海洋市政管线扩散器安装技术研究

李 明，王明强，王小东，彭 飞，刘 飞，程龙生

（中国石油管道局第六工程公司，天津 300272）

海洋市政管线扩散器安装技术研究

李 明，王明强，王小东，彭 飞，刘 飞，程龙生

（中国石油管道局第六工程公司，天津 300272）

通过介绍当前海洋市政管线扩散器的主要构造形式和特点，分析了扩散器安装的施工准备，剖析了海洋市政管线扩散器的主要安装方式。研究总结了当前海洋工程扩散器安装的施工工艺流程，明确了海洋市政管线扩散器安装主要根据扩散器长度、材质及所在海域的海流、涌浪和当地气候等因素选择施工工艺。同时，阐明了一种较为常规、有效的扩散器安装方式——通过陆地分段预制，海上精确定位，借助船舶分段运输、分段起吊和安放，采用旋转法兰实现水下连接。这为海洋市政管线扩散器安装指明了研究方向，也为探索更加安全、快捷的安装方式奠定了基石。

扩散器；精确定位；分段起吊；水下连接；旋转法兰

0 引言

海洋市政管线为市政管线的海洋延伸部分，其主要作用是将陆地上经过泵站处理的达标废水通过其排放至深海中，减少对环境的污染。

海洋市政管线的终点多数为扩散器，通过扩散器将废水分流、稀释于大海中。扩散器作为海洋市政管线的末端排放设备，具有其独特的构造特点。通常根据日排水量及当地海况等设计成多孔排放及鸭嘴阀排放[1]。在施工中，现场安装方式必须根据海水深度、水流及管道材质进行选择，确定符合工程实际要求的安装方法，从而有效而安全平稳地完成扩散器安装[2]。鉴于此，本文主要通过阐述海洋市政管线扩散器的构造形式及具体安装方法，进一步深刻明晰了海洋市政管线扩散器不同形式的不同安装方式以及未来构造及安装发展方向。

1 海洋市政管线扩散器的主要形式

随着海洋市政管线的不断增多，根据工程当地海洋环境和施工规范及业主、设计要求，其末端扩散器的形式各有不同，但其基本原理都是将管线输送的废水通过变径、上升管等将其分流、稀释于海水中。

1.1 海洋市政管线套筒保护型扩散器

对于较为繁忙的海域，过往船舶及海上建设较多，市政管线末端扩散器设计时必须充分考虑当地海域情况，根据其可能受到的外力情况进行设计。针对较为繁忙的海域，特别是船锚及块石等经常抛投或散落区域，对其扩散器加以保护，设计成套筒型，从而有效保证其安全运行[3]。

广东惠州大亚湾石化区污水排海工程中设计采用的即为套筒保护型扩散器，即在尾端扩散器的四周预制套筒与扩散器连接，对其形成保护，避免受到破坏，如图1所示。

图1 套筒保护型扩散器

1.2 海洋市政管线阀门型扩散器

考虑到部分海域的海洋生物情况，同时结合工程业主的投资概算，为了保证市政排水管线非工作状态时海水倒流，其扩散器上升管处设置鸭嘴阀。排水时在冲水压力的作用下自动打开，而非排水时就会自动合拢，有效的避免了海水及污物的倒流。另外，为了保护扩散器，其顶部采用粗砂和模袋混凝土进行压实保护，形成保护套。

1.3 海洋市政管线阀门保护罩型扩散器

部分海洋市政管线工程为了有效的排水并减少外界对扩散器及排放口的破坏，同时考虑到排水能力和工程造价，扩散器排放口设置数量较少，其顶部设置鸭嘴阀且其周围使用球形混凝土保护罩加以保护，构造相对简单，如图2所示。

图2 阀门保护罩型扩散器

2 扩散器安装调查及定位

扩散器安装前，测量人员使用 GPS、多波束等测量设备对待安装区域进行测量扫测，明确其区域内没有任何阻碍物，同时进一步确认扩散器安装位置，从而确保扩散器准确、安全和无障碍的安装到位[4]。

2.1 扩散器安装前施工预调查

扩散器安装前，根据业主提供的有关地质资料对施工相关海域进行综合调查和测量，为施工决策和方案实施提供数据支持。按照业主提供的海底扩散器拟安装位置坐标，采用RTK-GPS定位测量仪器对业主书面给定的控制点进行校核，确保扩散器位置的准确性。如果校核结果与提供坐标有出入，及时向业主汇报。通过业主和当地有关部门复核扩散器位置附近是否存在其他设施。若与已知数据确实存在差距应及时通知业主和设计单位人员予以核实、变更[5]。同时，对其待安装位置的海底地形状况进行深入了解，确认是否存在海底建构筑物、异常障碍等，为施工方案决策、船舶和设备选择等提供明确的数据支持和详实的施工指导资料。

现场根据不同的水深确定使用不用的测量设备，对水深大于4m的测量区域采用多波束进行测量，小于4m的采用单波束进行测量，如图3。

图3 多波束测深系统示意图

2.2 扩散器安装船舶精确定位

扩散器安装所使用的浮吊导航采用电罗经和 GPS定位系统对其进行定位导航，其中可将GPS设备两个GA530天线分别架设在船头和船尾用于定位定向，从而准确测出船舶和扩散器位置，如图4。

图4 数据连接定位系统示意图

3 扩散器安装技术分析

扩散器无论采用何种形式，其现场安装主要分为扩散器整体甲板焊接后下放至海底、扩散器整体水下螺栓连接、扩散器分段下放至海底后分段螺栓连接等几种形式。现场主要根据业主、设计要求和扩散器材质及长度等进行安排，采取相应方式组织安装，达到业主、设计要求[6]。目前，海洋市政管线扩散器安装中较为普遍的方式是采用浮吊分段下放至海底后使用旋转法兰完成水下连接。

3.1 扩散器整体拆分

按照设计要求，扩散器一般较长，达100m以上，且其上部附属有上升管及鸭嘴阀等，部分扩散器还涉及主管线直径缩减变化等。这就要求现场安装前首先将其按照管材及浮吊起吊能力进行拆分，一般50m左右为一节，具体长度需根据管道材质及管径等进行计算、拆分，两端预留法兰，在水下与待连接管线相连。

3.2 扩散器分段起吊

分段预制完成后，使用驳船将其运输至待安装海域，根据预先测定的位置靠驳于浮吊一侧，准备起吊。

3.2.1 扩散器吊点计算

扩散器起吊前，现场需要对其吊点进行认真测算，以确保起吊过程的安全、平稳。目前较为常用的是OFFPIPE计算软件，通过对水深、水流、涌浪、风力、管材屈服强度等系数进行分析，测算出不同吊点的受力情况，从中选取受力最为合理的点作为吊点，以保证扩散器起吊安放中的安全性和稳定性，如图5。

图5 数据连接定位系统示意图

3.2.2 扩散器起吊、安放

根据计算，扩散器起吊点已选定。按照预先布置好的浮吊进行扩散器起吊，然后将其牵引至待安装位置，在水下潜水员的遥控指挥下，浮吊司机缓慢的下放分段扩散器，并随时按照潜水员的指示加以调整，最终平稳地安放于待安装位置，如图6。

图6 扩散器起吊、安放示意图

3.3 扩散器水下连接

总结多个海洋市政管线扩散器安装经验，分段起吊并安放于海底后，然后在浮吊的向上拉力作用下，扩散器悬浮于水中[7]。同时，借助浮吊将已铺管线管头轻轻吊起，使其端口与扩散器待安装端口处于同一直线上，从而使其能顺利平直的连接在一起。

1）船舶及预制段准备就绪后，根据排污管段的浮漂，潜水员下水探摸，将两根钢丝绳的一端分别套在离管端 2m～4m的位置，用卡环连接。管线绑钢丝绳的位置先用胶皮包扎，防止损伤污水管线[8]。其中一根钢丝绳的另一端连接船舷系缆桩，另外一根钢丝绳的另一端连接船吊。船吊轻轻起吊，使管端离开泥面50mm，如图7。

图7 管端超吊示意图

2）在管端离开海底泥面50mm后，将连接在系缆桩上的钢丝绳拉紧并系在系缆桩上，船舶舷吊释放吊力，潜水员解开舷吊上的钢丝绳与海底管端连接处。此时水下管道应保持一个微小的倾斜角度。潜水员下水检查，若管道与海底泥面角度太大或者太小，根据潜水员的指挥对管道高度做略微调整，保持管道和海底泥面的夹角合适。

3）将第一预制段扩散器吊起，按照计算结果设置吊点。调整起吊钢丝绳的长度，使预制段向管线末端微微下斜。预制段扩散器略带倾斜角，倾斜角度和水下管线的倾斜角度相近。在吊起的预制段两段分别套一根牵引绳，用来控制预制段扩散器的方向，在工程浮吊船左舷轻轻下水。

4）预制段扩散器下放至接近海底时停止下放，潜水员下水至管端附近，通过船上施工人员和潜水员配合，将预制段一端的牵引绳交到潜水员手中，潜水员通过牵引绳找到预制段扩散器，并指挥施工人员将其调整至管端位置(如下图所示)。潜水员利用撬棍和船员配合进行预制段扩散器水下安装。

考虑到水下螺栓连接的施工工艺，一般法兰设计为可旋转法兰，即法兰在管头末端可 360°自由旋转。根据对孔位置可随时旋转、调整，从而更快捷、方便地完成螺栓孔对接。

法兰螺栓孔对接完成后，首先用2～3个螺栓固定法兰位置。选择一侧放置垫片，在放置垫片时，用撬棍放在法兰之间，防止预制段扩散器振动损伤垫片，接着再用对角的2～3个螺栓加固法兰连接，确保法兰对接完成，如图8。

图8 潜水员水下指挥安装示意图

5）水下法兰初步对接完成后，利用液压扳手紧固螺栓。同时，安装好全部螺栓并紧固。

6）水下法兰全部紧固完成后，释放系缆桩上的钢丝绳，潜水员水下解缆后，该预制段的安装就完成了。

4 总结和展望

随着海洋市政管线的不断增多，其末端配置的扩散器是其中不可缺少的重要部分，这就促使扩散器安装成为一个重要课题。作为海洋工程的重要实施者，经过多年的实战摸索并总结实际施工经验，采用扩散器分段预制、运输、下放，然后使用旋转法兰进行水下连接较为普遍，相对传统扩散器安装方式具有如下优点：

1）扩散器现场分段预制，可将长达百米的大型构筑物分段预制成几十米的小型物体，减小了吊装、转运难度，有利于现场操作；

2）扩散器连接时采用水下旋转法兰进行组对，其只需借助浮吊及舷吊将已铺管线和扩散器微微吊起，潜水员即可快速、安全的完成水下连接。该预制、安装方式的安全性和适用性已获认可，已经发展成为海洋市政管线扩散器安装的重要施工工艺。

[1]《海洋工程设计手册—海上施工分册》[M].第三版,161-165.

[2]马良,王金英.海底管道的埋设[J].油气储运,1993(1): 15-17.

[3]《ANSI standards》.45-48.

[4]《ABS Steel vessel Rules 2007》.52-53.

[5]《中国油气田地面工程技术交流大会论文集》.2013,756-759.

[6]《船舶工程》2013(5): 22-25.

[7]O.M.帕利.船舶结构力学手册[M].北京: 国防工业出版社,2007: 21-23.

[8]竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津: 天津大学出版社,1991:25-27.

Research on Installation Technology of Marine Municipal Pipeline Diffuser

LI Ming,WANG Ming-qiang,WANG Xiao-dong,PENG Fei,LIU Fei,CHENG Long-sheng
(Sixth Engineering Company of CPP,Tianjin 300272,China)

The main structure forms and characteristics of the marine municipal pipeline diffuser is presented in this paper.Besides,the construction preparation and main installation methods of marine municipal pipeline diffuser are dissected.Finally,the current construction technology and procedure of the diffuser installation in the ocean engineering is summarized,which show that the construction technology selection of marine municipal pipeline diffuser installation mainly depending on the diffuser length,its material,local sea current,surge and local climate,etc.At the same time,this paper also illustrates a more conventional and effective diffuser installation method----its underwater connection is realized by prefabricatingon the land,accurate positioningat sea,transportation with the aid of the ships section by section,liftingsection by section and launchingand finally connecting by rotary flanges,which points out the research direction of marine municipal pipeline diffuser installation and also lays the foundation for exploring safer and faster installation method.

diffuser; accurate positioning; lifting section by section; underwater connection; rotary flanges

TV92

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.008

李明（1983-），男，工程师。研究方向：主要从事海洋市政管线铺设、海洋市政管线扩散器安装以及海洋构建筑物施工等关键技术研究工作