沉管过河施工中供热管道的安全性验算分析

杨亚龙，李春庆，王永，赵颖

(天津市城安热电有限公司，天津 300204)

0 引言

热网建设中，从项目建设投资和工期方面考虑，供热管道沉管过河的方式较顶管过河等方式有巨大的优势，但施工中管道本身的安全性成为困扰沉管方式推广应用的最大问题。本文以华电天津军粮城发电有限公司和天津市陈塘庄热电有限公司热网联网沉管过海河的工程为例，介绍沉管过河工程中供热管道的安全性验算方法。

1 项目背景及施工方案

1.1 项目背景

为保证天津市热电联产集中供热实现联网，华电天津军粮城发电有限公司和陈塘庄热电有限公司热网采用沉管方式沿南北方向垂直穿越海河，穿越长度为165 m，管径为DN 1 000 mm，包括供、回水两路管，钢管中间为105 m水平管段,两侧管段以15°坡度分别向两岸延伸。

沟槽开挖采用挖、运、卸三位一体施工工艺，管道施工采用堤岸平台整体焊接方式，打压合格后将管线滑入河道内。钢管沉管前从水路运输，一次整体漂管，水面划弧就位，注水后垂直一次沉入基槽内。

1.2 施工技术方案

(1)该工程采用沉管法，先将钢管从焊接平台运到河道内，根据管线长度，每30 m布置一台挖掘机，用软吊带将管线绑扎牢固，起吊后稳步送入水中。水路运输采用118 kW拖轮和59 kW挂桨机将钢管送到左岸沟槽中，并与西岸扒杆吊点绳连接，然后以西岸端为转动中心，使过河管道向右岸缓慢划弧，入位后将钢管东岸端点和东岸扒杆吊点连接。

两岸主扒杆均采用10 m长的ø219 mm×10 mm的无缝钢管，每套扒杆配置2台50 kN慢转卷扬机(其中1台备用)，25 mm钢丝绳返4×4滑轮组，滑轮组与钢管相连。用8条缆风绳均匀地拉牢主扒杆使其稳定，地面上地锚采用预埋法。过河管水平画弧就位后，各吊点船在过河管一侧(即凸起侧)就位并抛锚固定，沿过河管道每30 m设置1条吊点船。河中每条吊点船上布置1套8 m长的ø219 mm×7 mm无缝钢管人字扒杆及1台50 kN慢转卷扬机，吊点船采用1 200 kN铁驳船。

经浮力计算，预制保温钢管质量为0.491 3 t/m，管道体积排水质量为1.047 2 t/m，折合每5 m的净质量为2.78 t，若每5 m绑定DN 1 000 mm×2 000 mm的橡胶浮球，则每5 m的净质量为1.21 t，每30 m的净质量为36.30 t，每30 m布置1条1 200 kN的吊点船完全满足要求。

图1 管道起吊示意Fig.1 Pipe lifting

利用浮球的沉管作业步骤为：在堤岸上将多个浮球均匀绑定在管道上；管道在平面坐标就位后向管道内注水，同时对多个浮球进行对称放气操作，使管道能够平稳地沉放至河底的预置沟槽内；断开管道与左岸扒杆吊点绳、右岸扒杆吊点绳以及各个定位吊点船吊点绳的连接，用细砂和石屑垫层回填预置沟槽并恢复河道。

2 验算条件

管道起吊示意图如图1所示，管道水平长度为105 m,两端折角均为15°，折角左侧20.5 m处为主扒杆悬吊点，此处位于左侧第1道焊口，焊口向左12 m到最左侧，即折点左侧管共32.5 m长。折角右侧33.5 m处为主扒杆悬吊点，此处位于右侧第1道焊口，该焊口向右12 m到最右侧，即折点左侧管共45.5 m长。水平管轴向用紧固带每隔5 m绑定DN 1 000 mm×2 000的橡胶浮球，每30 m设置1条定位吊点船。

钢管设计参数为：设计压力，1.6 MPa；设计温度，130 ℃；外径(不含保温层)，1 020 mm。管道采用聚乙烯外套的预制保温管，工作钢管采用螺旋焊缝钢管，材质为Q235B，壁厚为16 mm，采用无补偿冷安装方式敷设[1]。在沉管施工过程中，从钢管划弧就位后起吊到注水沉管是钢管受力最不利阶段，故验算分析空管起吊状态。

3 验算分析方法

为确保沉管过河的供热钢管组在施工和使用过程中的安全性和可靠性，需要验算钢管强度、两侧主扒杆起吊后的管道挠度、两侧吊点处剪切应力和弯曲应力[2-4]。

3.1 壁厚选择

钢管在运行中承受工质压力，在沉管作业中承受自重、工质重力、拉撑和悬吊等引起的局部集中载荷，故有必要依据许用应力进行壁厚计算和依据设计壁厚进行应力校核验算[5-6]；同时，考虑受腐蚀减薄影响，还需要进行设计寿命验算。

(1)壁厚计算。

djs=d1+C，

式中：d1为管道理论计算壁厚mm；pjs为计算压力，1.6 MPa；Dw为管道外径，1 020 mm；[σ]为管道基本许用应力，Q235B钢取125 MPa；η为管道焊缝减弱系数，螺旋焊接钢管取0.6；djs为管道计算壁厚mm；C为管道壁厚附加值，0.8 mm。

经计算，djs为11.565 mm，可见，壁厚d取16.000 mm完全满足要求。

(2)校核验算。

式中：σzs为内压折算应力。

经计算，σzs为98.03 MPa，壁厚16 mm的Q235B钢管在130 ℃的计算温度下基本许用应力为134.10 MPa，内压折算应力小于该值，符合强度要求。

考虑河底管道的抗腐蚀性能，河底管道部分选取16 mm厚，比标准14 mm增加2 mm，按照0.08～0.10 mm/a的腐蚀量计算，可增加超过20 a的腐蚀余量。

3.2 挠度计算

Q235B钢的许用弯曲应力σbw为80 MPa[7]，单位长度的空管(包含钢管、保温及外皮)质量为0.491 3 t/m，通过下式可以计算钢管起吊后的曲率半径

式中：E为弹性模量，196 GPa；y为计算应力的点到中心轴距离，0.5 m。

计算得ρ为1 225 m，根据图2求得θ为4.91°，反推极限挠度为1.124 m。

图2 挠度计算示意Fig.2 Deflection calculation

利用基于弹性模量的公式计算管道中点的挠度[8]。

式中：γ为管道中点的挠度，mm；q为单位长度集中载荷，4.8 kN/mm；l为管道跨长，105 m；I为惯性矩，636 050×104mm4。

经计算，γ为6.113 m，超过极限挠度。

充气浮球可通过放气量的无扰控制，灵活、精确地控制沉浮力，故考虑采用捆绑橡胶浮球和设置中部吊点船的作业方式，辅助起吊和沉放作业[9]。这种作业方法可解决超长距离穿越河道沉管中挠度、剪切应力、弯曲应力超标问题。该项目施工中采用这种作业方法后，实测最大挠度约为1 m。

3.3 剪切应力计算

剪切应力最大部位位于管道两侧起吊点处，该处的剪应力

式中：Q为剪切面上的剪力；A为剪切面面积(ø1 020 mm×16 mm管道的截面积)，50.466 5×10-3m2；l为两侧起吊点间的管道长度，159 m。

经计算，τ为7.585 MPa。塑性材料的剪切许用应力[τ]=(0.6～0.8)[σ]=75～100 MPa，τ≤[τ]。

3.4 弯曲应力计算

计算弯曲应力时，需要对整个管道组进行计算。经计算，当量直管段长度为157 m，按照图2计算得整个管道的曲率半径ρ1为3 085 m。

弯曲应力最大处为两个支吊点中间位置，该处的最大弯曲应力

计算得σmax为31.76 MPa，小于钢管许用应力125.00 MPa和许用弯曲应力80.00 MPa。

4 结束语

在方案设计中，管壁厚度应满足计算温度下管道基本许用应力的要求；较长的金属管道在两头起吊过程中会产生较大的挠度，对管道安全性造成很大威胁，需进行校核验算；吊点为剪切应力和弯曲应力集中处，需进行应力校核验算，以确保金属管道起吊和沉放中的安全性。