孫明仕

中石化華東油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心 江蘇 泰州 225300

1 概述

回拖力計(jì)算方法種類較多，各種算法的理論依據(jù)、計(jì)算模型不同，計(jì)算結(jié)果相差較大。需要從理論上分析影響回拖力的各項(xiàng)因素，分析各種計(jì)算方法的適用范圍，根據(jù)工況來選擇計(jì)算方法，提高計(jì)算精度。

在施工中經(jīng)常遇到出入土點(diǎn)高差大、軌跡曲線多等復(fù)雜軌跡穿越，現(xiàn)有回拖力計(jì)算方法使用條件不再適用，再加上諸多參數(shù)選擇不合理，導(dǎo)致回拖力計(jì)算值誤差較大。計(jì)算中應(yīng)根據(jù)施工方案對(duì)回拖管線進(jìn)行受力分析，優(yōu)選計(jì)算方法和參數(shù)。回拖前根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行復(fù)核，回拖過程中各階段對(duì)計(jì)算數(shù)值與實(shí)際鉆機(jī)拉力進(jìn)行對(duì)比，找出誤差存在原因，判斷回拖過程是否正常，及時(shí)確定處理措施。

2 回拖力主要影響因素

回拖力的構(gòu)成主要有摩擦力、絞盤效應(yīng)力、管道彎曲效應(yīng)力、粘滯阻力和管端阻力。

2.1 摩擦力

管道在回拖過程中一部分在地面因重力與地面產(chǎn)生摩擦阻力，另一部分在孔內(nèi)因重力與浮力之差與孔壁產(chǎn)生摩擦阻力。隨著回拖進(jìn)程的推進(jìn)，地面摩擦阻力逐漸減小，孔內(nèi)摩擦阻力逐漸增大。

在鉆孔成孔良好情況下，摩擦力是構(gòu)成回拖力的主體，摩擦系數(shù)應(yīng)根據(jù)接觸面材質(zhì)、減阻措施等謹(jǐn)慎選取。管道與地面的摩擦系數(shù)，鋼管與土壤的摩擦系數(shù)一般為0.6，當(dāng)采取滾輪時(shí)摩擦系數(shù)可降至0.1，一般在管道回拖前采用發(fā)送溝、支架、滾輪等減阻措施，故摩擦系數(shù)一般取中間值0.3。因泥漿潤滑，管道與孔壁的摩擦系數(shù)一般取0.3。

2.2 絞盤效應(yīng)力

柔性管道在孔內(nèi)回拖經(jīng)過曲線段時(shí)，前后的拉力存在夾角，使管道與孔壁接觸壓力變大，摩擦力增大。絞盤效應(yīng)的適用條件：①曲率半徑滿足要求，管道回拖的過程認(rèn)為是柔性狀態(tài)；②孔壁穩(wěn)定、光滑，無巖屑大量堆積、孔壁不穩(wěn)掉塊等異常因素。

2.3 管道剛性彎曲效應(yīng)力

管道在通過曲線段時(shí)，若發(fā)生剛性彎曲，即曲率半徑小于1000D，則管道在孔壁的約束下產(chǎn)生彎曲，并在彎曲的孔壁內(nèi)拖行，此時(shí)在管道與孔壁的接觸點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生額外的壓力。這個(gè)額外的壓力所產(chǎn)生的附加摩擦阻力就是剛性彎曲效應(yīng)力[1]。

式中：Fs—?jiǎng)傂詮澢郊幼枇Γ琸N；fs—管道與孔壁摩擦系數(shù)；E—管材彈性模量，kPa；I—管道極慣性矩，按照I=π（D4-d4）/64計(jì)算，d、D為管道內(nèi)外徑，m；Δα—管道通過曲線段后改變的角度，rad；L—彎曲段長度。

若實(shí)鉆軌跡受地層影響等導(dǎo)致局部曲率半徑小于1000D，應(yīng)計(jì)算剛性彎曲效應(yīng)力。

2.4 黏滯阻力

管道移動(dòng)時(shí)，表面附近的流層間出現(xiàn)不同的速度梯度，流層間的內(nèi)摩擦力就是黏滯阻力。其大小與管道的表面積和粘滯系數(shù)有關(guān)。當(dāng)管道在孔內(nèi)近似懸浮狀態(tài)或者管道與孔壁摩擦系數(shù)較小時(shí)，粘滯阻力在回拖力的構(gòu)成中占比較大。

Tk—粘滯阻力，kN；

K—粘滯系數(shù)，kN/㎡；粘滯系數(shù)的取值建議（0.15～0.35）kN/㎡，GB50424推薦取值0.175kN/㎡。

2.5 管端阻力

管端阻力是由回拖管道前松散土、巖屑堆積，阻礙管道回拖產(chǎn)生的阻力。阻力的大小受土質(zhì)類型和土體堆積長度影響，一般隨管道回拖進(jìn)尺增加。

按照施工規(guī)范，終孔孔徑至少為1.2～1.5倍管徑且回拖之前均進(jìn)行徹底洗孔、清孔，孔內(nèi)巖屑堆積和孔壁失穩(wěn)掉塊的可能性不大。故大多數(shù)的計(jì)算方法未考慮管端阻力，僅給排水管道規(guī)范考慮了鉆頭的迎面阻力并給出了計(jì)算公式。

3 回拖力計(jì)算方法

3.1 典型回拖力計(jì)算方法分析

3.1.1 油氣輸送管道計(jì)算法

《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中推薦的計(jì)算方法認(rèn)為，穿越管道回拖時(shí)主要受管道與孔壁的摩擦力和管道在粘滯流體中移動(dòng)受到的粘滯阻力。

此算法理論前提是典型軌跡、成孔良好、管道與地面減阻措施效果好。公式僅計(jì)算了回拖管道在孔內(nèi)的摩擦阻力和黏滯阻力，沒有考慮孔外管土摩擦阻力、出入土點(diǎn)高差和孔內(nèi)管道絞盤效應(yīng)力（或剛度彎曲效應(yīng)附加力）等因素，計(jì)算結(jié)果一般會(huì)小于實(shí)際回拖力。

3.1.2 ASTM（絞盤力）計(jì)算法修正

ASTM計(jì)算法源于美國ASTM的F1962設(shè)計(jì)規(guī)范《大型水平定向鉆進(jìn)穿越工程敷設(shè)聚乙烯管道設(shè)計(jì)指南》[2]。CECS382-2014規(guī)程中給出了ASTM計(jì)算法的計(jì)算公式，但忽略了粘滯阻力的計(jì)算。管道在孔內(nèi)近似懸浮或者摩擦系數(shù)較小時(shí)粘滯阻力在回拖力構(gòu)成中占比較大，甚至成為主要構(gòu)成因素。所以應(yīng)分別計(jì)算各分段的粘滯阻力，加入到B、C、D點(diǎn)的計(jì)算公式中進(jìn)行遞推計(jì)算。修正后的遞推計(jì)算公式如下：

式中：TA、TB、TC、TD分別為回拖至A、B、C、D各點(diǎn)的回拖力，kN；L1為回拖管線的附加長度，一般取24m；L2、L3、L4為各段的水平長度，m；H為穿越深度，m；α、β為入土角、出土角，rad；fg、fh為管道-地面、管道-孔壁摩擦系數(shù)；Wp為單位長度管道重力，kN/m；Wf為單位長度管道在泥漿中所受浮力，kN/m。

ASTM計(jì)算法適用于軌跡平滑、成孔較好的工況，是油氣輸送管道計(jì)算法的合理補(bǔ)充，考慮了入土角、出土角、穿越曲線尺寸等參數(shù)對(duì)回拖力的影響，符合實(shí)際工況，能計(jì)算回拖過程中各關(guān)鍵點(diǎn)的回拖力。

3.1.3 剛性管道計(jì)算方法

考慮所有影響回拖力的因素和剛性管道彎曲變形的因素，分析不同管段所受的阻力，合成為系統(tǒng)的回拖力。包括管土摩擦力Fd，管孔摩擦力Fk，黏滯阻力TK，管道剛性彎曲附加力Fs1、Fs2…，其它影響回拖力的因素同樣納入總回拖力[2]。

剛性管道計(jì)算法適用于軌跡曲率半徑小于1000D的情形，但其計(jì)算思路能夠涵蓋其它所有影響回拖力的因素。

3.1.4 給排水管道計(jì)算法

《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》認(rèn)為回拖需克服鉆頭的迎面阻力和管道外壁的摩擦阻力。計(jì)算模型認(rèn)為鉆頭在回拖環(huán)節(jié)中也受迎面阻力且在回拖過程中管壁與周圍土體完全接觸，僅適用于成孔不好、易塌孔的砂土層、黏土層。通?；赝蠒r(shí)鉆頭迎面阻力很小，采用此方法計(jì)算值偏大。

從公式本身的意義來分析，近似于在土質(zhì)地層小口徑管道導(dǎo)向完成后進(jìn)行擴(kuò)孔并同時(shí)將待回拖管道連接在擴(kuò)孔器后進(jìn)行回拖的工況。

3.1.5 卸荷拱土壓力估算法

該估算法基于土層鉆孔大幅度塌落的情形對(duì)最大回拖力進(jìn)行估算，僅考慮管道上方土體的塌落壓力和鉆孔下部對(duì)管道的支持力所產(chǎn)生的摩擦力[3]。

該算法認(rèn)為鉆孔不成孔、孔壁全部坍塌，而實(shí)際穿越巖層或穩(wěn)定性較好的土層出現(xiàn)塌孔的可能性較小。若常規(guī)穿越采用此估算法進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏大。此估算法適用于沙土、回填土、淤泥等不易成孔土層，適用范圍較窄。

3.2 復(fù)雜軌跡回拖力計(jì)算思路

（1）對(duì)軌跡特點(diǎn)進(jìn)行分析，查找影響回拖力計(jì)算的復(fù)雜情況；

（2）按照軌跡特點(diǎn)進(jìn)行分段，分段點(diǎn)一般選取曲線拐點(diǎn)、有泥漿段和無泥漿段分界點(diǎn)、剛性彎曲段起止點(diǎn)、分段布管分段點(diǎn)以及其它復(fù)雜情況特殊點(diǎn)；

（3）分段進(jìn)行受力分析，逐一分析影響回拖力的各項(xiàng)因素；

（4）根據(jù)軌跡特點(diǎn)及分段受力分析，確定計(jì)算方法。推薦使用ASTM修正計(jì)算法，結(jié)合軌跡復(fù)雜特點(diǎn)進(jìn)行分段遞推計(jì)算，能計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)回拖力，在工程中使用較為方便；

（5）根據(jù)施工方案選取計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行回拖力計(jì)算；

（6）在管道回拖前，根據(jù)實(shí)鉆軌跡、孔內(nèi)清潔度、接觸面材質(zhì)、減阻措施等實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，復(fù)核計(jì)算回拖力。

4 復(fù)雜軌跡回拖力計(jì)算及驗(yàn)證

4.1 烏江穿越回拖力計(jì)算及驗(yàn)證

4.1.1 回拖力計(jì)算

圖1 烏江穿越軌跡

軌跡特點(diǎn)：出入土點(diǎn)高差大，DE段無泥漿。布管場地位于入土點(diǎn)一側(cè)A點(diǎn)。AD段按照油氣輸送管道計(jì)算法和ASTM計(jì)算方法分別計(jì)算后對(duì)比，DE段無浮力作用單獨(dú)計(jì)算。

DE段無浮力作用，置于25°斜坡上?；赝享毧朔亓ρ匦逼碌姆至椭亓Υ怪庇谛逼碌膲毫Ξa(chǎn)生的摩擦力，經(jīng)計(jì)算為196kN。

（1）計(jì)算方法一：按油氣輸送管道法計(jì)算AD段回拖力，加DE段回拖力。

管道規(guī)格φ323.9×11.1，水平長度1046m，泥漿重度12kN/m3，管材重度78kN/m3，對(duì)地摩擦系數(shù)0.3，洞內(nèi)摩擦系數(shù)0.3，泥漿粘滯系數(shù)0.18kN/m2。

AD段計(jì)算回拖力170kN，

Tmax=170+196=366kN。

（2）計(jì)算方法二：按照ASTM計(jì)算法計(jì)算AD段回拖力，DE段單獨(dú)計(jì)算。

AD段：α=25°，0.4363（rad）；β=7°，0.1222（rad）。經(jīng)計(jì)算，TA=277kN，TB=279kN，TC=268kN，TD=290kN。DE段：196kN。

E點(diǎn)受力為DE段沿軸線拉力加上調(diào)整后的D點(diǎn)受力（減去DE段長度的管土摩擦力）。

Tmax=290+196-84=402（kN）

（3）結(jié)果對(duì)比：油氣輸送管道計(jì)算法較ASTM計(jì)算法計(jì)算結(jié)果稍??；若忽略高差影響，直接按油氣輸送管道計(jì)算法，最大回拖力僅為237kN，誤差較大。

4.1.2 回拖前調(diào)整計(jì)算及結(jié)果驗(yàn)證

管線回拖前在3PE防腐層外進(jìn)行光固化，但布管作業(yè)帶位于烏江支流河道內(nèi)，光固化層受潮老化，表面露出玻璃絲條紋，手感粗糙。管道回拖前布置于裝土的噸袋表面，摩擦系數(shù)大，結(jié)合地面試拖拉力將管土摩擦系數(shù)調(diào)整為1，孔內(nèi)摩擦系數(shù)調(diào)整為0.6，無浮力段有少量泥漿潤滑摩擦系數(shù)調(diào)整為0.7。TA=1006kN，TB=842kN，TC=668kN，TD=676kN，TE=720kN。

實(shí)際回拖過程，A、B、C、D、E點(diǎn)的實(shí)際回拖力分別為948kN、858kN、760kN、760kN、667kN，與調(diào)整計(jì)算值相符。

4.2 陽春溝高速穿越回拖力計(jì)算及驗(yàn)證

4.2.1 回拖力計(jì)算

軌跡特點(diǎn)：①穿越位置位于山坡，出入土點(diǎn)高差大，AC段無泥漿浮力作用。②軌跡全程曲線，應(yīng)計(jì)算絞盤效應(yīng)力。③布管場地受限，在出土點(diǎn)上方布管兩段，地面部分管段長度分別按實(shí)際220m、165m計(jì)算。

計(jì)算方法：將軌跡從反向曲線點(diǎn)、中間液位點(diǎn)劃分為劃分為AB、BC、CD 3段，AB段為反向曲線段，CD段充滿泥漿。對(duì)各段管線受力進(jìn)行分析，分別遞推計(jì)算。

圖2 高速穿越軌跡

管道規(guī)格φ323.9×9，泥漿重度11.5kN/m3，管材重度78.5kN/m3，管土摩擦系數(shù)0.3，洞內(nèi)摩擦系數(shù)0.2，泥漿粘滯系數(shù)0.18 kN/m2。

A點(diǎn)受力：絞盤效應(yīng)下的地面管線摩擦力。因多段布管，根據(jù)實(shí)際預(yù)制帶長度取220m，角度變化β=12°。

B點(diǎn)受力：AB段管線孔內(nèi)摩擦力，A點(diǎn)剩余拉力，AB段管道下滑分力，AB段角度改變下的絞盤效應(yīng)力。AB高差H1=24m，長度L2=93m，AB段角度變化量γ=20°-12°=8°。

C點(diǎn)受力：分回拖管道二接一之前和二接一之后兩種狀態(tài)。BC段角度變化量δ=20°-7°=13°。

二接一之前

二接一之后

D點(diǎn)受力：CD段角度變化θ=7°+7°=14°。

若采用油氣輸送管道計(jì)算法結(jié)果為94.71kN，不符合從高處向低處回拖的實(shí)際情況。

4.2.2 回拖前調(diào)整計(jì)算及結(jié)果驗(yàn)證

回拖前對(duì)工況進(jìn)行復(fù)核，與方案一致，不進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。根據(jù)計(jì)算預(yù)見回拖到C點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生管道下滑，回拖過程B～C點(diǎn)出土點(diǎn)采取穩(wěn)管措施，防止因下滑對(duì)管道、鉆具產(chǎn)生損傷。實(shí)際回拖過程回拖力及變化趨勢與計(jì)算相符。

5 結(jié)論

1）回拖力計(jì)算前先根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件、曲線軌跡、擬采取的施工方案等實(shí)際工況確定合適的計(jì)算方法，然后結(jié)合實(shí)際選取合適的參數(shù)進(jìn)行回拖力計(jì)算，并結(jié)合地層特點(diǎn)等因素指導(dǎo)鉆機(jī)的選型。

2）在成孔良好的情況下，優(yōu)選油氣輸送管道、ASTM計(jì)算方法，特別是ASTM計(jì)算法能夠體現(xiàn)各階段回拖力的大小，便于對(duì)比實(shí)際回拖過程[1]。

3）復(fù)雜條件穿越回拖力計(jì)算需具體分析。對(duì)于大高差、單邊穿越、空間曲線等特殊情況，進(jìn)行具體分析和計(jì)算，推薦剛性管道計(jì)算法的計(jì)算思路，即逐一分析影響回拖力的各項(xiàng)因素，將不同管段的回拖力合成為系統(tǒng)的回拖力。若簡單的參照某規(guī)范推薦的公式很可能對(duì)穿越施工造成不利的影響。

4）在管道回拖前，根據(jù)實(shí)鉆軌跡情況、孔內(nèi)清潔度、管土接觸面材質(zhì)、減阻措施等實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再次計(jì)算回拖力?；赝线^程中，監(jiān)測各階段實(shí)際回拖力與計(jì)算回拖力實(shí)時(shí)對(duì)比，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況，查找異常原因，制定應(yīng)對(duì)措施。