中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

沙特是中國在中東地區(qū)推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)的重要合作伙伴[1]，在此背景下，中國施工企業(yè)在沙特的市場前景將非常廣闊。近幾年，管道局先后中標(biāo)了沙特阿美多個項目，其中多數(shù)工程屬于油氣田區(qū)的Freeflow line 和Pipe line。

沙特阿美的油氣田區(qū)是世界上最早和最大的油氣產(chǎn)區(qū)之一，已經(jīng)有龐大的油氣管道網(wǎng)絡(luò)。在這些地區(qū)施工，管線的走向極其不規(guī)律，水平轉(zhuǎn)角多，由于有大量的在役設(shè)施穿越，縱向彎管的使用量也很大。以管道局承建的沙特阿美NGCP 項目為例，僅Haradh 區(qū)域的308 km 鋼質(zhì)管道就需要安裝4000 多根冷彎管，因此，研究冷彎管的安裝技術(shù)，對施工的進(jìn)度和成本都有很重要的影響。

目前，大部分的冷彎管安裝都是根據(jù)設(shè)計圖紙估計，現(xiàn)場調(diào)整角度偏差，經(jīng)常會出現(xiàn)角度不合適或強(qiáng)力組對的情況。本文首先論述了冷彎管的應(yīng)用，并從冷彎管的測量、現(xiàn)場組合以及預(yù)制等方面闡述了如何確定冷彎管的角度，提高施工質(zhì)量，減少浪費(fèi)。

2.冷彎管的應(yīng)用

2.1.管道走向改變的方法

輸油輸氣鋼質(zhì)管道的走向改變一般有三種方法：

1) 采用彈性敷設(shè)方式

該方法應(yīng)用于角度較小，曲率半徑較大，而且有足夠的空間的區(qū)域。我國規(guī)范的一般要求，彈性敷設(shè)的最小曲率半徑為1000 D。

在沙特阿美的規(guī)范和圖紙中，一般不給出具體的曲率半徑，而是采用公式計算法來確定。例如：

其中，

R：曲率半徑；

E：彈性模量；

D：管道外徑；

Sb：管道應(yīng)力。

2) 采用熱煨彎管或熱煨彎頭方式

熱煨彎頭一般是采用角度級差的方式進(jìn)行定制，例如，外徑20 英寸的鋼管，設(shè)置30?、45?、60?、90?幾種規(guī)格。設(shè)計時先計算出轉(zhuǎn)角度數(shù)，再人為地進(jìn)行圓整到擬訂貨的級差度數(shù)，產(chǎn)生的誤差采用調(diào)整管溝來適應(yīng)彎頭或與冷彎管組合使用來消除[2]。

如果規(guī)格設(shè)置過多，將會成本增加，一旦現(xiàn)場又線路調(diào)整，也會造成訂制彎頭的浪費(fèi)，如果規(guī)格設(shè)置較少，不能滿足現(xiàn)場不同角度轉(zhuǎn)向的需要，而且在沙特阿美項目，依靠管溝調(diào)整的方法不能滿足中線偏差的要求。

3) 采用冷彎管的方式

冷彎管的角度可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要進(jìn)行確定，其精度可以達(dá)到1 分。冷彎管的最大角度和最小曲率半徑在各種規(guī)范中有不同的規(guī)定。沙特阿美的規(guī)范《Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines》(SAES-L-450)中，對不同管徑冷彎管彎制時，每一進(jìn)尺的長度和角度進(jìn)行了規(guī)定(見表1)。

Table 1.Maximum localized bend表1.彎管最小進(jìn)尺

2.2.冷彎管應(yīng)用優(yōu)點

在油氣管道施工中，水平轉(zhuǎn)角和縱向轉(zhuǎn)角均可以使用冷彎管，而且施工中冷彎管有以下優(yōu)點：

1) 冷彎管制作工藝簡單，相較于熱煨彎頭，成本較低。

2) 冷彎管的角度在一定范圍內(nèi)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，更能契合圖紙和現(xiàn)場實際需要。

3) 冷彎管的曲率半徑相較于彈性敷設(shè)小的多，尤其是小管徑的鋼管，最大彎曲角度能達(dá)到45 度，基本能夠替代熱煨彎管和熱煨彎頭。

4) 冷彎管可以通過組合疊加等多種方法，達(dá)到契合現(xiàn)場條件的目的。

5) 針對沙特阿美公司在油氣田區(qū)域的管道安裝，由于在建設(shè)施非常多，而且分布極不規(guī)范，通過增加冷彎管安裝來調(diào)整路由是最為方便快捷的方法。

3.冷彎管安裝的步驟

3.1.冷彎管安裝的流程

冷彎管安裝的重點在角度確定，而角度確定的重點在現(xiàn)場測量，根據(jù)在沙特阿美的施工經(jīng)驗，冷彎管安裝中的重要工序如下(見圖1)：

Figure 1.Installation process of cold bend pipe圖1.冷彎管安裝流程

3.2.現(xiàn)場測量

沙特阿美的施工合同規(guī)定，在合同生效后三個月內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)圖紙有嚴(yán)重錯誤或存在重大變更，可申報并可獲得工期及費(fèi)用補(bǔ)償，逾期將由承包商自行承擔(dān)。另外，近幾年沙特阿美油氣管道市場的快速擴(kuò)張，導(dǎo)致大部分工程的設(shè)計時間比較短，設(shè)計錯誤較多。

由于以上原因，施工單位拿到圖紙后，應(yīng)盡快進(jìn)行核查，并進(jìn)行現(xiàn)場初步測量。測量工作的要點：

1) 測量前，仔細(xì)審查施工圖紙，對轉(zhuǎn)角處起彎點、彎心以及終彎點的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，并對地上和地下障礙物的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計。

2) 測量時，應(yīng)順便將作業(yè)帶測量出來。

3) 直線段，可以采用間隔100 米或150 米打樁的方式，確定中線。

4) 轉(zhuǎn)角處，必須確定出起彎點，彎心和終彎點，并打樁標(biāo)識。

5) 遇到電線桿、陰保站或其他障礙物與管道間距不滿足阿美規(guī)范要求時，應(yīng)盡快進(jìn)行標(biāo)記，并反饋給業(yè)主項目管理團(tuán)隊(Project Management Team)辦公室。

3.3.路由調(diào)整

現(xiàn)場施工時，為了保證施工的順利進(jìn)行，經(jīng)常需要調(diào)整原路由，其原因主要有以下幾個方面：

1) 按原路由遇到圖紙未標(biāo)明地上障礙物或障礙物與管線間距不夠，需要改變原路由的水平轉(zhuǎn)角。

2) 現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)圖紙未標(biāo)明的地下管線或光纜等，需要增加縱向彎管或改變水平轉(zhuǎn)角。

3) 現(xiàn)場地質(zhì)與圖紙設(shè)計不符合，需要改變管道埋深。

4) 現(xiàn)場實際環(huán)境與圖紙不符合，需要改變施工方案，例如，由原設(shè)計的大開挖改為定向鉆穿越等。

3.4.確定角度

3.4.1.水平彎管角度確定

當(dāng)水平轉(zhuǎn)角或縱向角度采用一根彎管能滿足要求時，應(yīng)按如下步驟確定彎管角度：

1) 根據(jù)圖紙坐標(biāo)找出起彎點坐標(biāo)、彎心坐標(biāo)和終彎點坐標(biāo)。

2) 針對水平轉(zhuǎn)角，利用軟件確定彎管弧線段的中心線位置，每隔2～3 m 確定一個點的坐標(biāo)，并在現(xiàn)場對弧線部分放出中心線位置，進(jìn)行管溝開挖，并復(fù)測。

3) 針對縱向轉(zhuǎn)角，應(yīng)確定起彎點和彎心，并確定彎心的高程，現(xiàn)場開挖管溝后進(jìn)行復(fù)測。

4) 根據(jù)現(xiàn)場復(fù)測情況，確定彎管角度和坐標(biāo)，以外徑8 英寸角度為10?彎管為例(見圖2)。

Figure 2.Angle determination of single bend圖2.單根彎管角度確定

3.4.2.水平組合彎管確定

對于轉(zhuǎn)角較大，且沒有合適較大彎管或彎頭時，需要采用冷彎管和冷彎管組合或者冷彎管與熱煨彎頭組合的方式進(jìn)行施工。其施工步驟如下：

1) 確定起彎點、轉(zhuǎn)角的頂點、終彎點的坐標(biāo)。

2) 根據(jù)彎管或彎頭的尺寸進(jìn)行調(diào)整，一般轉(zhuǎn)角的頂點坐標(biāo)不動，調(diào)整起彎點和終彎點的坐標(biāo)。

3) 現(xiàn)場放線、挖溝后，進(jìn)行復(fù)測。

4) 以外徑762 mm (30 英寸)的管道，轉(zhuǎn)角55?為例，可采用45?熱煨彎頭(曲率半徑5 D，兩端直管段長1 m)和10?的彎管進(jìn)行組合(見圖3)。

Figure 3.Combination of hot bend and cold bend圖3.熱煨彎頭和彎管組合

3.4.3.水平轉(zhuǎn)角和縱向轉(zhuǎn)角疊加彎管

現(xiàn)場施工時，經(jīng)常會遇到水平和縱向都有轉(zhuǎn)角的情況，此時應(yīng)認(rèn)真測量，確定彎管的角度(見圖4)：

1) 首先，根據(jù)現(xiàn)場管道縱向，測量水平轉(zhuǎn)角α。

2) 確定高差h，從而確定縱向轉(zhuǎn)角β。

3) 通過公式計算所需彎管角度180?——θ。

Figure 4.Combination of hot bend and cold bend圖4.疊加彎管

根據(jù)圖4 推導(dǎo)疊加彎管角度計算公式：

由直角三角形ΔBCB1、ΔBAB1、ΔAHB1 可以得出：

由余弦定理得出：

合并①②③④⑤式，通過三角代換，可得：

3.5.彎管場地建設(shè)

3.5.1.彎管場地的選擇

1) 彎管場地應(yīng)選擇在交通便利，依托較好的地方。

2) 彎管場地應(yīng)該選擇不宜被水淹沒，基礎(chǔ)較好的地方。

3) 彎管場地的大小應(yīng)根據(jù)彎管量的大小來設(shè)計。

4) 彎管場地應(yīng)盡可能平坦，便于處理的地方，減少修整工作量。

3.5.2.彎管場地的設(shè)置

彎管區(qū)域的合理設(shè)置，能夠減少彎管倒運(yùn)，并最大限度的存放彎管，同時也便于彎管的拉運(yùn)。彎管場地應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行合理設(shè)置，一般應(yīng)設(shè)置原管堆管區(qū)域、成品彎管區(qū)、彎管機(jī)位置區(qū)，吊車位置區(qū)，并設(shè)置車道(見圖5)。

Figure 5.Cold bend fabrication shop setting圖5.彎管場地設(shè)置

3.6.彎管預(yù)制

用于制作冷彎管的鋼管均采用與所在線路段用管相同的管子，防腐管應(yīng)無損傷、冷疊、壓痕、劃痕、裂紋、褶皺等缺陷。管子標(biāo)識應(yīng)清楚，現(xiàn)場要有鋼管廠和防腐廠提供的出廠合格證，用于彎管制作的直管，必須經(jīng)過QC 檢驗，具備檢驗報告后方可使用[3]。

目前，國內(nèi)外廣泛采用垂直液壓彎管機(jī)加工冷彎管，其基本原理是將鋼管放置于彎管機(jī)模具上，調(diào)整鋼管位置、上模、下模、內(nèi)胎、夾具等，按照設(shè)計的冷彎管加工工藝參數(shù)，冷彎管機(jī)主油缸對鋼管施加合適的彎曲力矩，使鋼管局部管段產(chǎn)生適量屈服變形，形成一定的成形角度[4]。

采用垂直液壓冷彎管機(jī)制作冷彎管的基本步驟為：后端夾具夾緊鋼管(固定支點)，通過前端下模主油缸的支點(活動支點)向上運(yùn)動，使鋼管沿上模曲線中部(固定支點)彎曲變形，再將鋼管按一定的間隔移動后重復(fù)彎制過程，逐段彎制，最后達(dá)到設(shè)計的彎曲角度。主要工藝流程為：彎管機(jī)啟動和預(yù)熱，彎管基準(zhǔn)點設(shè)定(胎芯–頂?；鶞?zhǔn)點、彎曲間隔基準(zhǔn)點、鋼管水平基準(zhǔn)點、鋼管彎曲基準(zhǔn)點)，鋼管彎制，質(zhì)量檢驗，標(biāo)識和裝運(yùn)[5]。

彎管開始前，應(yīng)進(jìn)行場地準(zhǔn)備、設(shè)備物資準(zhǔn)備、技術(shù)準(zhǔn)備以及人員準(zhǔn)備。具體彎制應(yīng)符合各個工程項目批準(zhǔn)的施工程序文件、施工方案或者相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。例如，管道局承建的沙特NGCP 執(zhí)行的是阿美的標(biāo)準(zhǔn)程序《陸地和近海岸長輸管線施工規(guī)范》(Construction of On-Land and Near-Shore Pipelines SAES-L-450)以及該工程的冷彎管施工程序文件《Method of Statement for Cold Pipe Bending》。

3.7.彎管安裝

冷彎管彎制完成后，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)識、記錄和驗收，通過驗收后，應(yīng)盡快運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

1) 首先，根據(jù)圖紙或設(shè)計的彎管組合，進(jìn)行重新放線，轉(zhuǎn)角處設(shè)置加密樁，弧線段樁間距不超過3 m。

2) 根據(jù)放線結(jié)果進(jìn)行管溝開挖。

3) 管溝開挖完成后，進(jìn)行復(fù)測，并在溝內(nèi)確定起彎點、終彎點以及彎管和直管連接的焊口坐標(biāo)。

4) 根據(jù)彎管標(biāo)識，將彎管運(yùn)至現(xiàn)場。

5) 根據(jù)管道下溝和焊接施工程序文件進(jìn)行組對焊接。

6) 如果彎管位置與溝壁太近，或者彎管角度不合適，應(yīng)檢查彎管標(biāo)識和彎管角度。如果確認(rèn)彎管標(biāo)識和角度均正確，應(yīng)進(jìn)行管溝修整。

7) 彎管安裝完成后，進(jìn)行防腐、檢漏和回填。

4.結(jié)束語

冷彎管是油氣管線施工中非常重要的一個環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對冷彎管安裝的研究，不僅能減少管材浪費(fèi)，節(jié)約成本，同時對施工質(zhì)量也起著關(guān)鍵的作用。在沙特阿美的油氣田區(qū)，各種管線縱橫交錯，每公里彎管用量超過10 根，合理的布置、組合和安裝冷彎管更是非常重要。