长输管道定向穿越优化设计与应用探究

徐敏　石成金

摘 要：定向钻穿越工艺对地质条件有相当严格的要求，该工艺适宜于穿越的地质条件有：黏土层、亚黏土层、粉砂层、中砂层。水平定向钻穿越作为非开挖施工方式的一种，施工技术已相当成熟，凭借其工期短、不破坏河流原貌、对周围的环境影响小的优点，在国内外大型河流穿越中得到广泛应用。在实际工程项目中，穿越失败案例也时有报道，影响定向钻穿越的成功有很多因素，合理的设计至关重要。

关键词：水平定向钻穿越;优化设计;参数设定;强度设计;抗震设计

拟设计管道DN450 设计压力 6.0 MPa。根据规划对输油管道路由比选，确定该管道最终路由需穿越区域位于二级水源保护地。主管部门要求本工程穿越采取最严标准进行建设，本文中对管道定向钻穿越中几个设计要点进行了重点分析。

1穿越地层的确定

需要穿越地层位于冲积平原，土质虽然比较适合穿越，但这种地质也有不利条件，如果土壤含水量少，在穿越过程中的固孔效果很好，但硬度增加，增加施工难度;如果含水量过

多，就会形成流沙层，固孔效果非常差。穿越时应根据地勘报告选择在稳定土层穿越。本案例中，根据地勘报告，从标高 2.00～-10.00 m 约 12 m 的范围内全部为流沙层。如果将穿越轨迹全部设置于流沙层中，风险就相当大，所以只有增加穿越深度，把穿越水平段定在黏土层（标高为-20.0m），使穿越管道大部分处于比较稳定的土层中。

2 穿越设计参数

2.1 定向钻的出入土角度的确定

穿越时管道的出、入土角度直接影响到穿越的长度和深度，出、入土角度越大，拖拽管道的阻力就越大，施工难度就越大。根据 GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》，入土角取6°～20°，出土角取 4°～12°。实际工程中对于直径较大的管道，入土角一般取 9°～12°，出土角取 4°～10°。本项目中，确定输油管道的入土角为 12°，出土角为 10°。

2.2 曲率半径

定向钻钻进时曲率半径按规范要求不应小于1200D（D：钢管外径），这主要基于 RB5 大型定向钻机的要求。若曲率半径过小，不仅会使管道的拖拉力增大，而且还影响到管道的稳定性。具体曲率半径的选择，需要根据工程项目实际情况确定。在条件具备时，对于 DN600 以上的钢管穿越，曲率半径一般应大于1500D。对于DN600 以下，为避免在地层条件良好的小口径穿越中出现定向钻长度过长、投资较高的情况，建议不小于 1200D。当受现场穿越条件限制，在合理选择钻进的情况下，最小曲率半径可进一步降低至 1000D。本案例中，管道的曲率半径按照 1500D确定。

2.3 穿越深度

管道穿越深度受多种因素影响，包括抛锚、采沙、河道疏浚、以及水下管道本身的稳定性等。根据 GB 50423—2013 规定，“水域穿越管段管顶埋深不宜小于设计洪水冲刷线或疏浚深度线以下 6m”。根据地勘报告，本项目管道选择在粉质黏土层内穿越，保障了穿越安全性，避免产生孔洞塌方。本案例中将穿越段管道管顶与江底距离提高至 10m。

3 强度设计

3.1 管材选取

长输油气管道用钢管可选择无缝钢管（SMSL）、螺旋缝埋弧焊钢管（SAWH）、直缝埋弧焊钢管（SAWL）、高频直缝焊钢管（HFW）等。一般管道直径DN<400 的河流穿越，通常选用母材无缝焊接、质量可靠的无缝钢管，对于直径 DN≥400 的河流穿越，可选焊接钢管。本案例选用综合机械性能更好的 HFW 钢管，等级为 L360M。

3.2 壁厚确定

为保证管道在运输、铺设和埋管过程中，不发生圆截面的失稳，应保证管道的径厚比不小于 100。在满足穿越条件下的管道径向稳定要求下，其管道壁厚计算应按照GB 50423—2013 中式 3.2.3 进行计算确定，设计系数按照该规范表 3.2.2 进行选取，本项目中，输油管道的强度设计系数取 0.5。

3.3 应力校核

近年来国内定向钻穿越过程中，出现过几次管道径向失稳变形的事故。造成径向失稳的因素包括管道壁厚选取偏薄、施工方案不合理、以及管道自身的材质和椭圆度不达标等。在设计阶段采取措施避免失稳至关重要。一般定向钻穿越管段选材和壁厚确定后，还应进行应力校核，包括强度、刚度、稳定性以及穿越时的径向屈曲失稳等。本文重点对设计阶段管道选材后的径向屈曲失稳进行校核说明。

定向钻穿越时，在高水位和泥浆压力下，管道有可能产生局部屈曲现象，为此，经内压计算确定壁厚后，还需要按照铁木辛珂公式进行外压失稳校核：本工程采用定向钻穿越的管道穿越深度不超过 25 m，经计算，本项目中管道穿越段径向屈曲强度满足规范要求。

4 抗震设计

按照 GB 50470—2017《油气输送管道线路工程抗震技术规范》的规定，当大中型穿越管道位于设计地震动峰值加速度大于或等于 0.1 g 地区时，应进行抗拉伸和抗压缩校核。本项目中，定向钻穿越位置地震动峰值加速度为 0.1 g，本工程按照规范进行穿越段的抗震校核。

4.1 弹性敷设时管道的轴向应变计算

直埋式穿越管道的应变应按埋地管道的规定组合。对定向钻的弹性敷设管道，应计入弹性弯曲应变，经计算，本工程弹性敷设时的管道轴向应变e为±0.000 33。

4.2管道的最大轴向拉、压应变校核

直埋式穿越管道的容许应变值应按埋地管道选用，并应按 GB 50470—2017 第 6.1.2 条校核。地震作用下管道截面积轴向的组合应变计算，应将地震引起的管道最大轴向应变与操作条件下荷载（内压、温差）引起的轴向应变进行组合，并应按公式校核。

5 防腐

定向钻穿越的管道一般敷设比较深，一旦穿越完成，如管道出现问题将无法进行修复。为此，在设计阶段加强管道的完整性管理至关重要。管道外防腐作为管道完整性的主要评价内容，如何提高穿越段管道外防腐层增加耐磨、耐划伤保护层是国内外定向钻穿越一个研究方向。笔者认为，在不过多增加管道投资情况下，适当提高管道的防腐等级，对于增强管道的抗磨损和腐蚀能力有重要意义。本案例中，经对常用的几种管道外防腐材料比选，管道外防腐采用抗冲击性能优异、抗划伤性能好的双层熔结环氧粉末涂层。同时对穿越段全部管線采用光固化套保护，避免管道拖拉中防腐层的破损。

为保证油气管道定向钻穿越成功，定向钻设计的合理性至关重要，本文以输油管道为例，从穿越地质的选择、设计参数确定、管道强度设计、管道抗震、外防腐等几方面对定向钻穿越的设计要点进行了重点分析，并提出了合理化建议，供今后类似项目设计参考。

参考文献：

[1] 油气管道定向钻穿越勘察设计及主要施工技术[J]. 赵倩维.  化工管理. 2016（35）