【论文精选】燃气管道定向钻段与开挖敷设段无弯管连接

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作 者： 石丹阳，黄飚，张鸣，陈赐铭，段保伟

第一作者单位： 中裕（河南）能源控股有限公司

摘自《煤气与热力》2023年9月刊

参考文献示例

石丹阳，黄飚，张鸣，等 .    燃气管道定向钻段与开挖敷设段无弯管连接 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（9） ：B01-B06.

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1

燃 气管道

2

焊接

1    问题的提出

1.1   无弯管连接

钢质 燃气管道 水平定向钻穿越段的出入土端与地面有一定夹角，在与开挖敷设段连接时，施工图设计多采用加设弯管的连接方式。施工中弯管连接需要按照开挖敷设段设计沟底（简称设计沟底）标高切除穿越段多余管头，加设弯管，与开挖敷设段连接。在具体施工过程中，小管径（一般 DN 300 mm 以下）、小出入土角的情况下，施工单位更倾向不加设弯管而利用管道自身柔性实现定向钻出入土端直线段与开挖敷设段的连接，即在出入土端直线段开挖一部分土方，利用管道自重形成的挠曲线，使管道下降至设计沟底，本文称该种连接方式为无弯管连接。弯管连接和无弯管连接见图 1 。

图 1    弯管连接和无弯管连接

弯管连接需要精准切割管头，弯管的对口与焊接比直管道难度高，且对口与 焊接 均为 2 次。 无弯管连接无须切割管头，对口及焊接难度降低且只需要 1 次。焊接完成后，还需要焊缝外观与无损检测，检测合格后，进行焊口防腐以及相关检测，然后回填。在出入土端直线段开挖虽然增加了一定的土方量，但施工仍较为简便，尤其适用于地下水位较高或土质较差、人员在沟底操作困难的地段。

1.2   问题的提出

GB 50251 — 2015 《输气管道工程设计规范》第 4.3.15 条第 2 款要求，弹性敷设管道的曲率半径应满足管子强度要求，且不应小于钢管外直径的 1 000 倍，垂直面上弹性敷设管道的曲率半径还应大于管在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径。有设计单位根据此条规范，认为无弯管连接的曲率半径不能满足该要求，或经过沟通认为可在一定的小角度范围内采用无弯管连接，但建设单位已经采购的小角度弯管利用不上，造成浪费。

在施工现场，也出现了开挖量不足、定向钻穿越段管道不能下降到沟底、采用挖机下压悬空管道导致管道变形的事故。施工单位现场经验存在一定局限性，施工阶段控制指标仅为管道自然下降至沟底时管道无可见变形，对于管道通气后特别是高压管道，在相应的安全系数下，是否能够保证安全使用以及各项管道结构计算是否在安全范围内，均未考虑。

现阶段尚无明确的计算方法，来判断无弯管连接在各项参数条件下的适用范围，以及计算得出安全范围内的开挖长度。

本文通过对无弯管连接的特点分析，选择相应的计算模型，给出完整的结构计算方法，判断无弯管连接适用范围并计算最小开挖长度。需要说明的是，本文主要讨论的是钢质管道，相关参数与计算主要依据 GB 50251 — 2015 、 GB 50423 — 2013 《油气输送管道穿越工程设计规范》。

2    无弯管连接参数、计算模型选取

2.1   定向钻曲率半径、小角度与小管径范围

①定向钻曲率半径、小角度范围

GB 50423 — 2013 第 5.1.2 条和第 5.1.3 条规定，穿越管段曲率半径不宜小于 1 500 倍钢管外直径，且不应小于 1 200 倍钢管外直径。入土角宜为 6 ° ~20 °，出土角宜为 4 ° ~12 °，较小的出入土角度有助于降低回拖力及连接施工难度。结合施工现场实际，本文认为出入土角构成的直角三角形（见图 2 ）中，出入土角α的邻边长度偏差 p 小于等于 0.01 为小角度。

图 2    出入土角构成的直角三角形

2.2   几何模型的建立

图 3    几何模型计算坐标系

2.3   约束特点及梁计算模型选取

①定向钻段约束特点

计算埋地 燃气管道 弹性敷设弯曲变形量时，一般采用材料力学中的梁模型 ^{［ 2 ］} 。开挖敷设段覆土之后，覆土对于管道有一定嵌固作用，根据 GB 50251 — 2015 第 4.3.15 条及条文说明，连续开挖敷设段约束处于简支梁与固定梁的中间状态。简支梁一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座；固定梁两端均为固定端 ^{［ 3 ］ 92-93} 。 典型的定向钻管道主体近似为 U 字形，扩孔后定向钻孔径一般为管道外直径的 1.2 ～ 1.5 倍 ^{［ 1 ］} ，管道轴向位移不受钻孔约束。

②计算模型选取

向定向钻方向开挖一定距离后，部分定向钻管段悬空，在小角度下，近似成为伸臂梁。根据孔内管道约束特点，采用简支单侧伸臂梁模型 ^{［ 4 ］} 进行计算，见图 4 。图 3 中的点 A 、 N 、 C 与图 4 相对应。

图 4    简支单侧伸臂梁模型

表 1    点 C 挠度计算值与测量值对比

根据实测，考虑了现场的测量误差、钻孔不能形成严格意义的简支梁支撑，以及钻孔在泥浆浸润之后在管道作用下会产生一定的变形等因素，认为采用该计算模型仍能够满足工程计算精度。

对不同规格的钢管进行挠度计算，见图 5 。从图 5 可知，管道外直径越小，同样悬空段长度下挠度越大；悬空段长度超过 15 m 后，挠度增大明显。

图 5    不同规格钢管的挠度随悬空段长度的变化

3    计算与分析方法

为求最小开挖长度，假设点 C 横坐标，求出相关几何量，进行结构计算，需满足结构计算要求。如不满足，则根据结构计算结果调整点 C 横坐标，直至满足结构计算要求为止，此时的开挖长度为最小开挖长度。

3.1   几何量计算

3.2   结构计算

3.3   开挖长度和开挖深度确定

采用多次试算的方法，确定开挖长度和开挖深度。具体计算步骤如下。

①基本参数计算。设计压力、钢管钢级、管道规格、地区等级、定向钻出入土角度、开挖敷设段沟底深度等参数已知时，根据式（ 5 ）、（ 6 ）、（ 15 ），计算得到单位长度管道自重荷载、惯性矩、抗弯截面系数。

②假设能够自然下降到开挖敷设段沟底的点 C 初始横坐标为 0 ，根据式（ 2 ）、（ 7 ）计算得到点 C 挠度，根据式（ 8 ）计算得到悬空段长度，根据式（ 3 ）得到弯矩。

③按照式（ 17 ） ~ （ 19 ）进行应力校核，并判断是否满足应力校核要求。

④若不满足应力校核要求，应减小假设的点 C 横坐标，重复步骤② ~ ③；若满足应力校核要求，同时有一定余量，可增大假设的点 C 横坐标，重复步骤② ~ ③。

⑤试算一定次数后，得到刚好满足应力校核要求的点 C 横坐标，采用该值根据式（ 9 ） ~ （ 10 ），确定最小开挖长度与最小开挖深度。

4    算例及分析

4.1   算例

某城镇燃气高压管道项目，设计压力 4.0 MPa ，采用 L360N 无缝钢管，管道规格为 D273 × 7.1 ，单位长度管道自重荷载为 456.0 N/m ，最低屈服强度 360 MPa ，地区等级二级，强度设计系数 0.6 ，许用应力 216 MPa ，定向钻出入土角 5 °，开挖敷设段沟底深度 1.6 m 。定向钻段与开挖敷设段拟采用无弯管连接方式，计算最小开挖长度与最小开挖深度。算例采用的管径、壁厚、材质、设计压力、出入土角度、开挖敷设段沟底深度等具有一定的代表性。

算例中历次试算结果见表 2 。

表 2    算例中历次试算结果

经过一定次数的试算得知， -7.30 m 是满足结构计算要求的点 C 横坐标，此时需要向定向钻段开挖长度为 24.67 m ，开挖深度为 2.16 m 。

4.2   相关分析

①弯曲应力为组合轴向应力与当量应力的主要组成部分

设计压力不变，内压产生的环向应力与轴向应力保持不变，组合轴向应力或当量应力超标的情况均由弯曲应力过大造成。要满足结构计算要求，应控制弯曲应力，也就是要控制弯矩，弯矩与挠度的 0.5 次方成正比，最直接的方法是向定向钻段开挖，减小挠度。

②许用应力为关键因素

算例采用了较为常见的钢级，强度设计系数为 0.6 。在城镇燃气工程中，在高压 A 设计压力下，三级、四级地区是较常见的地区等级，若采用 0.3~0.4 的强度设计系数， L360 管材的许用应力仅有 108~144 MPa ，通过应力校核较难。因此当许用应力较低时，该种连接方式应经过计算校核满足相关要求后使用。

③壁厚的影响

为验证不同壁厚对计算结果的影响，仍采用上述算例参数，仅改变壁厚分别为 6.3 、 7.1 、 9.5 mm 进行计算，计算结果见表 3 。表 3 表明，不同壁厚对计算结果影响较小，不是主要影响因素。

表 3    不同壁厚的计算结果

5    结论

①在小管径、小出入土角情况下，定向钻段与开挖敷设段无弯管连接方式有一定的简便性。根据约束特点分析，选择采用简支单侧伸臂梁模型来计算挠度与弯矩，根据工程实测值与计算值比较得知，挠度计算能够满足工程计算精度要求。

②在管道公称直径不大于 300 mm 、出入土角为 4 ° ~8 °的情况下，给出了定向钻段与开挖敷设段无弯管连接方式的结构计算与最小开挖长度的计算方法。

③弯曲应力是组合轴向应力以及当量应力的主要组成部分，许用应力为判断该种连接方式可行性的关键影响因素。

④当许用应力较低时，无弯管连接方式应经过严格计算校核后使用。

参考文献：

［ 1 ］石丹阳，黄飚，王传惠，等 .  聚乙烯燃气管道水平定向钻最大穿越长度确定［ J ］ .  煤气与热力， 2021 （ 3 ）： B10-B15.

［ 2 ］《石油和化工工程设计工作手册》编委会 .  石油和化工工程设计工作手册：第 5 册输气管道工程设计［ M ］ .  东营：中国石油大学出版社， 2010 ： 272-275.

［ 3 ］北京科技大学，东北大学 .  工程力学（材料力学）［ M ］ . 4 版 .  北京：高等教育出版社， 2007.

［ 4 ］姚谏 .  建筑结构静力计算实用手册［ M ］ . 2 版 .  北京：中国建筑工业出版社， 2014 ： 49.

（本文责任编辑：林国真）

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