燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨

Fp = fWB L
(1)
式中 Fp ———摩擦拖动阻力 , N
f———管材与钻探泥浆之间的摩擦系数 (一般
取 0. 25 ) 或管材与地面之间的摩擦系
数 (一般取 0. 40)
WB ———单位长度管材竖直方向上的合力 , N /
m
L ———管材长度 , m
Fc = eβf fWB L
不同的侧重点 ,在扩孔回拖阶段要求泥浆应具有很 好的护壁 、携带能力 ,同时还应有很好的润滑能力 , 以减小摩擦阻力和力矩 。
② 减小 WB 在钻孔无塌陷 、不存在土柱载荷的情况下 , WB 主要指管材自身重力及其在钻孔中受到浮力的合
力 。因高密度 PE 管的密度与水相近 ,如果采取封 闭的拉管头进行“干法 ”敷管 ,管柱会上浮至钻孔的 上方 ,由于浮力以及润湿性的黏土与管间的摩擦 ,管 柱将受到侧向载荷和摩擦阻力的作用 。如果采用开
等于由回拉摩擦拖动阻力 、流体阻力在管材中产生
的拉伸应力和由于管材弯曲产生的弯曲拉伸应力的
总和 。根据美国塑料管协会 PP I资料 ,回拉过程中 管材壁中的拉伸应力计算公式如下 :
σT
=π
FT (DOD
-
δ)δ+
ET DOD 2R
(5)
式中 σT ———轴向拉伸应力 , Pa
δ———管材壁厚 , m
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第 29卷 第 6期
② CJJ 33—2005《城镇燃气输配工程施工及 验收规范 》第 7. 1. 11 条和 CJJ 63—2008《聚乙烯燃 气管道工程技术规程 》第 7. 1. 2条 ,均要求 PE管材 在回拉前应预先对连接好的管段进行强度和严密性 试验 。但在实际施工过程中 ,受场地影响 ,对回拉管 道预先连接确有困难 (除非采用盘管敷设 ) ,工程实 践中只能采取分段焊接 、分段回拉的方法完成施工 任务 ,因此无法预先进行强度和严密性试验 。
3 PE管定向钻进施工中宜采取的优化措施
① 减小 f 减小摩擦系数 f,即要在施工中减小管材与地面 及钻壁泥浆之间的摩擦 ,采取的方法有 : a. 地面上 管道放在滚轴上拖动 ,既可防止管壁损伤又可减小 摩擦阻力 。 b. 钻进线路尽量笔直 。 c. 尽量采取连续 回拖 (只需克服动摩擦力 ) ,减少间断回拖 (需克服 最大静摩擦力 ) 。 d. 回拉过程中注意保持稳定的泥 浆环流 。 e. 保证在泥浆固化之前完成回拉任务 。 f. 合理选用泥浆 ,确保钻孔不塌陷 ,以减少在回拖过程 中管道上的摩擦阻力 。泥浆的配制在各个阶段应有
管头拉出一段长度 ,约为管材总长度的 3%。还可 以对多拉出来的管材在清洗后检查是否产生刮痕 , 检查标准按 CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技 术规程 》的第 5. 1. 1条 ,管材表面划伤深度不应超过 管材壁厚的 10%。
的近似计算公式 ,实际施工中钻机拖力的大部分被 施加到扩孔设备 、工具的切削面上 ,很难预测总的回 拉力中的多大比例传递到被回拖的管线上 ,因此如 何让总拉伸应力在要求的范围内以确保回拉管材安
PE管材因其固有的诸多优点 ,被广泛地应用于
燃气工程 。传统敷设 PE 管材均是采用开挖的方
法 ,对城市交通 、环境等带来不良影响 。而 PE管水
平定向钻进技术的发展 ,可以很好地解决这个问题 。
该技术相对于钢管定向钻施工技术起步较晚 ,相关
标准目前也不够完善 ,因此对该技术的探讨也持续
不断 。本文从对回拉 PE 管材受力分析的角度 ,提
HON G Guo Abstract: The different variables in the stress formula of PE p ipe in horizontal directional drilling
engineering are analyzed. The m easures for reducing the tensile stress of the p ipe are put forward. The p roblem s existing in the installation of gas PE p ipe by horizontal directional drilling are discussed. Key words: gas PE p ipe; horizontal directional drilling; stress analysis
17
305 137 777 11
见图 1。该软接头预设的断开拉力应小于被拉管材
17
610 488 888 11
的安全载荷 ,此安全载荷按 CJJ 63—2008《聚乙烯燃 5 存在问题及建议
203 93 333 305 204 444 610 728 889
气管道工程技术规程 》的要求 ,相应拉伸应力限值取 5. 1 存在问题
第 29卷 第 6期 2009年 6月
煤气与热力
GAS & HEAT
Vol. 29 No. 6 Jun. 2009
燃气用 PE管水平定向钻进若干问题探讨
洪 国
(福州市煤气规划设计院 , 福建 福州 350011)
摘 要 : 对水平定向钻进工程中 PE管材受力公式的各变量进行分析 ,提出减小管材拉伸应 力的措施 ,分析了燃气用 PE管水平定向钻进技术存在的问题 。 关键词 : 燃气用 PE管 ; 水平定向钻进 ; 受力分析
ET ———随时间变化的拉伸模量 , Pa
R ———管材在钻孔中的弯曲半径 , m
② 扭应力 [ 1 ]
在扩孔和回拉阶段 ,可采用一个分动器 (或称 旋转接头 )将旋转的扩孔钻头与被拉的管材隔开 , 减小扭应力 。对于 SDR 值等于 7 ～17 的厚壁高密 度 PE管 ,由于使用了分动器 ,使得管材上的扭应力 很小 ,不需进行详细的工程分析 。
④ 减小 p及 DH
流体压力 p与泥浆黏度及其流量有较大关系 。
在定向钻施工中 ,泥浆黏度具有重要意义 ,施工现场
每 2 h应对泥浆黏度观测一次 。此外 ,按美国塑料
管协会 PP I资 料 , 建 议回 拉速 度为 5. 08 ～10. 16
mm / s,据此还应合理选择泵的输送量 ,并采用匀速
拉管 ,以保持稳定的泥浆环流 ,这样可避免出现孔内
表 1 管道直径和钻孔直径的关系
管道直径 D /mm
钻孔直径
备注
< 200 200～600
> 600
D + 100 mm (1. 2～1. 5) D D + (300～400) mm
经验数据
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第 29卷 第 6期
煤 气 与 热 力
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图 1 PE管水平定向钻进施工方案
力 ) ,部分数据见表 2。 PE管材在回拉完成后 ,其弹 的敷设却无法实施 。虽然定向钻进的 PE管埋地较
性应变会很快恢复 ,粘弹性伸长将会记忆住敷设管 深 (多为 3～5 m ) ,但现行标准并未明确较大埋深的
段的原始长度 。过一夜后 ,伸长恢复和温度达到平 燃气管道是否可以取消警示带敷设 。
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表 2 HDPE管材的安全牵引载荷 ( 24 h)
管材 管材公称 安全牵引 管材 管材公称 安全牵引
SDR值 外径 /mm 载荷 /N SDR值 外径 /mm 载荷 /N
11
51
7 111
11
102 26 667
全 ,是工程实践中必须解决的问题 。本文推荐使用
17
203
62 222 11
软接头的办法 ,即在回拉管线前端接入一段软接头 ,
中图分类号 : TU996 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 4416 (2009) 06 - 0A30 - 04
D iscussion on Som e Problem s about In sta lla tion of Ga s PE P ipe by Hor izon ta l D irectiona l D r illing
式拉管头进行“湿法 ”敷管 ,管柱中会充满水 (钻进
泥浆更好 ) ,受到的竖直方向上的合力会急剧降低 , 总摩擦力可降低到低于 PE管柱重量的 10% [ 1 ] 。因 此 ,为减小 WB ,实际上采用湿法钻进更为合理 。但 对于输送燃气用 PE 管材而言 ,一般情况下管径较 小 ,因此在钻孔中所受到的浮力也不会很大 ,并且采 用湿法钻进施工完毕后还需要对管材内部进行处
FT = FP + Fc + FHK
(4)
式中 FT ———总回拉力 , N
2 轴向拉伸应力及扭应力
① 轴向拉伸应力
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洪 国 :燃气用 PE管水平定向钻进若干问题探讨
第 29卷 第 6期
实际考虑问题时 ,应保证最大的轴向拉伸应力 不超过管材的安全拉伸强度 。最大的轴向拉伸应力
出一些改进 PE管水平定向钻进技术的措施 ,并列
举了该技术存在的问题 。
1 定向穿越回拉过程中总的回拉力
在 PE管材回拉过程中 ,管材承受摩擦拖动阻
力 (由管材和钻孔或泥浆之间的摩擦拖动 、地面上
的摩擦拖动产生 ) 、沿钻道弯曲产生的“绞盘力 ”、流
体动力学拖力产生的流体阻力等 。根据美国塑料管
协会 PP I资料 ,其受力计算公式如下 :
管材屈服拉伸应力的 50%。增加软接头后 ,无论发
尽管 PE管定向钻施工技术已发展多年 ,但由于
生什么情况 ,都能确保管材的拉伸应力在要求的范 缺乏相关的规范标准 ,目前对 PE管定向钻进工程的
围内 。
设计 、施工及质量的评判只能参考相关标准执行 。
由于 PE管材具有蠕变特性 ,即 PE管的安全牵 但在实际工作中参考这些相关规范时却发现有一些
(2)
式中 Fc ———绞盘力 , N
e———自然对数的底数 , e = 2. 718 28
β———管材的弯曲角度 , rad
FHK
π =8
p (DH2
- DO2D )
(3)
式中 FHK ———流体阻力 , N p———流体压力 , Pa
DH ———钻孔直径 , m
DOD ———管材外径 , m
24 h内完成回拖任务 ,一般能保证拖拉头伸长较少 , 管道的沿线应设计示踪线 (带 )和警示带 。定向钻
避免 PE管线的破坏 。美国塑料管协会 PP I资料提 进施工中解决示踪线 (带 )的问题比较容易 ,只要将
供了燃气 PE管材允许的安全牵引载荷 (安全回拉 示踪线用胶带捆绑后随管回拉即可 ,但对于警示带
理 ,所以在确保总拉伸应力小于管材安全拉伸强度
的情况下 ,建议尽可能采用干法拖管 。
③ 减小 β(即增大 R )
减小 β,在工程实践中主要表现为对入 、出土角
α 1
、α2
的控制
,α1
、α2
愈小
,β愈小
。本文建议按图
1
所示方案 ,在场地允许的情况下 ,合理选择工作坑的
位置 ,尽量利用开挖距离较长的下管工作坑替代第
瞬间真空现象从而造成孔内坍塌 。按上述要求控制
好泥浆黏度及其流量 ,即可减小 p的影响 。 扩孔直径 DH 不是越大越好 ,只要能使钻孔容
纳所要敷设的管道即可 ,从减小流动阻力方面来看 , DH 也是愈小愈好 。扩孔直径还应根据地层条件和 管道类型确定 ,对于回拉 PE管材而言 ,扩孔直径宜 为敷设管 道外 径的 1. 2 ～1. 5 倍 , 也 可 按 表 1 选 用 [3]。
引载荷与时间有关 ,在短时间内作用属安全载荷 ,对 矛盾之处 ,列举如下 :
Hale Waihona Puke Baidu
于长时间的拉管施工未必合适 。轴向拉伸应力沿着
① 按 CJJ 33—2005《城镇燃气输配工程施工
拉管长度增加 ,在拖拉头部的拉伸载荷作用时间最 及验收规范 》第 2. 5. 1条及 CJJ 63—2008《聚乙烯燃
长 ,管材尾部受力为零 ,受力时间也为零 。若能在 气管道工程技术规程 》第 6. 2. 6条的要求 ,埋设燃气
4 对回拉管材长度及回拉时间的控制
衡状态的热收缩可能会导致拖拉头退回到钻孔出口
以上针对如何减小管材的拉伸应力作了分析 。 内 。为防止这种现象的发生 , 在回拉完成后还应将
即使满足了上述条件 ,还应关注回拉管材长度及回 拉时间对拉伸应力的影响 。由公式 ( 1)至 ( 4)可知 , 总回拉力近似为管材长度的线性函数 ,因此要使总 拉伸应力不大于管材的安全拉伸强度 ,就要保证回 拉管材的长度在一定范围内 。上述公式均为理论上
二曲线段 ( PE管曲率半径 ≥25 倍的管材外径 ) ,使
α 2
约等于零
,在出土工作坑内的管材拉伸
应力即可
减至最小 。影响管材拉伸应力的就只有第一曲线段
了 ,入土角取决于钻杆曲率半径 ( ≥75 m ) [ 2 ] ,按曲
率半径
75
m
计算的
α 1
约为
20 °,因此本文建议合适
的
α 1
取值宜为
0°～20°[ 3 ] 。