摘要： 從管材性能、穿越曲線、管道受力等方面對(duì)鋼管和聚乙烯管應(yīng)用于水平定向鉆穿越進(jìn)行了比較。在城市內(nèi)小型穿越工程中采用聚乙烯管能減小穿越長(zhǎng)度、降低工程造價(jià)、縮短施工期，但在穿越距離較長(zhǎng)或穿越深度較深時(shí)，為了保證穿越管道的穩(wěn)定性，應(yīng)謹(jǐn)慎使用聚乙烯管。

關(guān)鍵詞： 鋼管； 聚乙烯(PE)管； 水平定向鉆穿越

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

早期的定向鉆穿越管道都采用鋼管，近些年隨著聚乙烯材料技術(shù)的不斷發(fā)展和高密度聚乙烯管材的普及應(yīng)用，在中壓燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@穿越工程中選用PE管的比例在逐年增加[1-2]。本文從管材性能、穿越曲線、管道受力方面對(duì)鋼管和PE管應(yīng)用于穿越工程進(jìn)行比較。

1 管材性能

目前城市中壓燃?xì)夤艿来┰焦こ踢x用的鋼管有無(wú)縫鋼管和焊接鋼管兩類：無(wú)縫鋼管一般選用GB／T 8163-2008《輸送流體用無(wú)縫鋼管》，材質(zhì)為20號(hào)鋼；焊接鋼管一般選用GB／T 3091-2008《低壓流體輸送用焊接鋼管》，材質(zhì)為Q2358。聚乙烯管一般選用GB l5558．1-2003《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》，材質(zhì)分別為PEl00和PE80，標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDRll。

鋼管在使用期限內(nèi)各項(xiàng)性能指標(biāo)保持不變，鋼管管材性能見表1。

聚乙烯是無(wú)極性的飽和脂肪烴長(zhǎng)鏈聚合物，因此聚乙烯管與鋼管管材性能指標(biāo)完全不同。由于聚乙烯材料的蠕變與應(yīng)力松弛特性，使聚乙烯的強(qiáng)度是時(shí)間的函數(shù)，單純材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際工程沒有指導(dǎo)意義。長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度、耐快速裂紋擴(kuò)展和耐慢速裂紋增長(zhǎng)是聚乙烯材料的最關(guān)鍵三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。聚乙烯管管材性能見表2。

從管材性能分析，鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服極限高，因而管道抗外力破壞、抗扭曲能力強(qiáng)；聚乙烯管強(qiáng)度低，但使用壽命長(zhǎng)，且優(yōu)異的耐快速、慢速裂紋擴(kuò)展性能保證了城市中壓燃?xì)夤艿赖陌踩?。同時(shí)聚乙烯管道斷裂延長(zhǎng)率非常高，使得管材具有非常優(yōu)異的柔韌性，良好的柔韌性也使聚乙烯管道具備了優(yōu)良的抗劃痕能力、抗不均勻沉降及抗震性。另外聚乙烯材料特性還決定了它具有優(yōu)良的耐腐蝕性[3]。

2穿越曲線

2．1 影響因素

影響管道穿越曲線的因素可分為客觀條件因素及設(shè)計(jì)參數(shù)因素?？陀^條件因素即穿越目標(biāo)的實(shí)際狀況，包括道路、河流等的寬度和深度、地下障礙情況、地質(zhì)條件及周圍地形條件等不可改變因素。設(shè)計(jì)參數(shù)因素即入土點(diǎn)及出土點(diǎn)的位置和角度、管材選取、彈性敷設(shè)管段曲率半徑等可變參數(shù)。

2．2穿越曲線設(shè)計(jì)

當(dāng)穿越位置確定后，管道理想穿越曲線僅與設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。下面假定某穿越目標(biāo)寬度為40 m，不考慮地下障礙及地質(zhì)條件，穿越管道公稱直徑為200 mm，分別設(shè)計(jì)理想穿越曲線。

①曲率半徑

穿越管道彈性敷設(shè)段曲率半徑主要取決于穿越管道材質(zhì)。

鋼管：GB 50423--2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5．1．2條規(guī)定，采用彈性敷設(shè)時(shí)，穿越管段曲率半徑不宜小于1 500倍鋼管外徑，且不應(yīng)小于1 200倍鋼管外徑。那么采用鋼管穿越時(shí)，鋼管外徑為219 mm，最小曲率半徑為262．8 m。

聚乙烯管：CJJ 63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第6．1．3條規(guī)定，聚乙烯管道敷設(shè)時(shí)，管道允許曲率半徑不應(yīng)小于25倍公稱直徑。在實(shí)際穿越過(guò)程中管道曲率半徑取決于鉆桿的曲率半徑。假設(shè)選用鉆桿外徑為66．68 mm，參照鋼管彈性敷設(shè)曲率半徑要求，則鉆桿的最小曲率半徑為80．02 m。那么采用聚乙烯管穿越時(shí)，管外徑為200 mm，最小曲率半徑為80．2 m。

②入土點(diǎn)、出土點(diǎn)

假定穿越段兩側(cè)地形條件良好，任意選取(實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)穿越管道周圍地形確定)。

③入土角、出土角

入土角為9°，出土角為6°。

④理想穿越曲線

根據(jù)上面確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，繪出鋼管理想穿越曲線見圖l，聚乙烯管理想穿越曲線見圖2。圖l、2中，h為穿越深度，單位為m。

穿越長(zhǎng)度計(jì)算見式(1)：

L=L1+L2+L3+L4+L5 (1)

式中L——穿越長(zhǎng)度，m

L1——入土直管段水平長(zhǎng)度，m

L2——入土端彈性敷設(shè)曲線水平長(zhǎng)度，m

L3——水平直管段長(zhǎng)度，m

L4——出土端彈性敷設(shè)曲線水平長(zhǎng)度，m

L5——出土端直管段水平長(zhǎng)度，m

采用鋼管和聚乙烯管時(shí)穿越長(zhǎng)度和深度見表3。

對(duì)比上述兩條穿越曲線圖和表3，得知采用鋼管穿越比采用聚乙烯管穿越的穿越長(zhǎng)度長(zhǎng)59．91m，穿越深度深2．21 m。這主要是因?yàn)殇摴軓椥苑笤O(shè)曲率半徑大，從而導(dǎo)致其L2和h增大，而h變大又直接導(dǎo)致L3變大。

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過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦阻力、局部阻力等的組合力[4-5]。由于鋼管管材抗拉強(qiáng)度大，管道本身能承受較大的回拖力，因此采用鋼管能夠穿越較寬的障礙，目前最長(zhǎng)可一次穿越1 500m。由于聚乙烯材料強(qiáng)度低，管道本身不能承受太大的回拖力，穿越長(zhǎng)度受到限制。CJJ 63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中規(guī)定聚乙烯管承受的最大拖拉力為：

經(jīng)計(jì)算，外徑為200 mm的SDRll聚乙烯管能承受的最大允許拖拉力為54．5 kN．

GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中穿越管段實(shí)際回拖力(管段不充水回拖時(shí))計(jì)算公式：

穿越管段回拖時(shí)，最大回拖力應(yīng)按計(jì)算值的1．5～3倍選取。

由式(3)反算回拖長(zhǎng)度：計(jì)算回拖力范圍為18～36 kN，摩擦系數(shù)取0．3，聚乙烯管外徑為200 mm．管內(nèi)徑為l 63．6 mm，泥漿密度取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，粘滯系數(shù)取0.03，經(jīng)計(jì)算，聚乙烯管的最大穿越回拖長(zhǎng)度為l77～355 m。

3．2管道徑向穩(wěn)定性

GB 50423-2007《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了穿越管道(鋼管)徑向屈曲失穩(wěn)校核公式：

一般城市內(nèi)定向鉆穿越深度不會(huì)太深，按照30m深度校核計(jì)算：鋼管外徑為219mm壁厚為6mm，屈服極限為245 MPa，鋼管橢圓度為0．5％，則Ps計(jì)算值為0．507 MPa，F(xiàn)dpyp計(jì)算值為11．22 MPa，滿足式(4)要求，穿越鋼管不會(huì)出現(xiàn)徑向屈曲失穩(wěn)。

CJJ 63-2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中對(duì)管道徑向屈曲失穩(wěn)沒有加以規(guī)定。由于聚乙烯管材為彈性材料，管道彈性變形臨界壓力和穿越管段所能承受的極限外壓力不能按照GB 50423—2007中的數(shù)據(jù)選取，因此聚乙烯管道徑向屈曲失穩(wěn)也不能采用校核鋼管的公式進(jìn)行校核。

從工程實(shí)例來(lái)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達(dá)到了l7．6 m[1]，該穿越管段在實(shí)際運(yùn)行中尚未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。由于無(wú)法實(shí)際測(cè)量穿越管段的橢圓度，因此目前還沒有這方面的相關(guān)數(shù)據(jù)供參考。

4結(jié)語(yǔ)

①在城市內(nèi)小型穿越工程中采用聚乙烯管相對(duì)鋼管能減小穿越長(zhǎng)度，進(jìn)而降低工程造價(jià)，縮短施工期。但在穿越距離較長(zhǎng)或穿越深度較深時(shí)，為了保證穿越管道的穩(wěn)定性，應(yīng)謹(jǐn)慎使用聚乙烯管，必要時(shí)還應(yīng)經(jīng)過(guò)專家論證。

② 目前國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)聚乙烯管定向鉆穿越的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，類似管道徑向失穩(wěn)的計(jì)算尚無(wú)依據(jù)，只能靠經(jīng)驗(yàn)判斷采用聚乙烯管穿越的可行性。建議相關(guān)部門盡快制定頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為專業(yè)設(shè)計(jì)和施工提供規(guī)范依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：孫中飛 蔡美婷 宋晞明 楊 穎 李 洋 馬俊峰

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津生態(tài)城能源投資建設(shè)有限公司