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水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析
杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛
【摘要】回拖力计算是采用水平定向钻进技术(HDD)进行管道铺设工程设计的一项重要内容,也是选择钻机和管材的主要依据.在实际施工中,水平定向钻穿越回拖力计算方法很多,且计算结果相差也比较大,常常使工程设计人员无从选择.针对这一问题,文章选取了油气输送管道穿越工程施工规范、给水排水管道工程施工及验收规范、美国燃气管道研究会的计算方法和美国材料试验学会ASTM法这4个目前国内外常用的回拖力计算公式,并结合3个具有代表性的工程实例,对4个公式的计算结果及应用环境进行比较分析,得出的结论可供HDD工程设计人员借鉴参考.
【期刊名称】《石油工程建设》
【年(卷),期】2011(037)001
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】水平定向钻;回拖力;管道穿越
【作者】杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛
【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TE973.4
水平定向钻进技术的施工过程一般可以分为三个阶段,即钻先导孔、扩孔和管道回拖[1-2]。其中管道的回拖阶段需要选择适当的管材和壁厚来承受安装时的荷载,设计人员要预先确定安装荷载并确保管道尺寸能够承受这些载荷,施工单位也要根据他们提出的计算方法来预测回拖力并施工安装管道。另外,回拖力还是水平定向钻钻机选择的主要参数,回拖力的计算是管道穿越工程首要解决的问题之一。
穿越管段在回拖过程中的受力非常复杂。目前普遍认为管道在回拖过程中主要受到以下5种阻力:一是穿越管道与孔壁间的摩擦阻力;二是管道和地表之间的摩擦阻力;三是绞盘效应力,源于沿弯曲钻孔轨迹拖拉管道产生的递增承载压力;四是流体阻力;五是弯曲时由管道刚度产生的阻力[1]。
由管道受力分析可知回拖力的计算涉及多门学科,既包括土力学、工程力学、流体力学、弹性力学等方面的知识,也与工程实际的地质环境、穿越轨迹、扩孔直径、穿越管道的规格(外径、壁厚)、管材和管段在地面上的摆布方式、发送方式有关[3-4]。因此,很难建立起一个与实际工况非常吻合的、具有普遍适用性的力学模型。在实际工程中,由于考虑的孔内受力条件不同,其回拖力的预测公式也有多种。大多数情况下,预测值和实测值并不遵守同样的趋势,其最高负载的位置也不相同[5-6]。
回拖力的计算公式大致可分为两类。一是在计算中未考虑管道弯曲变形后对回拖力产生的影响。这类公式的主要特点是简单直观、容易计算,例如GB50424-2007《油气输送管道穿越工程施工规范》、GB50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》、卸荷拱土压力计算法、净浮力计算法、Driscopipe计算方法等[7-9]。二是在计算中考虑了管道弯曲变形后对回拖力产生的影响。这类公式的主要特点是公式复杂、考虑全面、参数众多,例如美国材料试验学会ASTM法、美国燃气管道研究会的方法(AGA)、MeriaAnnaPalk方法、Drillpath方法等[10-12]。本文从这两类公式中选取4个国内外权威机构或国家标准所提供的计算方法,并以实际工程的统计数据为基础,将计算结果与实际所测回拖力进行比较分析,确定了相对较准确的公式,可供工程设计人员参考。
1.1.1GB50424-2007《油气输送管道穿越工程施工规范》
《油气输送管道穿越工程施工规范》适用于油气输送管道在陆上穿越人工或天然障碍的新建和扩建工程。其回拖力计算公式主要考虑了穿越管道与孔壁之间的摩擦阻力和泥浆对管道的黏阻力,计算简单。该公式的不足为:考虑因素过少,与孔内实际工况相差较大;按照直线段推导,计算结果偏小;计算公式中的摩擦系数的变动范围较宽(0.1~0.3),回拖力的计算结果受主观影响较大且范围太宽;该公式只适用于钢管,如果穿越其他类型管材,还需要对公式做适当的调整。规范中公式计算以t为回拖力单位,现改为以kN为回拖力单位,则公式为:
式中F拉——管道回拖力/kN;
L——穿越长度/m;
f——摩擦系数,取0.1~0.3;
g——重力加速度,取9.81m/s2;
D——管道外径/m;
γ泥——泥浆密度/(t/m3);
δ——管道壁厚/m;
k黏——黏滞系数,取0.01~0.03。
1.1.2GB50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》
该规范主要针对城镇公用设施管道。其将回拖力分为扩孔钻头迎面阻力和管外壁周围摩阻力。该公式特点为:公式简单,计算方便;单位摩擦阻力完全由土壤类型决定,忽略
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