海外石化项目埋地FRP管道设计要点分析
发布时间：2021-10-13
摘 要：FRP管道具有耐腐蚀、重量轻、寿命长、运行成本低等优点，在海外石化工程中广泛使用。结合项目实例，从管沟开挖、管道安装、管道回填和管道检测等方面分析了埋地FRP管道设计的几个要点，指出FRP管道在土壤腐蚀性较强的地区具有良好的发展前景。
关键词：FRP管;管沟开挖;回填;试压
某海外项目坐落于波斯湾岸边，地下水位较高且含盐度高腐蚀性强，同时项目中设有海水循环冷却系统，对输送管道有很高的耐腐蚀要求。考虑到以上现场环境及介质因素，一般国内石化项目中常见的碳钢管道无法使用，所以按照沙特当地的石化项目设计规范，埋地管道及海水管道均采用了FRP管[1]。FRP管国内简称为玻璃钢管，具有以下优点：①耐腐蚀性，能有效抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀;②抗老化性能和耐热性能好;③重量轻、运输与安装方便，施工费用低，使用寿命长;④内壁光滑、输送能力强，不结垢、不生锈、水阻小，可以有效降低运行成本。本项目中FRP管输送介质包括海水循环水、消防水、生活污水和生产污水等。以下本文将分析埋地FRP管道设计的几个要点。
1FRP管道沟设计要点
埋地FRP管道需要铺设在符合要求管沟内，为了防止土壤不均匀地沉降、地下大块岩石或其他基础以及路面载荷对FRP管道造成破坏。
1.1管沟的宽度与深度
管沟的断面形状可以视土质情况确定为矩形或梯形。当遇到土质较密实或管沟较浅的地区，可以采用矩形断面以减少土方量;若遇到土质较差、含水率较高或管沟较深的地区，一般采用梯形截面[2]。本项目中要求FRP管道埋深需至少有1.5m，管沟深度为1.7~4m且地下水较多，故采用梯形截面。管沟宽度应保证足够的工作空间，以便于管道铺设和安装以及压实回填材料。管沟与管道之间的最小净距应符合表1的要求。
1.2管沟底基础
管道底部的构造应能为全部埋地管道提供牢固、稳定和均匀的支撑。通常情况下，当原有土壤均匀稳定时，管沟底部可以作为管道基础的顶部，管道垫层材料放置在任何基础的顶部。
当沟底有岩石、硬质土层或其他硬物时应移除并用粒状材料填充并压实以提供合适的基础，其厚度至少为300mm。
当管沟底部是不稳定土层时应挖掘额外的深度，开挖后回填砂、砂砾等材料并压实至95%的压实度并使用土工布以防止FRP管道底部支撑力的流失，形成一个牢固、稳定和受力均匀的基础，避免产生不均匀沉降。
1.3管沟排水
在铺设和回填FRP管道之前，应确保管沟中没有积水并在管沟开挖区域和邻近区域采取持续排水措施，保持开挖区域持续干燥。本项目采用井点排水系统，地下水位以下开挖的管沟每隔一段距离便设置一个深井，并用排水泵将井内的地下水排至雨水收集系统，以确保管道垫层材料可以充分压实。回填材料应放置到足够的高度以防止管道漂浮之前，保持排水操作[3]。
1.4管道净距
FRP管道由于放坡、设计走向局限等原因可能会非常靠近其他地下结构，一般来说埋地管道与基础及其他地下结构的最小净距应为300mm。如果不能满足最小净距的要求，可以使用混凝土保护块、水泥稳定砂或其他缓冲材料作为适当的补救措施。
多根FRP管道安装时管道之间的最小间距可用式(1)确定，但不得小于压实回填材料所需的最小间距或最大管道直径所规定的最小管沟宽度。
2FRP管道在管沟中的布置要点
2.1管道垫层
管道垫层应能牢固、均匀地支撑全部管道，应放置在施工完毕的管道基础顶部并充分压实。管道垫层所用的材料应与管区回填的材料相同。垫层的最小厚度取管道直径的25%或150mm两者的较小值。
2.2管道安放和连接
承插连接的FRP管道应在管沟中组装。胶粘连接的FRP管道可在管沟旁边组装，并在粘接材料冷却固定后按照制造商的施工手册中要求的程序放入管沟中，避免对管道施加过大应力。
在将管道和配件放置在管沟之前，应先测量校对标高、坡度及管道坐标是否正确。在管道的连接处应开挖操作坑，以确保管道位于垫层上受力均匀并便于管道连接操作。在完成管道连接后，用垫层材料回填操作坑并夯实。
2.3管道回填和夯实
FRP管道回填做法参见图1所示。当管道连接安装完毕后，管沟应及时回填并夯实，防止管道浮动和热膨胀变形，但接口部位在试压前应外露。
FRP管区回填的范围为从垫层顶部至管顶上方至少300mm处。在此区域内使用的回填材料，且应与垫层的回填材料相同，在本项目中采用砾石作为初始回填的材料。管沟回填时应在FRP管道两侧对称进行，对于垫层顶部和管道底面之间的腋角区域，应使用钝器将材料推入，并人工压实。每层回填厚度根据回填材料、压实密度和回填方法来确定，本项目采用每层回填300mm厚砾石。回填时需注意避免过度压实，否则可能导致管道隆起、扁平和局部变形。为避免接触和意外损坏管道，机械压实设备不得接触管道，并确保对管道进行适当压实，应考虑在管道周围150mm区域内进行手动夯实。
FRP非管区回填区域为从管区顶部至地面。在该区域内，可选择回填普通场地填充或原始土壤。只要材料的单位重量不大于管区所使用回填材料且压实良好，最终回填材料对管道性能的影响很小。在本项目中采用场地中的粗颗粒砂土作为非管区回填的材料。
当存在地下水或地表水冲刷到地下的情况时，需要用土工布铺设在管区上方以防止非管区回填材料中的细粒迁移到管区回填的材料缝隙中。
在进行回填材料夯实时，管道周围150mm的范围内回填工作必须采用人工夯实，在距离管道大于150mm的范围内可以使用手动平板夯实机，轻型机械振动夯实机只可用于距离管道大于600mm的回填区域。管沟回填最终的压实度应大于95%。
2.4交通荷载保护
FRP管道在施工期间通常都要受到比在正常使用过程中更为苛刻的载荷压力。一般在施工期间为埋地FRP管道提供的保护措施有：在交通繁忙的车道下的管道使用混凝土保护块或套管，管道上方安装荷载承受板，在管道附近增加临时支撑，以尽量减少管道上的荷载。
2.5止推块
由于止推块和管道之间可能有不均匀沉降，应尽可能减少止推块的使用。如果FRP管线应力计算后需要止推块，则应按照设计规定的尺寸安装。混凝土块应保证的受力完全传递到承载土壤。支墩应包裹住管件，或包裹住至少300mm的长或直径(取较大者)一半的管道。在支墩末端的管道周围应包裹橡胶以减少应力。在混凝土完全固化之前，不得对管道进行测试或将其投入使用。当管道铺设纵向角度大于15°时应自下而上安装并进行锚固[4]。
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在本项目中的消防栓地下管道的设计中，FRP管道分支口均在弯头下设有混凝土块支座，以防止沉降、热膨胀和开启消防栓后的反作用力而导致的管道破损。
2.6混凝土套管
当使用混凝土套管时，应通过用橡胶包裹FRP管道来减少接口处的应力，防止管道机械损伤。可以在混凝土套管的末端连接柔性接头或提供适当的基础支撑，以减轻管道与套管间的不均匀沉降。
2.7阀门井
当FRP管道穿过阀门井时，井壁开孔尺寸应大于管径的150%并安装柔性接头。开孔口应做到密封防水。阀门井内应设卡环、支墩等固定阀门的措施。
3管道挠度检测和压力试验
3.1管道挠度检测
对于直径较大(通常为大于等于1200mm)的FRP管道，应在回填和排水系统拆除完成后的24h内测量垂直和水平挠度。应在每根管道的中心、接头处以及沿管道长度每间隔不超过5m设置检测点。管道不允许出现隆起、扁平和局部变形。为了保障长期挠度不应超过2.5%，初始挠度不应超过1.6%。
3.2水压试验
由于FRP管道的材质与安装的特殊性，其水压试验的步骤与国内钢管试压步骤不同。
在对系统加压之前，地下FRP管道上应有至少500mm厚度的回填土且所有接头应暴露，以便在水压试验期间进行检查是否有泄漏或裂缝。在进行水压试验之前，应对整个管道系统进行清洗。本项目中FRP管道制造商所要求的出厂检验报告中的试压值大于管道设计压力的1.5倍，故取管道设计压力的1.5倍为管道试压值。管道水压试验的步骤为：
(1)将压力提高到0.5倍试验压力，稳定0.5h，观察无异常情况后继续;
(2)将压力提高到0.8倍试验压力，稳定0.5h，观察无异常情况后继续;
(3)将压力升高到最终测试压力并保持至少4h。加压的速度不得超过每分钟0.2MPa。
在加压过程中，所有管道中的空气应通过排气阀排出。在管道排水过程中，排气阀需保持打开，直到整个排水过程结束，以防止管道中出现真空情况。
4结束语
FRP管道凭借其优秀的耐腐蚀性、低经济成本和运行成本以及使用寿命长等优势，被广泛运用在海外石化工程中，且均有良好的使用效果。相信随着FRP管设计与施工技术的不断进步，将在国内沿海地区和土壤腐蚀性较强的地区以及输送海水等较强腐蚀性介质的工程项目中得到更广泛的应用。——论文作者：杨耀磊
