0 引 言

随着经济和海洋开发的迅速发展，需要建设越来越多的海上输水管道工程。这些工程包括沿海大陆向近岸岛屿以及岛屿与岛屿之间的淡水输送、沿海大陆海上排污管线等。为解决海岛上水源不足的问题，国内已建成大长山岛、舟山岛、南日岛、头门岛、南澳岛和刘公岛等一系列海上输水管道工程^[1]。国外输水管道以排污管线为主，如法国Montpellier排海工程等。

海上输水管道通常有钢管、铸铁管、混凝土管和塑料管等。塑料管材质主要有HDPE(高密度聚乙烯)、GFRP(玻璃纤维增强塑料)和PVC(聚氯乙烯)。由于HDPE管材具有化学稳定性好、耐腐蚀性能好、高韧性和使用寿命长等优点，目前世界各国陆上给水管网中都逐步应用HDPE管代替传统的钢管、铸铁管和混凝土管等。海上输水管道也逐渐采用HDPE管。笔者从HDPE管道设计和施工等方面介绍海上HDPE输水管道关键技术，以期为相关海上HDPE输水管道工程设计提供借鉴和参考。

由于HDPE管材密度小于海水，在海上安装过程中，即使管道内部100%充水也会浮在水面上，为了保证管道安装及在位稳定性，需要添加配重。配重块设计包括形状设计、质量设计、安装间距设计和材料设计等^[2]。配重块质量设计与HDPE管浮力、空管率和所受环境载荷有关。空管率即空气填充率，指管道内部有一定比例的空气而管道不漂浮的比率。考虑海床地形变化和管道运行过程中的空气聚积，长距离海上输水管道一般按45%～80%的空管率确定单位长度管道上的配重块质量。配重块的间距与安装方式密切相关，间距应尽量小，这样配重块的质量在管道上能够均匀分布，铺设过程中也可以起到限制管道变形的作用，间距一般在1～2 m。

配重块通常由上、下2块组成，其形状有圆形和多边形等。由于国内HDPE管的安装主要采用铺管船法，所以配重块主要采用圆形。但是法国Montpellier排海工程中采用长约1 m的混泥土短管进行配重，为了避免相邻2个短管碰撞，同时为了保持PE管柔韧性，在相邻2个管段之间设置橡胶挡销。

HDPE管的连接主要有热熔焊接、法兰连接和电熔连接等方式。大管径HDPE管连接一般采用热熔焊接。热熔焊接是将HDPE管端界面加热及加热熔融后相互对接融合，经冷却固定连接在一起的方法。热熔焊接一般参照丹麦DS/INF 70标准。

HDPE管热熔焊接过程中会在焊口处产生内、外翻边，形成熔珠环，熔珠尺寸形状与热熔焊接环境温度、焊接工艺参数(温度、压力和时间)和管材质量等因素相关。熔珠尺寸形状决定着热熔焊接质量，是热熔焊接质量检验的重要参数，相关热熔操作焊接规程中给出了推荐值，如表1所示。

如果运营期间需要清管，则内熔珠环会阻碍清管器通过，还会增加输水阻力，对输送介质流速有一定影响，管道内容易滋生微生物。因此，需要切除内熔珠环。目前美国和丹麦相关公司有内熔珠切除工具。美国公司产品主要包括内径76.2~609.6 mm(3～24 in)手动加载内熔珠切除工具和内径660.4~1 651.0 mm(26～65 in)大管径带气动辅助的内熔珠切除工具，如图1所示。

图1 美国公司内熔珠切除工具 Fig.1 Internal melted bead cutting tool of American company

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丹麦公司的内熔珠切除工具如图2所示，采用手动加载，能够满足内径650 mm以内管道内熔珠切除要求。内熔珠切除工具对管道椭圆度、热熔焊接冷却时间和熔珠尺寸等都有一定要求。

图2 丹麦公司内熔珠切除工具 Fig.2 Internal melted bead cutting tool of Danish company

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HDPE管道主要采用浮沉法安装和专用铺管船安装，国外主要采用浮沉法安装(见图3a)，国内主要采用专用铺管船安装(见图3b)。

图3 HDPE管道安装示意图 Fig.3 Schematic diagram for installation of HDPE pipelines

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浮沉法安装是通过控制HDPE管道充水安装海底管道。首先选择陆上管道预制场地，完成HDPE管的组对接长、法兰安装以及混凝土配重块安装等作业；然后选择合适的高潮位由拖轮将管道浮拖至海上安装地点，通过调节拖轮拉力和管道一端充水、另一端排气的速率控制管道下沉形态，保证管道安全，管段之间通过法兰连接^[3]。

常规PE铺管船一般采用箱型非自航甲板驳，船上装有发射架，如图3所示。PE管段由运管船驳运至施工现场后，吊装上管道敷设工作船，将48 m管道吊装到发射架上的48 m管道拼接滑道上，拼接成96 m长的管段，将该管段滚至发射滑道上，在熔接站内和已敷埋的管段对接，并安装配重块。通过收、放锚缆移动船位，边移船边放管，保持放管速度与移船速度协调一致，将焊接好的PE 管道输送下水。在管道敷设入海的同时，由潜水泵向管道内注入海水，水量控制在入海管道长度的同等容积量，以确保管道不浮起^{[4, 5]}。

浅水钢质海底管道安装分析一般采用OFFPIPE软件模拟计算，但HDPE管道与钢管有很大区别，OFFPIPE软件不能模拟HDPE管材的粘弹性力学性能，故采用ABAQUS有限元软件建立模型进行安装分析。

为了真实模拟管道铺设过程，先将管道放置在刚性海床上，同时根据实际托管架形状建立托管架模型，再利用托管架模型将管道从海床上逐步提升至指定高度，此时模型中的管道形态能够准确模拟管道实际安装时的实际形态，提升不同高度代表不同安装水深。管道选取二维梁单元B21，海床和托管架模型均采用刚体。管道与海床、管道与托管架之间设置接触，考虑相互之间的摩擦，配重块以载荷的形式施加在管道上。利用AQUA模块可将浮力及环境载荷加入到模型中进行计算，主要参数包括水深、波浪和潮流等。

假设采用40 m长托管架铺设带配重层的HDPE管道，管径800 mm，壁厚58.8 mm，许用应力14.62 MPa，计算不同安装水深的管道最大应力，计算结果如表2所示。

从表2可知，在铺设过程中管道应力满足要求。该计算方法能够为后续类似项目HDPE管道铺设安装分析提供借鉴。虽然水深20和25 m管道应力满足要求，但张紧器施加的张力较大(80和100 kN)，考虑到PE管强度低，过大的张紧力容易导致管道局部发生屈曲变形。因此，提出增加托管架长度的方法来减小张紧力，并使管道应力满足要求。

根据工程经验，采用85 m长托管架进行铺设计算，计算结果如表3所示。

从表3可知，同样25 m安装水深，若采用85 m长托管架进行铺设则只需10 kN张紧力就能满足要求，25 m水深不同托管架长度管道最大应力计算结果如图4和图5所示。

图4 40 m长托管架25 m水深管道最大应力 Fig.4 Maximum stress of pipeline with 40 m long stinger at 25 m water depth

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图5 85 m长托管架25 m水深管道最大应力 Fig.5 Maximum stress of pipeline with 85 m long stinger at 25 m water depth

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综上所述可知，宜采用增加托管架长度，减小张紧器张力的方法铺设HDPE管道，这样可保证HDPE管道的施工质量和安全。

目前HDPE输水管道设计和施工尚无统一的规范标准。为此，对HDPE输水管道的配重块、热熔焊接、内熔珠环切除和海上施工等关键技术进行分析，同时针对HDPE管材的粘弹性力学特性，采用ABAQUS有限元软件对HDPE输水管道的安装过程进行模拟计算，得到如下结论。

(1)配重块可保证管道安装及在位稳定性，一般按45%～80%的空管率确定单位长度管道上的配重块质量,配重块间距为1～2 m可以限制管道变形。

(2)热熔焊接一般参照丹麦DS/INF 70标准，热熔焊接过程中产生的熔珠环会阻碍清管器通过，增加输水阻力，使管道内滋生微生物，因此应切除内熔珠环。

(3)国内主要采用专用铺管船安装HDPE输水管道，宜采用增加托管架长度，减小张紧器张力的方法进行铺设，以保证HDPE管道的施工质量和安全。