大直径高密度聚乙烯管海上出运和安装关键技术

李操

（中国港湾工程有限责任公司，北京100027）

0 引言

高密度聚乙烯（high density polyethylene，简称HDPE）管具有耐腐蚀、质量轻、强度高、流动阻力小等优点，且具有一定的变形能力和较强的地形适应能力，是排水工程的理想材料[1]。但目前关于HDPE 管海运与安装技术研究的文献资料较少，且相关应用实例也较少，导致可供参考的资料几乎没有。在设计和施工标准方面，界定也相对模糊，在一定程度上阻碍了这种新型管道结构的应用[2]。HDPE 管道的施工安装、使用、维护管理与传统管材有较大差别，且大直径HDPE管道在连接、运输、安装工艺等方面，又显著不同于普通的HDPE 管道[3]。以沙特某港口的电厂排水工程为背景，总结大直径HDPE 管海上出运和安装的关键施工工艺。

1 工程概况

沙特某港口电厂项目拟建一给排水工程，引入海水作为冷却、消防用水，并将废水排入深海。项目位于沙特阿拉伯西南海岸，属红海东岸活跃地震带，设计使用年限为25年。港口岸上的地理位置主要位于低洼的平原区域，地层为第四纪海岸沙丘、含盐粉土、黏土的冲击扇沉积层。海床面以下至基岩面之间的沉积层依次为松散细砂、粉土质或黏土质中细砂、强风化砂岩[4]。

项目设计了6 根平行的内径为3000mm 的HDPE 管道，将废水排入海中。每根管道向海中侧延伸约2.5km，分为8 个管段进行安装，包含1 个管段在陆上安装，7 个管段进行海上安装，每段管段安装均包括出运、定位、沉放、对接工序，本文重点介绍管段海上运输和安装关键技术。

该项目是目前全球海上安装的同类管道中直径最大的，所涉及的出运、安装工艺复杂。国内尚无成熟的经验可借鉴，国外也仅有少数成功案例，实施难度较大。

2 施工技术要点

2.1 施工准备工作

施工准备工作包括陆上运输、管段设施安装、海上准备等多项内容，其中最重要的一项是确定海上施工窗口期。海上施工窗口期需要详细调查当地气候条件，特别是海域风浪特点，并结合施工装备情况综合确定。

2.2 管段浮运

2.2.1 准备工作

在管段浮运过程中，受到风浪流作用影响，水上作业时间较长。应以不同颜色标示施工区域的水深条件，定期对施工海域水深进行扫测，避免回淤情况不明而导致船舶搁浅事故。不同型号的作业装备，其作业区域的水深应严格控制：水深小于2m 的海域不宜设置方驳船，水深小于3.5m 的海域不宜设置拖轮。

2.2.2 由陆入海运输

管段进行由陆入海出运时，首先保证出运轨道连续、平顺，使得管段入水轨迹在允许曲率半径范围内；其次保证出运小车中部填充的泡沫绑扎牢固，并控制其浮力不宜过大，以便出运小车从压载块底轻易抽离。

起重船距岸边出运通道前端650m 处抛锚，确保可一次性拖安装管段入水。在管段出运初始阶段，起重船配合出运轨道两侧的卷扬机拖管段入水200m，此间起重船仅用于调整管端方向，使管段与出运轨道轴线重合，避免跳轨。

在管道由陆入水过程中，出运通道前端，即管道水中段末端及距出运通道前端约250m 的管道中部，分别设置2 艘锚艇。当2 艘锚艇上的定位GPS 测量显示管段轴线偏离出运通道延长轴线2m 时，控制管段复位。控制管尾轴线回复与出运通道延长轴线一致，避免跳轨。

2.2.3 近岸区和浅水区海上浮运

管段全部入海后继续前行，待其前端贴近起重船，前端改绳连接主拖轮，起重船通过绞锚后撤100m，以空出管道弯曲通行的空间，管道尾端由分布两侧的2艘锚艇进行控制。首尾船舶协调配合牵拉管段沿最小曲率半径（50D，D 表示管段外径，下同）所划弧线斜行，移至基槽内并调顺使其处于安装位置的延长线上。

安装位置位于近岸区和潜水区时，主拖船预先移动到管段前端附近停泊，管段入槽后，由辅助拖轮以GPS 轴线偏差值做参考，统一指挥锚艇、主拖轮跟随管段前行并调整管段轴线，船舶互相配合将管道拖进安装位置。

2.2.4 深水区海上浮运

安装位置位于深水区时，起重船通过绞锚后撤150m，以空出管道弯曲通行的空间，管道尾端由主拖轮接管拖缆控制，辅助拖轮拖带管段前行。首尾船舶协调配合牵拉管段沿最小曲率半径（50D）所划弧线西向斜行。机动船舶和小型机动船舶错位均布管段两侧，随管段前行并调整管段轴线，配合拖轮将管段拖进深水安装区域。

2.3 管段系泊定位

根据水深和作业条件，针对近岸区、浅水区和深水区，采用不同系泊定位工艺，近岸区采用钢管桩+岸上地锚定位系泊，浅水区为钢管桩+水下重力式锚块定位系泊，深水区为两侧钢管桩定位系泊。

管段就位后，灌水下潜等过程耗时约2～3h，需预先在安装段基槽两侧，沿钢管桩或岸上设置防风缆绳。首先，利用槽钢焊接沉桩定位架，并将其焊接于驳船船头；其次，计算定位钢管桩的坐标，利用GPS 引导驳船初定位；再对定位架精测，通过驳船锚缆小幅度收放精确定位；最后，将钢管桩穿过定位架，完成钢管桩定位，开始沉桩。同时在沉桩过程中，使用GPS 定位仪器不断地复测桩位，进行校核调整。

2.4 管段沉放

2.4.1 准备工作

考虑到不同施工区域的水深和风浪条件不同，使用了组合气囊，通过特定气囊的放气操作实现管段下沉，并通过不同长度的气囊绑带控制管段的入水深度和管段曲率。管段水下调整定位采用小型动力船舶牵拉的方式，并需要潜水员全过程配合，进行出运前轨道清理、浮排拆除、水阀开启、法兰对接等工作。

2.4.2 管段下潜和沉放

将已安装管段的尾端（对接端）表示为A 端，待安装管段的前端（对接端）表示为B 端（下同）。管段沉放主要分灌水下潜和沉放两个阶段。具体操作过程如下：

管道轴线调整就位后，开启A 端的水阀和B 端的气阀，进行管道灌水下潜操作，使管段充水自由下潜，绷紧吊带。不能同时打开同一盲板上的水阀和气阀，否则管道中部出现气泡，将导致无法按预期完成整体下潜。

为了让管道入水顺利从A 端向B 端逐步进行，在灌水前，B 端考虑利用驳船配150t 履带吊将管头稍微抬高。A 端灌水后管道自由下沉2.5m，下潜部分与停留在水面的部分会形成S 形状态。

待管段全部潜入水中后，部分气囊淹没于水中，另一部分气囊浮于水面，吊带受力绷紧悬吊管道于某水深处。待管段对接完成后，将气囊从B 端向A 端逐个放气，此时管段压重逐渐增大，开始从B 端向A 端缓缓下沉，完成管段沉放施工。

2.5 管段对接

待安装管段需要根据已安装管段的实际位置定位安装，具体对接方案如下：

A 端在预留气囊的减重作用下，使其50m 范围内的管道上浮，A 端头处沿左右方向各系缆定长缆绳，缆绳的另一端系于沉放在海床底面上的混凝土块。整体灌水后，调整B 端的高度，使其基本与A 端高度保持一致。

驳船上2 台10t 卷扬机钢丝绳，穿过A 端第一块压载块夹具，再连接到B 端第一块压载块两侧的夹具上固定，同时驳船上的150t 履带式起重机控制B 端，将3个导向限位装置均布在A 端的法兰盘上，使三者构成等边三角形。

2 台卷扬机同时收绳，使B 向A 靠近，在此过程中卷扬机可通过单侧点动来调整B 端水平位置，通过吊机调整B 端标高。待安装管段进入限位装置影响范围前，将对位调整钢丝绳穿入法兰盘，用于限制法兰盘周向的错位，调整孔位偏差。卷扬机继续收绳，使对接管端继续贴合，当对接管段完全贴合且法兰盘孔位基本对齐后，每隔2 个螺栓孔迅速插入钢螺杆。

待钢螺杆安装完成后，通过调整管节高度的方式进行消除缝隙；确认法兰盘间无缝隙后，将所有钢螺杆拧紧。钢螺杆安装完成后，在法兰下部的孔位顺序插入GRP 螺栓，使用气动扳手、扭力扳手配合将其拧紧，将其中钢螺杆所占孔位逐个替换成GRP 螺杆。

底部全部GRP 螺栓安装完成后，从A 端开始，顺序释放气囊，完成管道的沉放，并将剩余孔位依次插入GRP 螺栓并拧紧。GRP 螺栓连接全部完成24 小时后，潜水员需进行第二次水下紧固，并使用2mm 塞尺检测对接头缝隙。若检测合格，则管道对接施工全部完成；若检测不合格，需再进行一轮拧紧、检测，直至检测合格。

3 结语

HDPE 管作为目前应用场景较为特殊的一种新型管材，其各方面指标都优于现在常用的传统排水管材，代表了未来优质排水管材的发展方向。由于目前HDPE 输水管道设计和施工尚无统一的规范标准。因此，结合沙特某港口城市电厂给排水工程中应用大直径HDPE 管的应用施工案例，分别从施工准备工作、管段浮运、系泊定位、沉放、对接来阐述其技术要点。