徐敏　石成金

摘 要：定向鉆穿越工藝對(duì)地質(zhì)條件有相當(dāng)嚴(yán)格的要求，該工藝適宜于穿越的地質(zhì)條件有：黏土層、亞黏土層、粉砂層、中砂層。水平定向鉆穿越作為非開挖施工方式的一種，施工技術(shù)已相當(dāng)成熟，憑借其工期短、不破壞河流原貌、對(duì)周圍的環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外大型河流穿越中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，穿越失敗案例也時(shí)有報(bào)道，影響定向鉆穿越的成功有很多因素，合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆穿越;優(yōu)化設(shè)計(jì);參數(shù)設(shè)定;強(qiáng)度設(shè)計(jì);抗震設(shè)計(jì)

擬設(shè)計(jì)管道DN450 設(shè)計(jì)壓力 6.0 MPa。根據(jù)規(guī)劃對(duì)輸油管道路由比選，確定該管道最終路由需穿越區(qū)域位于二級(jí)水源保護(hù)地。主管部門要求本工程穿越采取最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，本文中對(duì)管道定向鉆穿越中幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

1穿越地層的確定

需要穿越地層位于沖積平原，土質(zhì)雖然比較適合穿越，但這種地質(zhì)也有不利條件，如果土壤含水量少，在穿越過程中的固孔效果很好，但硬度增加，增加施工難度;如果含水量過

多，就會(huì)形成流沙層，固孔效果非常差。穿越時(shí)應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告選擇在穩(wěn)定土層穿越。本案例中，根據(jù)地勘報(bào)告，從標(biāo)高 2.00～-10.00 m 約 12 m 的范圍內(nèi)全部為流沙層。如果將穿越軌跡全部設(shè)置于流沙層中，風(fēng)險(xiǎn)就相當(dāng)大，所以只有增加穿越深度，把穿越水平段定在黏土層（標(biāo)高為-20.0m），使穿越管道大部分處于比較穩(wěn)定的土層中。

2 穿越設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 定向鉆的出入土角度的確定

穿越時(shí)管道的出、入土角度直接影響到穿越的長度和深度，出、入土角度越大，拖拽管道的阻力就越大，施工難度就越大。根據(jù) GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，入土角取6°～20°，出土角取 4°～12°。實(shí)際工程中對(duì)于直徑較大的管道，入土角一般取 9°～12°，出土角取 4°～10°。本項(xiàng)目中，確定輸油管道的入土角為 12°，出土角為 10°。

2.2 曲率半徑

定向鉆鉆進(jìn)時(shí)曲率半徑按規(guī)范要求不應(yīng)小于1200D（D：鋼管外徑），這主要基于 RB5 大型定向鉆機(jī)的要求。若曲率半徑過小，不僅會(huì)使管道的拖拉力增大，而且還影響到管道的穩(wěn)定性。具體曲率半徑的選擇，需要根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況確定。在條件具備時(shí)，對(duì)于 DN600 以上的鋼管穿越，曲率半徑一般應(yīng)大于1500D。對(duì)于DN600 以下，為避免在地層條件良好的小口徑穿越中出現(xiàn)定向鉆長度過長、投資較高的情況，建議不小于 1200D。當(dāng)受現(xiàn)場穿越條件限制，在合理選擇鉆進(jìn)的情況下，最小曲率半徑可進(jìn)一步降低至 1000D。本案例中，管道的曲率半徑按照 1500D確定。

2.3 穿越深度

管道穿越深度受多種因素影響，包括拋錨、采沙、河道疏浚、以及水下管道本身的穩(wěn)定性等。根據(jù) GB 50423—2013 規(guī)定，“水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計(jì)洪水沖刷線或疏浚深度線以下 6m”。根據(jù)地勘報(bào)告，本項(xiàng)目管道選擇在粉質(zhì)黏土層內(nèi)穿越，保障了穿越安全性，避免產(chǎn)生孔洞塌方。本案例中將穿越段管道管頂與江底距離提高至 10m。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.1 管材選取

長輸油氣管道用鋼管可選擇無縫鋼管（SMSL）、螺旋縫埋弧焊鋼管（SAWH）、直縫埋弧焊鋼管（SAWL）、高頻直縫焊鋼管（HFW）等。一般管道直徑DN<400 的河流穿越，通常選用母材無縫焊接、質(zhì)量可靠的無縫鋼管，對(duì)于直徑 DN≥400 的河流穿越，可選焊接鋼管。本案例選用綜合機(jī)械性能更好的 HFW 鋼管，等級(jí)為 L360M。

3.2 壁厚確定

為保證管道在運(yùn)輸、鋪設(shè)和埋管過程中，不發(fā)生圓截面的失穩(wěn)，應(yīng)保證管道的徑厚比不小于 100。在滿足穿越條件下的管道徑向穩(wěn)定要求下，其管道壁厚計(jì)算應(yīng)按照GB 50423—2013 中式 3.2.3 進(jìn)行計(jì)算確定，設(shè)計(jì)系數(shù)按照該規(guī)范表 3.2.2 進(jìn)行選取，本項(xiàng)目中，輸油管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)取 0.5。

3.3 應(yīng)力校核

近年來國內(nèi)定向鉆穿越過程中，出現(xiàn)過幾次管道徑向失穩(wěn)變形的事故。造成徑向失穩(wěn)的因素包括管道壁厚選取偏薄、施工方案不合理、以及管道自身的材質(zhì)和橢圓度不達(dá)標(biāo)等。在設(shè)計(jì)階段采取措施避免失穩(wěn)至關(guān)重要。一般定向鉆穿越管段選材和壁厚確定后，還應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力校核，包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及穿越時(shí)的徑向屈曲失穩(wěn)等。本文重點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)階段管道選材后的徑向屈曲失穩(wěn)進(jìn)行校核說明。

定向鉆穿越時(shí)，在高水位和泥漿壓力下，管道有可能產(chǎn)生局部屈曲現(xiàn)象，為此，經(jīng)內(nèi)壓計(jì)算確定壁厚后，還需要按照鐵木辛珂公式進(jìn)行外壓失穩(wěn)校核：本工程采用定向鉆穿越的管道穿越深度不超過 25 m，經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目中管道穿越段徑向屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 抗震設(shè)計(jì)

按照 GB 50470—2017《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)大中型穿越管道位于設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度大于或等于 0.1 g 地區(qū)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗拉伸和抗壓縮校核。本項(xiàng)目中，定向鉆穿越位置地震動(dòng)峰值加速度為 0.1 g，本工程按照規(guī)范進(jìn)行穿越段的抗震校核。

4.1 彈性敷設(shè)時(shí)管道的軸向應(yīng)變計(jì)算

直埋式穿越管道的應(yīng)變應(yīng)按埋地管道的規(guī)定組合。對(duì)定向鉆的彈性敷設(shè)管道，應(yīng)計(jì)入彈性彎曲應(yīng)變，經(jīng)計(jì)算，本工程彈性敷設(shè)時(shí)的管道軸向應(yīng)變e為±0.000 33。

4.2管道的最大軸向拉、壓應(yīng)變校核

直埋式穿越管道的容許應(yīng)變值應(yīng)按埋地管道選用，并應(yīng)按 GB 50470—2017 第 6.1.2 條校核。地震作用下管道截面積軸向的組合應(yīng)變計(jì)算，應(yīng)將地震引起的管道最大軸向應(yīng)變與操作條件下荷載（內(nèi)壓、溫差）引起的軸向應(yīng)變進(jìn)行組合，并應(yīng)按公式校核。

5 防腐

定向鉆穿越的管道一般敷設(shè)比較深，一旦穿越完成，如管道出現(xiàn)問題將無法進(jìn)行修復(fù)。為此，在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)管道的完整性管理至關(guān)重要。管道外防腐作為管道完整性的主要評(píng)價(jià)內(nèi)容，如何提高穿越段管道外防腐層增加耐磨、耐劃傷保護(hù)層是國內(nèi)外定向鉆穿越一個(gè)研究方向。筆者認(rèn)為，在不過多增加管道投資情況下，適當(dāng)提高管道的防腐等級(jí)，對(duì)于增強(qiáng)管道的抗磨損和腐蝕能力有重要意義。本案例中，經(jīng)對(duì)常用的幾種管道外防腐材料比選，管道外防腐采用抗沖擊性能優(yōu)異、抗劃傷性能好的雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層。同時(shí)對(duì)穿越段全部管線采用光固化套保護(hù)，避免管道拖拉中防腐層的破損。

為保證油氣管道定向鉆穿越成功，定向鉆設(shè)計(jì)的合理性至關(guān)重要，本文以輸油管道為例，從穿越地質(zhì)的選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)確定、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)、管道抗震、外防腐等幾方面對(duì)定向鉆穿越的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并提出了合理化建議，供今后類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 油氣管道定向鉆穿越勘察設(shè)計(jì)及主要施工技術(shù)[J]. 趙倩維. ?化工管理. 2016（35）