泵并联供水，并选择了流量更大的喷头。

为了便于将混凝土碎屑、水及杂物排出管道，喷头设计成前后有多个喷口的形式，前面的喷口较大，用于提供破碎混凝土的水柱，向后喷射的水柱则将水、杂物及混凝土碎屑向后推出管道，以保证喷头和高压水管前进方向畅通，并对管壁上的残余混凝土进行清理，同时利用向后的水柱的反作用力提供喷头旋转和向前的动力（图2）。

图2 塔式喷头工作示意

4 效果验证

设备选择及参数确定后，以每天疏通4 m的速度顺利完成整个堵塞段的疏通工作。疏通完成后采用摄像头对波纹管内部的疏通质量进行了验收，管道内没有残留混凝土附着，且波纹管内壁无损坏现象，满足预应力施工质量要求。实践证明用该方法进行预应力孔道的疏通，在能够保证高质量疏通效果的情况下，对波纹管、墙体结构等影响都较小，且施工相对简单。

5 效果分析及总结

1）由于混凝土被包裹在波纹管和墙体混凝土内，孔道内的混凝土形成了类似钢管混凝土的结构形式，且此时墙板的竖向钢绞线束已经张拉完毕，墙体受到竖向预应力的作用而对波纹管内的混凝土产生垂直于波纹管方向的压应力，波纹管和墙体混凝土限制了孔道内混凝土的形变，从而使孔道内的混凝土得到了加强，抗破碎能力增强。在这种情况下高压水柱只能通过2种方式对波纹管内的混凝土进行破坏：

（1）渗透入接触面上的混凝土的空隙和气泡中，使混凝土产生应力集中，将混凝土在气泡和裂缝周边呈粉末状或小颗粒状进行碎裂；

（2）水柱对混凝土接触面的不断冲击，水柱的巨大冲击力传递给混凝土形成压缩应力波传递到接触面上的部分混凝土，使混凝土压缩，压缩后又回弹，在此过程中不断地积累压应力和拉应力，最终积累到拉应力足够大时，表面的混凝土会大块剥落。2种方式的作用和效果都比较缓慢，实际破碎效果比试验结果稍差（图3）。

2）由于孔道内的空间有限，且孔道坡度为向内、向下倾斜的坡度，造成部分水无法顺利排出而在孔道内蓄积，超高压水柱在冲击混凝土表面后，由于水的黏滞性会在混凝土表面形成一层水膜，水膜本身也会消耗部分水柱的作用效果。

3）在超高压水柱的冲击下，部分混凝土被破碎，由于孔道直径小、距孔道口距离远，且存在一定曲率，加之高压水管在孔道内阻碍破碎物的运动，部分粒径较大的混凝土碎块无法及时排出，必须彻底粉碎或者碎裂成更小粒径的混凝土碎块后才能排出孔道，部分小粒径的碎块在喷头向后的水柱的作用下向后移动了5 m左右，由于水流的作用力减小，使得部分碎块堆积在这些位置，影响了混凝土碎屑的导出，且对压力水管造成一定的磨损（图4）。在这种情况下，宜采用金属及其他柔性光滑的塑料管材（由于PE管材耐磨、摩擦力小，可以选用该材质的合适的管材套在压力管外进行保护）对喷头及水管进行保护，并间歇对孔道内的碎屑进行清理后再进行后续的作业，既能提高作业效率，也能保护设备。

图3 通过孔隙冲击后碎裂的混凝土

图4 在应力波持久作用下碎 裂的混凝土块

6 结语

在后张法预应力施工过程中，预应力孔道往往存在孔径较小、管道走向较复杂的现象，极易被堵塞，如果预应力孔道被堵塞，采用常规的凿除和水钻疏通的方法难度极大，疏通效果不理想，且极易对张拉孔内壁造成破坏，影响预应力张拉质量。采用水射流技术不仅能较简单且便捷地疏通曲线及异形孔道，而且能保护孔道，从而保证疏通质量及后续预应力施工质量。