水下管道材料与构造

​水下管道多为钢筋混凝土管和钢管。按其断面构造可分为单层管、双层管和三层管(见图)。

单层管用于输送常温的单一材料的液体、气体或固体;双层管用于输送两种材料或在输送过程中需保温的液体或气体;三层管用于在输送过程中需加热的液体或气体。

水下管道的直径，根据输送材料的性质、输送量和输送速度等因素按流体力学计算确定。管壁材料和厚度先按经验假定，而后根据各种荷载作用核算其应力和变形。若不符合规定，则再修改。计算时通常需考虑管道在施工时和正常运转时的内部和外部受力状态。对双层管及三层管，内管及外管需按不同受力状态分别进行计算。还需验算由内压和外压、温度变化以及管线弯曲引起的管壁应力;核算管道在试压荷载作用下的强度，管道在可能发生的水击压力作用下的应力，以及管道在地震作用下的应力。

由于水击压力和地震作用均为短期荷载，因而材料的设计强度均可提高。为了提高管道抗腐蚀能力，应适当增加钢管壁厚。在管道敷设过程中和敷设后均须验算稳定性，包括在波浪、水流(主要为潮流)、冰层压力和流水冲击力作用下管道的稳定性，以及由于管道基底面不平整、地基基础的不均匀沉陷而对管道稳定性的影响。调节水下管道的重量，可以降低管道在施工敷设时的应力和保持管道在敷设过程中和敷设后的稳定。调节的方法有增重调节法(调节管道单位长度的重量，增加管壁厚度，在管道上连续或间隔地覆盖压块，管道内充水等)和浮力调节法(用浮筒的浮力来调节管道重量)。

当穿越宽度不大的江、河时可以采用顶管法或盾构法施工。当穿越湖泊或海峡时可采用:①漂浮敷设法。管道在陆上制作加工组装成管段，浮运至敷设地点，在作业船上焊接管段之间的接头，然后使管道下沉就位。②牵引敷设法。管道在陆上制作加工，并焊接成数百米长的管段，然后用牵引设备(卷扬机、船舶等)沿水底或水面牵引,同时在岸边把管段接长,直至整根管道牵引到预定敷设位置为止。③敷管船敷设法。管道制作加工都在敷管船上进行，每敷设一管段后就前进一定距离。单节管道由驳船供应。不论采用哪一种敷设方法，均应按不同受力状态复核管道的应力。如应力太大应采取相应的加固措施。

1、铺设在水底上;

2、埋设在水底下沟槽内;

埋设在水底下沟槽内时，沟槽内管顶铺设深度一般为管径的3-4倍，以避免船只抛锚，河床冲刷等影响。海下管道的埋地铺设，还应防止风暴时管道可能浮漂或下沉，为此，管道应埋设在海床下足够深度。此外，如果水道较深，水底之上铺管不会影响航运，水底平坦，沿管线没有障碍物和悬空地，管道不会因船只抛锚、流体动力、土壤液化、床底土运动、河床冲刷或其他原因引起破坏，则可将管道直接铺设在稳定的河床或海床上。

水底直接敷设的管道抗震性能要优于水下沟槽埋设。

管道水下沟槽敷设一般有3种情况:

1、先挖槽后埋管;

2、挖槽和埋管同时进行;

3、先放管后沉入土内。

这些方法的选择取决于水底土质、水系宽度和深度等因素。

先挖槽后埋管的优点是施工设备简单;缺点是管线定位不易准确，槽底平整度差，沟槽准直度低，而且易于回淤。因此，当采用这种方法时，应适当选择槽底宽度和开挖深度。底宽一般为管外径加0.8-1.0m.开挖深度根据回淤情况而定，边坡系数为1:2-1:4.粘土河床的回淤情况并不严重，沙土回淤迅速。常用的水下沟槽开挖方法和设备有爆破法、岸式索铲、挖泥船、高压泵船等。

爆破法开挖:适用于岩石河床;

岸式索铲:适用于狭窄水系。铲斗用岸上卷扬机曳引。铲斗顺滑道往上拉，随着挖深增加而往下放滑道。这种方法可以比较准确地控制沟槽的平面位置和准直度。

挖泥船和高压泵船:水系宽阔一般用抓斗式或多斗式挖泥船开挖水下沟槽的方法，土方卸在沟槽水流下游一侧，或由驳船运至远处;河床土质松散，可用高压泵船以高压水流冲射水底土层进行开挖 .

用船或其他浮动设备开挖时，挖泥船等应临时锚舶，以保证沟槽中心位置准确。水下沟槽中心线用岸标或浮标显示，并用经纬仪或激光准直仪测量。条件允许时，可在两岸标之间拉设管道中心线，以中心线为准用标尺或锤球可测水下沟槽的位置和槽底高程。

为了防止回淤影响，可以采用分段开挖铺管的施工方法，以缩短水下晾槽时间。

1、浮漂拖航铺管:

浮漂拖航铺管的方法是先在岸边把管子连接成一定长度的管段，管段两端堵板，浮漂拖航到铺管位置，灌水入管，下沉到水底或沟槽内，取下堵板，然后将各管段之间在水下接口。

如果水系较浅，有纵深岸边，岸边与水面高差不大，可在过河管中心延长线的岸边原地面制备管段;或者岸边与水面高差较大，就须开挖岸边，减少与水面高差，并在开挖区内降低地下水位后再制备管段。预制管段用船只或用设在对岸的曳引设备(卷扬机、拖拉机等)浮拖。

但多数情况是岸边预制的管段与水系平行，管段制备后装上浮筒推入水中，在水面上由船浮漂拖航。

管的两端采用法兰盘螺栓堵板。在堵板上设有直径1/2--1的放气孔和进水孔。

管段由水面浮航到沟槽上方，由定位起重船吊放入槽，管段下放到沟槽内。

管段水下定位及接口均由潜水工操作。潜水工用通讯工具与定位起重船联系，调正定位船锚泊位置和船上起重臂操作，使下沉管段与已铺管段对口。

2、水底拖曳铺管

当长度较大的管段采用浮航困难时，可在水底拖曳。拖运时受风浪、潮汐等影响较小，作业安全，不需牵制船，但拖运马力较大。适用与长距离深水铺管，如向海中铺设排污干管。

如管道分段预制，则应在拖曳过程中将管道逐段接口，增长拖曳长度。管道一次拖曳长度可达数十米。

3、铺管船铺管

将管子用运管船运至铺管船上，在铺管船上进行管段接口后，沿铺管船上的滑道、管托架等装置，下入水底。这种方法适用于长距离管段远离岸边的铺管工作。

4、冲沉土层铺管

水底铺设的管段，如采用预先挖沟的方法，管线定位、沟槽准直、沟底平整等质量不易保证。为了避免预先挖沟引起的缺点，可采用冲沉法铺管。

冲沉法铺管是先把管子放在水底，然后用冲泥器把高压水射向管底土层，使管底土液化，丧失承载能力，管道就埋入水底。液化土层的厚度一般为管径的3-4倍。

采用这种方法的前提条件是管底土层为可被液化的。

5、综合作业船铺管

预挖水下沟槽铺管的方法的缺点是沟槽可能发生回淤，弃土和回填土工作量大。为了克服这种缺点，可采用综合作业船铺管。

沟槽由水泵喷射高压水冲挖，挖出的土由砂泵抽升到后部回填沟槽，使沟槽晾槽时间减少至最短，而且取消了回填土的远距离搬运。

自50年代以来，水下管道敷设量不断增长，过去只能跨越江、河，现在已发展到跨越深海。

在现阶段，敷管船的自动化程度不断提高;钢材及混凝土用料更进一步适应水下的要求;

管道的制作开始趋于标准化;利用自动电焊和自动探伤摄影;

采用阴极防腐蚀技术以及应用自动控制技术和遥测遥控装置，使水下管道的安全性和耐久性大大提高

在水中进行的焊接。这种焊接最初应用于海难救捞和舰船水线以下部位的应急抢修。20世纪60年代以后，由于海洋石油开采，需要兴建海底油库、敷设输油管道，组装采油平台等，水下焊接技术得到发展（见彩图）。水下焊可分为湿法焊、干法焊和局部干法焊3类。湿法焊直接在水中进行焊接。主要采用手工电弧焊。水下焊焊条药皮外表涂防水层，在熔化过程中放出大量气体,排开焊接电弧周围的水,使焊接过程稳定。水下电弧气氛中含氢量高，水对焊接接头的冷却作用剧烈，接头容易产生硬脆现象和氢裂。在一般情况下接头强度和塑性分别约为陆上焊接时的80％和50％，只适用于水中非受力金属结构件的安装、维修和应急修补。

干法焊把焊接部位和焊工密封在一个排除水的压力舱内，在气相环境中进行焊接。干法焊接分为高压干法焊接和大气压干法焊接。主要使用手工电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊。接头性能可与陆地焊接接头性能相等。水下干法焊因设备复杂、造价昂贵、并受工件形状和尺寸限制，一般只限于高质量构件的焊接。

局部干法焊主要采用气体保护半自动焊，在焊接部位进行排水，造成一个局部气相区，使焊接过程稳定（见图）。局部干法焊接的接头质量优于湿法焊接，且不需要大型设施，适应性也较强。