1.工程背景及概況
1.1 工程背景
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，舟山市展茅區(qū)域生產(chǎn)、生活污水有較大的增長(zhǎng)，現(xiàn)狀展茅污水處理廠處理規(guī)模僅 0.5 萬(wàn) t/d，已無(wú)法滿足展茅區(qū)域日益增長(zhǎng)的污水處理需求，為解決展茅區(qū)域污水處理問(wèn)題，舟山市水務(wù)集團(tuán)實(shí)施了展茅區(qū)域主管網(wǎng)調(diào)配工程，將展茅鎮(zhèn)污水輸送至附近有處理余量的島北污水處理廠處理。展茅區(qū)域污水經(jīng)污水泵站提升，采用壓力流管道向北跨海經(jīng)過(guò)規(guī)劃經(jīng)十一路、疏港大道送入舟山市島北污水處理廠處理。
1.2 工程概況
本工程在現(xiàn)狀展茅污水廠北側(cè)空地內(nèi)設(shè)一座污水提升泵站，規(guī)模為 1.5 萬(wàn) m3/d，污水管道管徑DN500，全長(zhǎng)約 5.5 km，其中陸地開槽段 3.72 km，海底段 1.72 km。陸地開槽段采用 PE 實(shí)壁管，海底段采用無(wú)縫鋼管，壓力等級(jí)為 1.0 MPa。
本工程地處舟山展茅鎮(zhèn)螺門灣，北側(cè)為填海造地建成的新港工業(yè)園，南側(cè)為展茅污水處理廠，西側(cè)為漁業(yè)養(yǎng)殖基地，東側(cè)為螺門漁業(yè)公司碼頭。在微地貌上場(chǎng)地屬于海島丘陵地貌及濱海相淤積平原地貌，場(chǎng)地面絕對(duì)標(biāo)高為 -0.98～3.61 m（國(guó)家85 高程系統(tǒng)），場(chǎng)地地形起伏較小，海底地質(zhì)情況為淤泥質(zhì)粘土，根據(jù)舟山水文站資料顯示，本海區(qū)歷史最高潮位 3.18 m，平均潮位 2.20 m，歷史最低潮位 -2.21 m，平均水深約 3.1 m，最大水深約 5.10 m。
2.海底管道的關(guān)鍵問(wèn)題及對(duì)策
2.1 海底管道的關(guān)鍵問(wèn)題
（1）長(zhǎng)距離海底管道施工方式的選用
本工程海底管道距離較長(zhǎng)，一次性穿越 1.72 km難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，且中間無(wú)裸露灘涂、島嶼，不具備多次穿越條件，不適合牽引管施工；本工程管徑小于 DN600，不適合頂管施工，且海底段距離較長(zhǎng)，施工耗時(shí)久，無(wú)法滿足工期要求；鋪管船法常用于遠(yuǎn)陸地深海海底鋪設(shè)石油和天然氣輸送管道。鋪管船一般至少長(zhǎng) 100 m 以上，載重較大，現(xiàn)狀螺門灣最高水深僅 5.1 m 左右，有擱淺風(fēng)險(xiǎn)。因此確定適合的海底管道施工方式是本工程首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
（2）海底管道管材的選擇
由于海洋環(huán)境的特殊性，海底管道不僅要考慮管材本身材料類別、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)性能、工程造價(jià)等因素，還需要考慮管材在海底的施工條件及工藝、抗腐蝕能力、可靠程度等因素。我國(guó)海底管道工程起步較晚，且海底管道管材的選用經(jīng)驗(yàn)及研究多是圍繞海洋石油和天然氣的輸送管道，因此如何根據(jù)工程實(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)適用、結(jié)實(shí)可靠的污水壓力管道管材對(duì)本工程至關(guān)重要。
（3）海底污水輸送管道的防腐問(wèn)題
鋼管不僅常年浸泡在海水和淤泥形成的侵蝕性環(huán)境中，還會(huì)因?yàn)楹５咨锏募纳鷮?dǎo)致其保護(hù)結(jié)構(gòu)被破壞，在淺灘區(qū)域，高、低潮位變化會(huì)形成一個(gè)干濕交替循環(huán)的環(huán)境，從而加速管道的侵蝕，此外，海水的電離作用還會(huì)持續(xù)不斷的侵蝕鋼管外壁，因此對(duì)鋼管外壁的防腐保護(hù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陸地埋管，而作為污水輸送管道，鋼管的內(nèi)壁同樣需要有效可靠的防腐措施。因此，如何綜合考慮海洋環(huán)境的特殊性、施工條件，選擇可靠的防腐措施是本工程一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
（4）海底管道的抗浮問(wèn)題
當(dāng)管道沉入溝底后，溝內(nèi)土壤進(jìn)入自然回淤狀態(tài)，土壤將重新排水固化，當(dāng)土壤處于液態(tài)時(shí)，隨著土壤內(nèi)含水率降低，管道受到的浮力將成線性增加趨勢(shì)[1]，本工程海底管道所在螺門灣為淺灘海域，為淤泥質(zhì)粘土，海底管道上浮可能性較大，因此管道抗浮問(wèn)題也是本工程必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
2.2 海底管道關(guān)鍵問(wèn)題的對(duì)策探討
2.2.1 長(zhǎng)距離海底管道的施工方式
本工程海底段管道全長(zhǎng) 1.72 km，由于所處環(huán)境特殊性、工期緊張、經(jīng)濟(jì)投資等因素影響，本工程不適合采用定向鉆進(jìn)牽引管、頂管、鋪管船等施工方法。海上開槽埋管施工是一種較為新興的海底管道施工工藝，該工藝施工周期短、投資節(jié)省、施工風(fēng)險(xiǎn)低，且基本不造成環(huán)境污染[2]。但海上開槽施工受季風(fēng)及洋流等天氣影響較大，施工時(shí)需要密切關(guān)注氣象，選擇合適的施工期。經(jīng)綜合考慮，本工程采用海上開槽埋管進(jìn)行施工，其主要施工步驟：（1）采用抓斗式挖泥船開挖溝槽；（2）采用拖管船將管道拖拽至溝槽，充水沉管施工；（3）壓載配重塊，進(jìn)行溝槽回填；（4）管道水壓試驗(yàn)。具體施工工藝流程見圖 1。
圖1 海上開槽施工工藝流程圖
2.2.2 海底管道管材的確定
目前國(guó)內(nèi)外各種新型管材種類繁多，污水壓力管道常用管材主要有 PE 管、玻璃鋼夾砂管（HOBAS 管）、球墨鑄鐵管、鋼管等。PE 管具有水力損失小、切割連接方便、無(wú)需防腐措施等優(yōu)點(diǎn)，適用于牽引管，但質(zhì)量較輕，海上沉管開槽實(shí)施難度大；玻璃鋼夾砂管剛度強(qiáng)，無(wú)需防腐措施且在海水中抗腐蝕能力較強(qiáng)，但小管徑產(chǎn)品較少見，材料脆，易變形，管配件需要專門定制；球墨鑄鐵管作為市政污水壓力管道最常用的管材，其成品具有防腐性能好、材料安全可靠、水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，但管材單節(jié)較短，連接麻煩，且接口稍有擾動(dòng)就容易損壞，不適用于海底管道工程。
鋼管長(zhǎng)期以來(lái)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟，水力損失小、承壓能力強(qiáng)，具有良好的韌性，材料結(jié)實(shí)可靠，管材及管配件容易加工，可通過(guò)切割、焊接組成任意長(zhǎng)度的管段，靈活適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，空管狀態(tài)可浮于水面運(yùn)輸，充水后可進(jìn)行沉管施工，適用于海上開槽埋管，其缺點(diǎn)是需要另外采取可靠的防腐措施。綜合考慮海底管道埋管施工條件、管材可靠性，選用鋼管作為海底污水壓力管道管材。
2.2.3 海底污水輸送管道的防腐措施
鋼管外壁防腐材料的關(guān)鍵指標(biāo)有附著粘結(jié)能力、絕緣性能、抗陰極剝離性能、耐劃傷性。常用的防腐材料有環(huán)氧煤瀝青、PE 涂層、熔結(jié)環(huán)氧涂層等，其中熔結(jié)環(huán)氧涂層（FBE）廣泛應(yīng)用于陸地、水下、海底等管道的防腐工程，其附著力、抗磨損性、耐化學(xué)性、耐候性（自然老化），耐濕熱性、耐水性等性能均遠(yuǎn)超普通涂料，國(guó)外 20 世紀(jì) 80 年代，環(huán)氧涂層就基本取代其他防腐材料，成為海洋工程中首選的防腐涂層。環(huán)氧涂料經(jīng)加熱后充分熔化流動(dòng)，均勻地覆蓋、包裹鋼管外壁表面，并完全有效填補(bǔ)鋼管表面的錨紋，在此過(guò)程中，環(huán)氧粉末樹脂受熱固化形成熱固性聚合物，同時(shí)與鋼管也產(chǎn)生了某種化學(xué)鍵的結(jié)合作用，因此能長(zhǎng)期強(qiáng)力地附著于鋼管表面。
在漫長(zhǎng)的管道運(yùn)行期間，僅靠防腐涂層無(wú)法完全隔絕鋼材料與外界之間的介質(zhì)傳遞，此外防腐涂層在鋼管運(yùn)輸與施工過(guò)程中的難免產(chǎn)生擦碰損傷，導(dǎo)致在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中鋼管與海水接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕，為保護(hù)污水壓力管道在更加安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，用電化學(xué)防護(hù)法與熔結(jié)環(huán)氧涂層相結(jié)合的方法，共同保護(hù)海底污水輸送管道。
2.2.4 海底管道抗浮問(wèn)題的對(duì)策
本工程海底管道由于施工條件等因素限制，無(wú)法進(jìn)行深埋，淺埋的管道處于海底淤泥質(zhì)粘土層，該土質(zhì)會(huì)增加上浮風(fēng)險(xiǎn)，展茅鎮(zhèn)螺門灣水深較淺，易受洋流影響，同時(shí)底層流速較慢，回淤效果較差，也增加了管道的上浮風(fēng)險(xiǎn)。海底管道上浮很可能引起管道接口破裂，從而導(dǎo)致污水滲漏，污染海洋環(huán)境，因此必須要采取措施對(duì)管道進(jìn)行固定，施加重力壓載，防止管道上浮。本工程采用增加鋼管壁厚及配重塊壓載兩種措施，DN500 鋼管國(guó)標(biāo)壁厚一般為 7 mm 左右，經(jīng)綜合比較，鋼管壁厚采用 12 mm，一方面可以增加管道自重，另一方面增加壁厚可以更好的保護(hù)管道不被腐蝕破漏[3]；此外，在管道上間隔一定距離壓載一塊鋼混凝土配重塊對(duì)管道進(jìn)行錨固。
3.海底管道關(guān)鍵問(wèn)題的對(duì)策設(shè)計(jì)
3.1 海底開槽埋管工藝
（1）海底管道溝槽斷面設(shè)計(jì)
海底管道采用海上開槽埋管工藝施工，海底管道施工溝槽斷面見圖 2。
圖2 海底管道溝槽橫斷面圖（單位：cm）
（2）海上開槽埋管工藝
海上開槽工藝主要可分為以下幾個(gè)階段：施工準(zhǔn)備；管道浮運(yùn)；水面對(duì)接；海上沉管；管道試壓。
施工準(zhǔn)備階段：陸上進(jìn)行成品管材組焊，將成品管材焊接為約 200 m 左右的長(zhǎng)管，并做好焊口處防腐，安裝犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊；利用平潮時(shí)間，在海上同步使用 GPS 進(jìn)行測(cè)量放樣，打設(shè)定位樁，采用抓斗式挖泥船進(jìn)行水下溝槽開挖，開挖完畢后由潛水員采用水下沖吸泥方法修正以及檢測(cè)基底高程和槽段平直度，基槽檢測(cè)合格后由施工船舶人員拋填塊石，然后進(jìn)行管道基礎(chǔ)施工。水下開槽操作流程見圖 3。
圖3 抓斗式挖泥船水下開槽示意圖
管道浮運(yùn)階段：選擇天氣好、風(fēng)浪小、高平潮時(shí)間，將焊接完成的長(zhǎng)管一段封閉固定于拖管船上，將管道輕拖出水，間隔 30 m 左右配置一艘拖船及控制纜點(diǎn)，管道下灘時(shí)，各船統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)一致，確保管道安全下水浮運(yùn)至安裝軸線位置，再用鋼絲繩固定于定位樁上。
水面對(duì)接階段：將兩條長(zhǎng)管道一端固定于海上焊接船上，將管道與焊接平臺(tái)連接成為一個(gè)整體。
海上沉管階段：本階段分為三個(gè)關(guān)鍵部分，一是管道精確定位，二是準(zhǔn)確控制管道下沉入槽，三是與已沉放好的水下管道進(jìn)行對(duì)接。下沉?xí)r，一端注水，另一端控制排氣，隨時(shí)根據(jù)情況調(diào)節(jié)下沉長(zhǎng)度、速度，可通過(guò)固定纜繩調(diào)節(jié)下沉位置，確保管道順利準(zhǔn)確入槽。為控制各長(zhǎng)管有序下沉，每次下沉?xí)r保持有 30 m 長(zhǎng)度浮于水面之上，便于與下段長(zhǎng)管進(jìn)行水面對(duì)接，對(duì)接完成后及時(shí)完成下沉工作，沉管結(jié)束后，由專業(yè)潛水員潛水對(duì)管道進(jìn)行水下檢查，確保管道完整、緊貼管道基礎(chǔ)、受力良好，確認(rèn)無(wú)誤后壓載配重混凝土塊，再進(jìn)行回填，回填結(jié)束后在其上填埋砌塊石，確保管道不受外力擾動(dòng)。
（3）管道試壓。全段海底管道沉管結(jié)束后，按照相關(guān)規(guī)范一次性進(jìn)行整體試壓，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力值 1.5 倍，且不低于 0.9 MPa。
3.2 海底管道防腐設(shè)計(jì)
（1）防腐設(shè)計(jì)
本工程鋼管內(nèi)、外壁防腐均屬于第 1 類涂層[4]，內(nèi)壁防腐采用加強(qiáng)級(jí)熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層，厚度不小于 400 μm�？紤]到過(guò)程中的碰擦磨損，外壁防腐采用特強(qiáng)級(jí)熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層，厚度不小于800 μm。管材防腐均在廠內(nèi)做好，成品運(yùn)至工程現(xiàn)場(chǎng)，焊口部位防腐在現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)。防腐材料涂敷前，將鋼管表面清理干凈，還應(yīng)進(jìn)行除銹處理，達(dá)Sa2.5 級(jí)，錨紋深度 40~100 μm。
（2）電化學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)
管道采用鋁合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊，間隔 180m設(shè)置一組，海上焊接口處加設(shè)一組，在海底段兩端各設(shè)置一處測(cè)試樁，并做標(biāo)識(shí)，每 3 個(gè)月左右測(cè)量各點(diǎn)電位、陽(yáng)極輸出電流等數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)電位不足，及時(shí)更換犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊。犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊設(shè)計(jì)見圖 4。
圖4 犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊設(shè)計(jì)示意圖（單位：mm）
3.3 海底管道抗浮措施設(shè)計(jì)
采用預(yù)制鋼混凝土配重塊壓載管道，間隔 50 m設(shè)置一處，長(zhǎng)管段1*3*1+19-10/29+7-3海上焊接處加設(shè)，配重塊重量約799 kg/ 塊，配重塊與管道間隙采用 5 mm 厚橡膠填充，防止表面防腐涂層磨損。配重塊斷面見圖 5。
圖5 配重塊斷面圖（單位：cm）
4.結(jié)語(yǔ)
目前，海底敷設(shè)的污水輸送管道工程案例較少，本工程通過(guò)對(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題及其對(duì)策的研究探討，制定合理可靠的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和建設(shè)單位的共同努力，已于 2018 年順利完工，整個(gè)過(guò)程安全有序，項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程積累的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)類似工程提供參考。
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