钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

摘 要

从管材性能、穿越曲线、管道受力等方面对钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越进行了比较。在城市内小型穿越工程中采用聚乙烯管能减小穿越长度、降低工程造价、缩短施工期,但在穿越距离较长或穿越深度较深时,为了保证穿越管道的稳定性,应谨慎使用聚乙烯管。

 摘要: 从管材性能、穿越曲线、管道受力等方面对钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越进行了比较。在城市内小型穿越工程中采用聚乙烯管能减小穿越长度、降低工程造价、缩短施工期,但在穿越距离较长或穿越深度较深时,为了保证穿越管道的稳定性,应谨慎使用聚乙烯管。

关键词: 钢管; 聚乙烯(PE)管; 水平定向钻穿越

Abstract: Steel pipe and PE pipe for horizontal directional drilling crossing are compared in terms of material performance,crossing curve,pipeline stress and so on.In small-scale crossing projects in cities,use of PE pipe can reduce the crossing length,decrease the construction cost and shorten the construction period,however PE pipe should be carefully used to ensure the stability of crossing pipeline when the crossing distance is long,and the crossing depth is deep.

Key words: steel pipe;PE pipe;horizontal directional drilling crossing

早期的定向钻穿越管道都采用钢管,近些年随着聚乙烯材料技术的不断发展和高密度聚乙烯管材的普及应用,在中压燃气管道定向钻穿越工程中选用PE管的比例在逐年增加[1-2]。本文从管材性能、穿越曲线、管道受力方面对钢管和PE管应用于穿越工程进行比较。

管材性能

目前城市中压燃气管道穿越工程选用的钢管有无缝钢管和焊接钢管两类:无缝钢管一般选用GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》,材质为20号钢;焊接钢管一般选用GB/T 3091-2008《低压流体输送用焊接钢管》,材质为Q2358。聚乙烯管一般选用GB l5558.1-2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分:管材》,材质分别为PEl00和PE80,标准尺寸比为SDRll。

钢管在使用期限内各项性能指标保持不变,钢管管材性能见表1。

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

聚乙烯是无极性的饱和脂肪烃长链聚合物,因此聚乙烯管与钢管管材性能指标完全不同。由于聚乙烯材料的蠕变与应力松弛特性,使聚乙烯的强度是时间的函数,单纯材料的力学性能数据对实际工程没有指导意义。长期静液压强度、耐快速裂纹扩展和耐慢速裂纹增长是聚乙烯材料的最关键三项力学性能指标。聚乙烯管管材性能见表2。

从管材性能分析,钢管的抗拉强度、屈服极限高,因而管道抗外力破坏、抗扭曲能力强;聚乙烯管强度低,但使用寿命长,且优异的耐快速、慢速裂纹扩展性能保证了城市中压燃气管道的安全性。同时聚乙烯管道断裂延长率非常高,使得管材具有非常优异的柔韧性,良好的柔韧性也使聚乙烯管道具备了优良的抗划痕能力、抗不均匀沉降及抗震性。另外聚乙烯材料特性还决定了它具有优良的耐腐蚀性[3]

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

2穿越曲线

2.1 影响因素

影响管道穿越曲线的因素可分为客观条件因素及设计参数因素。客观条件因素即穿越目标的实际状况,包括道路、河流等的宽度和深度、地下障碍情况、地质条件及周围地形条件等不可改变因素。设计参数因素即入土点及出土点的位置和角度、管材选取、弹性敷设管段曲率半径等可变参数。

2.2穿越曲线设计

当穿越位置确定后,管道理想穿越曲线仅与设计参数有关。下面假定某穿越目标宽度为40 m,不考虑地下障碍及地质条件,穿越管道公称直径为200 mm,分别设计理想穿越曲线。

①曲率半径

穿越管道弹性敷设段曲率半径主要取决于穿越管道材质。

钢管:GB 50423--2007《油气输送管道穿越工程设计规范》第5.1.2条规定,采用弹性敷设时,穿越管段曲率半径不宜小于1 500倍钢管外径,且不应小于1 200倍钢管外径。那么采用钢管穿越时,钢管外径为219 mm,最小曲率半径为262.8 m。

聚乙烯管:CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》第6.1.3条规定,聚乙烯管道敷设时,管道允许曲率半径不应小于25倍公称直径。在实际穿越过程中管道曲率半径取决于钻杆的曲率半径。假设选用钻杆外径为66.68 mm,参照钢管弹性敷设曲率半径要求,则钻杆的最小曲率半径为80.02 m。那么采用聚乙烯管穿越时,管外径为200 mm,最小曲率半径为80.2 m。

②入土点、出土点

假定穿越段两侧地形条件良好,任意选取(实际工程应根据穿越管道周围地形确定)。

③入土角、出土角

入土角为9°,出土角为6°。

④理想穿越曲线

根据上面确定的设计参数,绘出钢管理想穿越曲线见图l,聚乙烯管理想穿越曲线见图2。图l、2中,h为穿越深度,单位为m。

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

穿越长度计算见式(1):

L=L1+L2+L3+L4+L5 (1)

式中L——穿越长度,m

L1——入土直管段水平长度,m

L2——入土端弹性敷设曲线水平长度,m

L3——水平直管段长度,m

L4——出土端弹性敷设曲线水平长度,m

L5——出土端直管段水平长度,m

采用钢管和聚乙烯管时穿越长度和深度见表3。

对比上述两条穿越曲线图和表3,得知采用钢管穿越比采用聚乙烯管穿越的穿越长度长59.91m,穿越深度深2.21 m。这主要是因为钢管弹性敷设曲率半径大,从而导致其L2和h增大,而h变大又直接导致L3变大。

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

3管道受力分析

3.1 管道回拖力

管道回拖力是管道在回拖过程中产生的摩擦阻力、局部阻力等的组合力[4-5]。由于钢管管材抗拉强度大,管道本身能承受较大的回拖力,因此采用钢管能够穿越较宽的障碍,目前最长可一次穿越1 500m。由于聚乙烯材料强度低,管道本身不能承受太大的回拖力,穿越长度受到限制。CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中规定聚乙烯管承受的最大拖拉力为:

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

经计算,外径为200 mm的SDRll聚乙烯管能承受的最大允许拖拉力为54.5 kN.

GB 50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》中穿越管段实际回拖力(管段不充水回拖时)计算公式:

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

穿越管段回拖时,最大回拖力应按计算值的1.5~3倍选取。

由式(3)反算回拖长度:计算回拖力范围为18~36 kN,摩擦系数取0.3,聚乙烯管外径为200 mm.管内径为l 63.6 mm,泥浆密度取l.2 t/m3,管道擘厚取l 8.2 mm,聚乙烯管材密度取0.94 t/m3,粘滞系数取0.03,经计算,聚乙烯管的最大穿越回拖长度为l77~355 m。

3.2管道径向稳定性

GB 50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》中给出了穿越管道(钢管)径向屈曲失稳校核公式:

一般城市内定向钻穿越深度不会太深,按照30m深度校核计算:钢管外径为219mm壁厚为6mm,屈服极限为245 MPa,钢管椭圆度为0.5%,则Ps计算值为0.507 MPa,Fdpyp计算值为11.22 MPa,满足式(4)要求,穿越钢管不会出现径向屈曲失稳。

钢管和聚乙烯管应用于水平定向钻穿越的比较

CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中对管道径向屈曲失稳没有加以规定。由于聚乙烯管材为弹性材料,管道弹性变形临界压力和穿越管段所能承受的极限外压力不能按照GB 50423—2007中的数据选取,因此聚乙烯管道径向屈曲失稳也不能采用校核钢管的公式进行校核。

从工程实例来看,采用聚乙烯管穿越城市道路的穿越深度一般在6~8 m,某工程采用聚乙烯管穿越河流深度达到了l7.6 m[1],该穿越管段在实际运行中尚未发现问题。由于无法实际测量穿越管段的椭圆度,因此目前还没有这方面的相关数据供参考。

4结语

①在城市内小型穿越工程中采用聚乙烯管相对钢管能减小穿越长度,进而降低工程造价,缩短施工期。但在穿越距离较长或穿越深度较深时,为了保证穿越管道的稳定性,应谨慎使用聚乙烯管,必要时还应经过专家论证。

② 目前国内还没有针对聚乙烯管定向钻穿越的设计与施工规范,类似管道径向失稳的计算尚无依据,只能靠经验判断采用聚乙烯管穿越的可行性。建议相关部门尽快制定颁布相关标准规范,为专业设计和施工提供规范依据。

参考文献:

[1] 苏琪.水平定向钻进技术在城镇燃气管道的应用[J].煤气与热力,2011,3l(2):A39-A42.

[2] 于文才.聚乙烯(PE)管应用于定向钻的探讨[J].上海煤气,2006(5):l6-l7.

[3] 马长城,李长缨.城镇燃气聚乙烯(PE)输配系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:20-42.

[4] 洪国.燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨[J].煤气与热力,2009,29(6):A30-A33.

[5] 洪国.CJJ 63-2008中PE管最大拖拉力公式的修正[J].煤气与热力,2011,31(11):A07-A09.

本文作者:孙中飞 蔡美婷 宋晞明 杨 颖 李 洋 马俊峰

作者单位:中国市政工程华北设计研究总院 天津生态城能源投资建设有限公司