科研课题讲述

科技项目立项报告项目名称：沙漠、沼泽、滩涂、水网地带大口径管道施工方案优化研究专题负责单位：中国石油天然气管道第二工程公司专题负责人：陈大中起止年限：2001年４月—2001年8月目录一、课题概要二、立项的必要性和意义三、国内外现状及发展趋势四、主要研究内容、技术路线及关键技术五、预期成果及主要技术、经济指标六、立项条件七、进度安排八、负责单位、协作单位任务分工九、技术经济效益分析，市场预测十、经费预算一、课题概要沙漠、沼泽、滩涂、水网地带是管道工程施工（特别是西气东输管道工程)的重点和难点，而施工技术方案的优劣将直接影响工程项目的工期、质量和经济效益。因此，应当对此课题进行认真的优化和研究。沙漠地区最大的特点是砂多，气候干燥，昼夜温差大，风多风大，沙漠承载能力低，砂子的安息角小（只有30-35度）。因此，在沙漠地区不仅运管、布管困难、管沟开挖边坡系数大，而且高浓度的粉尘给设备正常运转及焊道质量都造成很大的影响。沼泽、滩涂及水网地段施工，由于这些地段地下水位高或常年有地表水，或土壤含水率饱和，会给修筑施工便道、布管、运管及管沟开挖成形带来许多困难。比如沼泽地，常年有地表水，且地下水与地表水连通，就是把地表水抽干，土壤也缺少承载力，而且一挖管沟，管沟就成了水渠，不采取特殊措施管沟很难成形。针对这些问题，需研究这些特殊地段所需的设备、机具和施工方法。1、沙漠运输车辆，吊装和挖沟设备。2、水网、沼泽地区的钢管运输、组焊、挖沟、回填的设备和机具。3、解决湿地降水、排水问题和寻求最佳的施工方案。二、立项的必要性和意义我国长输管道经过30多年来的发展，我们已基本掌握了∮800mm以下各类介质管输送道的施工技术，积累了一定的经验，装备了一定数量的施工机具和设备，造就了一大批能干会管的管理人才和技术工人。但是，随着管道建设向大口径、长距离、高强钢等方向的发展，对施工技术及装备水平也提出了更高的要求。管线口径增大和壁厚增加，这不仅是传统意义上的工作量的增大，而是一种质的变化，因此过去的施工技术和装备已不能适应大口径管线的需要。管线距离长，所经地区地形、地物、地貌及自然气候会比过去更复杂，更加千变万化。传统的施工技术观念已不能满足新的施工生产需要了。由于采用高强钢，对焊接工艺、设备、材料、管理、焊接质量等也提出了更高的要求，而对特殊地段则要求更加特殊，不论是焊前预热、焊接参数、焊后缓冷乃至热处理或无损检测，都与一般管线不同。如何保证特殊地段的焊缝质量将是我们研究的重点。鉴于以上种种原因，认真研究大口径、长距离管道的施工技术，既是十分必要的，也是必须的，其意义十分深远，主要体现在：１、为以后开展长距离、大口径管道施工积累经验、创造业绩，搞好技术储备。２、提高我国管道施工的技术及装备水平，做到对特殊地段的施工心中有数，措施得力，方案可行，从而增强国际竞争能力。３、通过研究，解决复杂地段施工所需的设备及机具问题，确定合理的资源配置，建立一套完整的施工方案和措施。４、培养和锻炼一批管理及施工人员，做好人员储备。５、为以后确定管线局部走向，评估管道队伍施工能力，节省投资费用，选择最佳施工方案，避免资源浪费，提供第一手资料。三、国内外现状及发展趋势：截止90年代末，我国共计建设输气管道10600多公里，φ426mm以上干线4800多公里。管道建设经过30年的发展，施工装备和施工技术水平不断提高。管道施工方法从手工焊接流水作业，逐步向手工半自动焊机械化流水作业发展，90年代末我局自行研制管道全位置自动焊设备，和部分引进的管道自动焊设备已开始装备施工队伍，并应用于管道施工。国内虽有在沙漠、沼泽、滩涂、水网地带成功建设管道的经验，但管道口径小、距离较短，不适应大口径长输管道施工。我们目前的施工装备主要适用φ800mm以下管道建设，总体水平落后于国际先进水平，施工单位大部分装备的是一般管道施工设备，缺乏专业配套的适用于大口径的沙漠、沼泽、滩涂、水网地带施工设备和机具。沼泽、滩涂、水网地区土质含水量高、承载能力极弱、压缩性也高。泥沼的这一物理、机械特性给管道施工造成了极大的困难，特别是夏季施工更困难。正常条件下所采用的一般施工技术在这里极不适用；即使采用特殊的施工技术，也难以适用于任何季节，还必须采用特殊的施工方案和专用设备，而且还应考虑如何结合陆上和海上两种施工方法。按国外经验在湿地、沼泽地区管道施工中应解决三个问题：软地基处理；施工方法和机具；预制化（即采用组装化施工技术）。目前，国外沼泽地区管道铺设主要采用三种形式：埋设法，即把管线全部铺设在地下，一般要求埋深应超过钢管直径；半地下或地上铺设，前者要求埋深应小于钢管直径，其超出地面部分用土覆盖；后者是铺设在地面上并用土覆盖；架空敷设，即把管线铺设在架空管架上。从国外多年来沼泽地区管道施工实践来看，尽管该类地区给管道施工带来多种复杂的困难，但随着现代化施工技术和工艺的发展，以及各类先进施工机具的相继试制成功和批量生产，有的国家已制定出一系列沼泽地区管道施工实用方案，特别是前苏联声称已解决了沼泽地区管道施工的一系列复杂的技术问题，完全掌握了沼泽地区管道建设的技术。P前苏联秋明油田位于鄂毕河中、下游的西西伯利亚低地，主要油田集中在鄂毕河中游及其支流康达河两岸，自然条件极为恶劣，大面积水淹地和沼泽地，占油田面积的75%，已先后建成乌斯特巴雷克——鄂木斯克、杜伊马兹——乌发——鄂木斯克等多条输油管线；乌连戈伊——乌日格罗德出口输气管线全长4451km，沼泽段近1000km，其施工难度是当今罕见的，原计划三年完成，实际仅用了十五个月时间。纳德姆——彭加——下图拉长输管线总长约1200km，而其中就有540Km地段为水淹和低水淹地区；乌连戈伊——托博尔斯克（全长1200km）长输管线全段穿过严重沼泽地区；前苏联在上述这类严重水淹及沼泽地区铺设管线主要是采用地下埋设或地面土堤铺设。多年来前苏联通过不同施工方法的实践积累了很多可贵的经验。例如：在穿越自然或人工水域施工中，积累了地面上及半地面上铺设管道埋土的有效经验；为确保管道的稳定性，使用了鞍型加重块、球形或横梁型块和锚栓，最引人注目的是近年成功地研制出用固体燃料喷气机牵引投掷铺管法，提高施工速度2—3倍；解决了沼泽地施工组织问题，实现了机械化、自动化和组装化，积累了快速流水作业的丰富经验，使苏联沼泽地管道施工技术领先于世界。R美国在水网、沼泽地管道施工方面也是世界上技术先进、经验丰富的国家这一。多年前采用浮渠推管下沟法成功地完成了长20km、管径762mm沼泽地管线施工，缩短了工期，节约了工程费用。美国还以此法在一组合式平台上连续完成管线的焊接、X射线探伤、补口等作业，顺利完成了管径150—600mm沼泽地铺管工程，为加快施工进度、保证工程质量，美国近年更加重视沼泽地施工技术和设备的研究和发展，并取得了很大进展，设计研制出一种较轻便拉管机具，全套设备包括三个部分：拉管机、动力装置和接收筒等，有效地加快了沼泽地施工进度，获得了比较理想的效果。八十年代末在南路易斯安那州的沼泽地和海湾地区管线施工中，采用“推管台”连续流水作业线成功地完成该段铺管任务，大幅度加快了施工进度。为了把钢管和设备运进或运出无法通行的泥泞或沼泽地区，研究和运用了各种高浮动能力低接地比压的越野车辆。英国在滩涂、沼泽地区铺设管线是采用一种类似陆地铺管施工法，即首先降低施工路线上的地下水位，然后再用与陆上相同的施工方法铺设管道。墨西哥沼泽地铺管则是采用海上施工法—下水法。即在沼泽区先建造一座类似铺管船主甲板“T”型平台，长70m左右，可处理7根单管长度，台上建有焊接、探伤、防腐绝缘、补口等七个工作台（站）。在管径508mm长60km管线施工中，日工作10小时，每天完成120—150个焊口，缩短总施工工期三个月。为了加快沼泽、水网地区的管线施工进度，前苏联、美国、加拿大等国，已广泛采用由预制厂预制成的“双联”、“三联”管运到现场施工的施工工艺，提高施焊速度2—3倍，大幅度提高了沼泽地管线施工进度。国内沼泽地区管道建设已是比较常见的工程，除西部管线外，辽河、胜利、大港油田均有在面积区域处于苇塘、稻田和沼泽之中，每年都有新建管道从其中通过。但从国内总的情况来看，还没有形成比较成熟可靠的工艺技术。国内沼泽区管道施工大致分为两种情况：一是在冬季封冻以后施工；二是尽量采用一些低接地比压设备进行挖沟、布管、牵引等作业，目前，国内用于沼泽地带施工的设备有引进美国的两栖式宽轮车、加拿大的低比压履带运输车、瑞典的橡胶履带两栖车，比利时的涉水宽轮车及美国和日本生产的湿地挖掘机、推土机等，国内生产的性能较好的设备有TS—140湿地推土机、SLWY—60两栖挖掘机等。沙漠地区的管道施工也具有其特殊性，沙漠的沙质是一种松散、脆弱、很不稳定的地表，沙漠地带的特点是气候干旱、降雨稀少、风大频繁、植被稀疏矮小、土地贫脊。我国境内的沙漠的主要特点：a、气候极端干旱缺水；b、昼夜及冬夏温差大；c、风力和风向影响沙丘的走向和形态；d、风大频繁；e、沙丘有起伏度、运移度及疏密度。R国外在沙漠地区管道施工中同样积累了丰富的经验，前苏联中亚细亚地区的克齐尔库存姆沙漠和卡拉库姆沙漠，属亚热带沙漠气候，该沙漠地区年平均降水量不到100mm，日照下砂子的温度高达70℃,冬季则降为-35℃。乌兹别克的布哈拉气田至乌拉尔的输气管道二期工程均经过克齐尔库姆及卡拉库姆沙漠去乌拉尔。该输气管道直径为∮1020mm，双线并行，总长为4406km，压气站17座。另有三条管线直径分别为∮1020,∮1220,∮1420mm的布哈拉—莫斯科的平行管道，也是经过克齐尔姆及卡位库存姆沙漠。以上几条沙漠管道敷设共采用了五种方案：埋地敷设；半埋地敷设；贴地敷设；架空敷设及跨越敷设。P秘鲁石油公司在复杂地形条件下成功的敷设了长855km，直径分别为609.6mm(24in),914.4mm(36in)输油管道，该工程位于亚马逊盆地高部位，而且在西段末端通过十分干旱和灼热的沙漠，在本工程中动用了两架吐温、奥托型水空两用飞机和四架直升飞机运送人员、急需食品和备用零件到施工工地。P在西亚国家沙特阿拉伯有一条管径1219mm，全长1200km的石油管道，这条大型沙漠管道东起阿卜凯克，西至红海之滨延布。该管道大部分是通过沙漠敷设，另外还要经过熔岩区、山区，自然条件恶劣，沿线主要属于热带沙漠气，无河流，只有干河或峡谷，逢雨季才有水流。此管道在沙漠地段埋深最浅为1m，最大埋深为3m。R在北非的阿尔及利亚90%的国土面积被沙漠覆盖，阿特拉斯山脉横贯北部，沙丘高差200—300m。冬季最低气温为－6.64℃，夏季最高温度为54.44℃。由于阿尔及利亚的大油气田位于撒哈拉大沙漠之中，所以油气外输工程受气候及恶劣地理环境条件影响很大。自1958年初的三十年间，阿尔及利亚共建成并投产了十条大型沙漠油气输送管道，这十条管道中有除三条为原油管道外，其余七条均为天然气管道。其中哈西梅萨乌德—贝贾亚大型原油管道由法国公司施工，全长660km，哈西梅萨乌德油田位于撒哈拉沙漠之中，在施工中采用机械化施工方法，施工人员600名，动用了80台机动设备（运管机、吊车、推土机等），60台机械设备（电焊机、弯管机等），施工工期不到两年。P美国、前苏联等石油、天然气工业发达国家，自60年代开始大规模建设大口径（1米以上），累计数万公里，施工装备实现了机械化和自动焊。目前美国在大口径管道建设中已广泛采用自动焊设备，前苏联广泛采用闪光焊设备，施工装备已形成系列。总之，近年国际管道施工设备正逐步向自动化、高效率、智能化方向发展，并且形成专业配套和系列化，并在不断进步；在沙漠、沼泽、滩涂、水网等特殊地带大口径长输管道施工中，世界各国不断研制专用施工机具，积累成熟的施工经验。四、主要研究内容、技术路线及关键技术主要研究内容：1、对国内外大口径管道施工和装备、机具进行调研。目前，在国内外的大口径管道施工中，许多先进的施工方法及装备机具得到应用，尤其是在一些特殊地段，合理的施工方法及精良的装备是施工的保障。例如在沙漠管道中引入二接一方法