李光文 鄧君富 于 慶 劉 弄

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 成都 610066;3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,北京 100085;4.成都東軟學(xué)院,四川 成都 611844

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某氣田地面建設(shè)工程中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與創(chuàng)新

李光文1鄧君富2于 慶3劉 弄4

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 610041;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 成都 610066;3.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,北京 100085;4.成都東軟學(xué)院,四川 成都 611844

鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于天然氣處理廠管架、輕鋼結(jié)構(gòu)建筑和河流跨越工程。某氣田地面建設(shè)工程中天然氣處理廠鋼結(jié)構(gòu)管架采用高強(qiáng)螺栓連接形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接結(jié)構(gòu),天然氣外輸管道河流跨越采用懸臂桁架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的簡支鋼桁架結(jié)構(gòu),是鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與創(chuàng)新的一次理論與實(shí)踐的結(jié)合,開創(chuàng)了氣田地面建設(shè)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新理念,技術(shù)方案可行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

鋼結(jié)構(gòu);螺栓連接;懸臂結(jié)構(gòu);應(yīng)用;創(chuàng)新;氣田地面建設(shè)

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)是氣田地面建設(shè)工程中的主要結(jié)構(gòu)之一，在天然氣處理廠管架、輕鋼結(jié)構(gòu)建筑和河流跨越工程中應(yīng)用廣泛。

某氣田地面建設(shè)工程是中國石油集團(tuán)公司目前在海外承建的最大天然氣能源建設(shè)總承包項(xiàng)目,該氣田屬典型的“六高氣田”[1],因此對設(shè)計(jì)和施工要求嚴(yán)格。該工程設(shè)計(jì)考慮到所在國的實(shí)際情況和項(xiàng)目特點(diǎn),充分利用總承包的組織集成[2]優(yōu)勢,克服設(shè)計(jì)與施工分離造成的各種弊端,在滿足氣田生產(chǎn)運(yùn)行需要和降低工程施工難度的前提下,以設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)作為突破口。創(chuàng)新優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以螺栓連接、懸臂結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的焊接連接[3]和簡支鋼桁架結(jié)構(gòu),成功地解決了施工技術(shù)要求高、作業(yè)勞動強(qiáng)度大、施工質(zhì)量受環(huán)境影響大、高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等施工難題。天然氣處理廠鋼結(jié)構(gòu)管架采用高強(qiáng)螺栓連接后,實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制[4]和現(xiàn)場地面組裝、整體吊裝的作業(yè)方式。天然氣外輸管道河流跨越采用懸臂桁架結(jié)構(gòu)后解決了傳統(tǒng)跨越技術(shù)施工難度大、費(fèi)用高等問題。本文針對該工程鋼結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計(jì)模式下的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析說明,為今后氣田地面工程的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)

該工程鋼結(jié)構(gòu)總量約12 500 t,其中天然氣處理廠約11 800 t?？紤]所在國工業(yè)基礎(chǔ)落后、施工技術(shù)人才匱乏、中方人員至現(xiàn)場困難等特點(diǎn),總承包方多次組織鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化專題會,最后決定工程所有鋼結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)螺栓連接[5]替代焊接設(shè)計(jì)。高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)[6]比焊接設(shè)計(jì)要求高,不僅要考慮荷載大小和構(gòu)件截面尺寸等關(guān)系,還需考慮結(jié)構(gòu)受力的合理性以及結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)與工藝管道在位置、標(biāo)高上互相矛盾的問題。

為完成高強(qiáng)螺栓連接的設(shè)計(jì)任務(wù),設(shè)計(jì)方組建專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)對相關(guān)規(guī)范[7]進(jìn)行研究,同時(shí)將鋼結(jié)構(gòu)廠房高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用在管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,并將氣田管道生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)、振動荷載等數(shù)據(jù)錄入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中,通過采用建立模型進(jìn)行實(shí)際工況模擬,不斷調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足氣田管道生產(chǎn)運(yùn)行需要。

設(shè)計(jì)過程中還充分考慮到所在國標(biāo)準(zhǔn)注冊困難等因素,對涉及的節(jié)點(diǎn)詳圖,不能直接引用標(biāo)準(zhǔn)圖集,只能把工程涉及到的部分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容、節(jié)點(diǎn)詳圖等以設(shè)計(jì)文件的方式體現(xiàn)。

1.2 河流跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河流跨越是長輸油氣管道不可或缺的一部分,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大跨度懸索跨越[8]和非開挖定向鉆[9]等新技術(shù),但這類技術(shù)施工難度大、費(fèi)用高。如何選擇經(jīng)濟(jì)合理和施工難度相對低的跨越方案,也是本工程技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。根據(jù)該工程管道跨越河流的地質(zhì)情況及河道管理部門對跨越提出的相關(guān)技術(shù)條件,設(shè)計(jì)人員秉著結(jié)構(gòu)滿足安全性、耐久性和適用性的原則,按照經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、施工難度最低的方案對管道跨越工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過多次方案比選、調(diào)整優(yōu)化,最終方案為:跨越工程基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁[10]代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土灌注樁[11],上部結(jié)構(gòu)采用懸臂桁架[12]結(jié)構(gòu)代替三角形截面的簡支桁架[13]結(jié)構(gòu),河流漫灘地段采用簡易鋼結(jié)構(gòu),人行檢修通道位于管道頂部。河流段跨越懸臂桁架結(jié)構(gòu)見圖1，漫灘段跨越結(jié)構(gòu)見圖2，懸臂桁架與簡支桁架方案對比方案見表1。采用懸臂桁架結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)造了外輸管道河流跨越[14]的新思路,值得在國內(nèi)外大中型天然氣管道河流跨越中推廣應(yīng)用。

圖1 河流段跨越懸臂桁架結(jié)構(gòu)

圖2 漫灘段跨越結(jié)構(gòu)

表1 懸臂桁架與簡支桁架方案對比

對比指標(biāo)懸臂桁架簡支桁架河流段跨越長度(主跨)/m75×1680×15漫灘段跨越長度(次跨)/m50×1650×16樁基礎(chǔ)(樁長均為40m)/根主跨鋼管樁Φ1020×16,4根次跨鋼管樁Φ1020×16,2根主跨灌注樁Φ1050mm,2根次跨灌注樁Φ1050mm,1根上部結(jié)構(gòu)(主跨)30m懸臂桁架80m簡支桁架鋼結(jié)構(gòu)用量/t2334.3831399.742混凝土用量/m3-4800工程費(fèi)用/萬元5617.47083.0工期/月810

2 鋼結(jié)構(gòu)施工

2.1 高強(qiáng)螺栓連接施工

該工程位于沙漠腹地,為減少鋼結(jié)構(gòu)焊接工作量,將焊接連接改為高強(qiáng)螺栓連接,采用高強(qiáng)螺栓連接后的鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的條件。

國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制車間按照圖紙完成下料并對構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一編號,材料運(yùn)輸至現(xiàn)場后,現(xiàn)場人員根據(jù)編號與圖紙進(jìn)行核對,保證部件按要求分類堆放。

地面完成每榀鋼結(jié)構(gòu)組裝后整體吊裝,主結(jié)構(gòu)安裝完成后開始安裝各支撐系統(tǒng)的連系梁結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)螺栓連接安裝見圖3。待整體安裝形成后,立即對下部的基礎(chǔ)進(jìn)行二次灌漿[15]。

圖3 高強(qiáng)螺栓連接安裝

鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接在天然氣處理廠管架結(jié)構(gòu)中初次采用,安裝上應(yīng)注意[16]:

1)高強(qiáng)螺栓穿孔應(yīng)自由傳入,不允許強(qiáng)制打入孔中或任意擴(kuò)孔,螺栓傳入方向應(yīng)力求一致。

2)高強(qiáng)螺栓安裝時(shí),臨時(shí)螺栓不得少于接頭螺栓數(shù)量的1/3,且不得少于2個,但不得使用高強(qiáng)螺栓兼作臨時(shí)螺栓,防止損傷高強(qiáng)螺栓引起扭距總數(shù)變化。

3)高強(qiáng)螺栓安裝不得在雨雪天進(jìn)行,被安裝構(gòu)件的摩擦面應(yīng)處于干燥狀態(tài)。

5)高強(qiáng)螺栓連接部位的附近,嚴(yán)禁隨意動用氣割、電焊等,當(dāng)天安裝高強(qiáng)螺栓,必須當(dāng)天初擰完畢。

6)為使螺栓群中所有高強(qiáng)螺栓均勻受力,保證摩擦面摩擦系數(shù),初擰和終擰必須按一定的順序進(jìn)行,一般高強(qiáng)螺栓群由中央向外擰緊,對于作業(yè)面狹小或受限空間的螺栓,采用專用終擰扳手緊固,也可用手動測力扳手進(jìn)行終擰,并在高強(qiáng)螺栓上涂白漆以便檢查。

7)每個鋼框架高強(qiáng)螺栓安裝緊固順序:一般應(yīng)從接頭剛度大的地方向不受拘束的自由端順序進(jìn)行;或者從栓群中心向四周擴(kuò)散方向進(jìn)行。

高強(qiáng)螺栓連接的安裝技術(shù)要求與焊接連接相比更低,采用的安裝設(shè)備也簡單,當(dāng)?shù)貑T工經(jīng)過培訓(xùn)合格后即可上崗,實(shí)現(xiàn)了用工屬地化,為氣田的按期投產(chǎn)提供了有力保證。

2.2 河流跨越結(jié)構(gòu)施工

該工程的河流跨越采用鋼管樁懸臂梁結(jié)構(gòu),整個跨越工程的施工難度相比鋼筋混凝土灌注樁簡支桁架結(jié)構(gòu)難度顯著降低。首先，基礎(chǔ)采用鋼管樁降低了灌注樁在水中澆筑混凝土的問題;其次,單跨懸臂結(jié)構(gòu)比單跨簡支結(jié)構(gòu)重量更輕,便于運(yùn)輸和吊裝。

在施工過程中,根據(jù)河流地質(zhì)情況和打樁深度選擇合適的打樁船,根據(jù)GPS定位系統(tǒng)拋錨定位[17],將鋼管樁通過運(yùn)樁船運(yùn)至施工地點(diǎn),打樁船移至運(yùn)樁船側(cè),通過船上打樁架設(shè)備完成鋼管樁的初步就位,最后根據(jù)GPS數(shù)據(jù)精確定位,啟動打樁程序,并記錄樁頂標(biāo)高和貫入度。遠(yuǎn)程打樁定位系統(tǒng)采用GPS靜態(tài)技術(shù)確定基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù),GPS發(fā)射臺基準(zhǔn)站應(yīng)建立在辦公區(qū)域固定物體上,便于管理維護(hù)。打樁過程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)樁位圖進(jìn)行碰樁驗(yàn)算,避免打樁時(shí)碰樁。打樁完成后進(jìn)行上部懸臂結(jié)構(gòu)施工。

3 對比分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接與焊接連接

實(shí)踐證明,鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接取代焊接具有明顯優(yōu)勢,具體對比見表2。

3.1.1 預(yù)制程度和施工效率

表2 鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接和焊接對比表

對比指標(biāo)高強(qiáng)螺栓連接焊接連接預(yù)制程度和施工效率高低勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)低高施工機(jī)具及人員少多施工難度低高

高強(qiáng)螺栓連接采用特制的扳手扭螺帽[18],使螺栓產(chǎn)生巨大而又受控制的預(yù)拉力,同時(shí)在預(yù)壓力作用下,被連接件表面產(chǎn)生較大的摩擦力,當(dāng)軸力小于摩擦力,構(gòu)件便不會滑移,連接則不會受到破壞,這就是高強(qiáng)螺栓連接的原理。因此鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接替代焊接方式后,不僅施工流程更簡化,而且安裝效率提高了2～3倍。

3.1.2 勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)

焊接連接主要包括選料、下料、焊接、焊縫防腐等過程,現(xiàn)場工人的勞動強(qiáng)度大,效率低,且受自然環(huán)境影響較大；高強(qiáng)螺栓連接不僅施工效率高、勞動強(qiáng)度低,而且能保證施工現(xiàn)場的整潔,滿足文明施工的要求。

隨著新《安全生產(chǎn)法》的正式實(shí)施,安全生產(chǎn)被提高到了一個前所未有的高度,高強(qiáng)螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)大部分工作在地面完成,減少了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn),降低了因焊接造成的職業(yè)傷害[19]。

3.1.3 施工機(jī)具及人員

焊接連接需大量的機(jī)械設(shè)備投入,如電焊機(jī)、發(fā)電機(jī)、焊條烘烤機(jī)、吊車等，同時(shí)需要大量的操作人員；而鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)螺栓連接僅需要吊車和扭矩扳手即可,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備和人員的簡化,操作更方便。

綜上所述,高強(qiáng)螺栓連接具有施工簡單,受力性能好,安裝拆卸方便以及在動力荷載作用下不致松動等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也能保證施工現(xiàn)場的安全文明施工[20]。

3.1.4 施工難度

焊接連接屬于特種作業(yè),對焊工技能要求較高,必須持證上崗,且受自然環(huán)境影響較大[21]；高強(qiáng)螺栓連接沒有嚴(yán)格的技術(shù)條件限制,僅需滿足扭矩值要求即可,且受環(huán)境影響較小,普通操作人員經(jīng)過培訓(xùn)合格后即可上崗,螺栓連接還減少了對焊縫的無損檢測和焊縫防腐[22]等工作。

3.2 懸臂桁架結(jié)構(gòu)與簡支鋼桁架結(jié)構(gòu)

在同一條件下,懸臂桁架結(jié)構(gòu)與簡支鋼桁架結(jié)構(gòu)相比,不僅在工程總造價(jià)上有明顯地降低,而且施工難度更低,更易于保證工程施工質(zhì)量。表3為本工程相同條件下采用不同方案得出的工程量對比值。

表3 懸臂桁架結(jié)構(gòu)與簡支鋼桁架指標(biāo)對比說明表

對比指標(biāo)懸臂桁架結(jié)構(gòu)簡支鋼桁架工程量/t費(fèi)用/萬元工程量費(fèi)用/萬元鋼筋混凝土灌注樁004480m34838.4建筑鋼筋00680t918.0鋼管樁16123640.700上部鋼結(jié)構(gòu)7221326.71399t2570.7

由表3可見,懸臂桁架結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢,該河流跨越工程采用懸臂桁架結(jié)構(gòu)比采用簡支鋼桁架結(jié)構(gòu)節(jié)約3 359.7萬元。同時(shí)其水下基礎(chǔ)部分也具有以下優(yōu)勢:

1)施工機(jī)具設(shè)備方面。鋼管樁施工設(shè)備簡單,僅需要打樁船和運(yùn)樁船就可以完成基礎(chǔ)施工；灌注樁基礎(chǔ)施工需打樁船、鉆孔機(jī)、混凝土攪拌設(shè)備、混凝土運(yùn)輸設(shè)備和澆筑設(shè)備。

2)施工質(zhì)量方面。鋼管樁施工質(zhì)量更易控制,施工周期短；灌注樁施工過程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和施工難度更大,容易出現(xiàn)孔壁坍塌、鉆孔偏斜、斷樁等質(zhì)量問題[23],混凝土水下施工質(zhì)量很難保證,一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題很難處理。由于混凝土的自身特性決定了其施工周期較長。

3)安全文明方面。鋼管樁施工能夠保證現(xiàn)場的安全文明施工,施工過程中對周圍環(huán)境基本無影響；鉆孔灌注樁成孔過程中產(chǎn)生大量的泥漿,會對河道造成環(huán)境污染,需要進(jìn)行處理，攪拌混凝土也影響現(xiàn)場的文明施工。

綜上,天然氣外輸管道河流跨越鋼結(jié)構(gòu)懸臂桁架結(jié)構(gòu)與簡支鋼桁架結(jié)構(gòu)相比,造價(jià)低,易施工,更能保證施工質(zhì)量和工期。同時(shí)上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸和吊裝懸臂桁架結(jié)構(gòu)比簡支鋼桁架更容易施工。

4 結(jié)論

天然氣處理廠鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)和天然氣外輸管道河流跨越懸臂桁架鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果在某氣田地面建設(shè)工程中得到了成功應(yīng)用,保證了施工質(zhì)量及進(jìn)度,減少了高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn),提高了現(xiàn)場的安全文明施工程度和國際化的管理水平,是一次理論與實(shí)踐結(jié)合的創(chuàng)新,開創(chuàng)了油氣管道河流跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新理念,從施工方面來說不僅節(jié)約了工程成本,還縮短了施工周期。鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)和河流跨越懸臂桁架結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果為同類工程建設(shè)的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

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2016-01-28

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(S 2010-14 E)

李光文(1983-),男,陜西柞水人,工程師,學(xué)士,主要從事石油天然氣地面工程的總圖設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.019