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水中鋪設塑料管道的市場和技術
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北京塑料工業協會 張玉川 |
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摘 要：本文綜述了 水中鋪設塑料管道的市場和技術。 關鍵詞： 柔韌性水中管道 ， 排放管道，水中輸送用管道，可彎曲管，聚乙烯管，浮沉法，混凝土壓重塊 。 The Market and Technology for Submarine Installation of Plastic Pipe Beijing Plastics Industry Association Zhang Yuchuan Abstract: The Market and Technology for Submarine Installation of Plastic Pipe Key words: Flexible Submarine Pipe, Outfall Pipeline, Submarine Transit Pipeline, Flexible Pipe, Polyethylene Pipe, float-and-sink method, Concrete weights 在塑料管道的發展中人們發現有一個領域特別適合采用塑料管道，這就是在水中鋪設的管道。 現代社會離不開各種管道，就好比人體不能沒有血管一樣。其中有部分管道必須通過或者進入各種水域。在江河湖海中鋪設管道顯然是比較困難和復雜的工程問題，對于采用的管道系統有特殊的嚴格的要求，在長期的實踐中人們發現在水中鋪設管道領域可以利用和發揮塑料管道獨特的性能和優勢。 1 水中鋪設塑料管道的競爭優勢 水中鋪設管道領域早期也是采用混凝土管道和鋼管道。隨著塑料管道的發展，在上世紀 50 年代起塑料管道就開始進入。經過近 50 年的發展，水中鋪設塑料管道已經在世界各地廣泛應用，顯示了非常突出的先進性和經濟性，成為塑料管道的一個重要的市場領域，一個前景廣闊的發展空間。從本文最后一節收集的部分實例中可以看到世界各大洲，從發達國家到發展中國家都已經在成功地采用此項先進技術。雖然由于我國塑料管道的發展較晚，至今水中鋪設塑料管道剛起步，可以十分肯定地預測在這個領域中國的塑料管道業必然會有極好的發展機遇。 塑料管道在水中鋪設管道領域的競爭優勢主要在兩方面： 1-1 柔韌性水中管道原理 塑料管道獨特的柔韌性使得水中鋪設的塑料管道和傳統管道有不同的設計原理 — 所謂 “柔韌性水中管道原理”。 [1] 在水中鋪設的管道承受的自然力負載主要來自波浪和水流運動，也常來自于不穩定的海底變動。由于這些外力的大小無法準確預測，若管道采用傳統的剛性管道（如混凝土、鑄鐵或鋼），由于剛性管道在爆裂或泄漏前只能承受很小的變形或應變，因此在結構設計時必須保證管道十分穩定，這就要求用很大的安全系數，在鋪設時要求加重壓載或者要求深埋在海底沉積物中。其結果必然是工程費用很高，常常造成不可能或者不值得在水中鋪設。 通過多年的研究和實踐，已經證明了所謂‘柔韌性水中管道原理'。即在水中鋪設管道工程中采用在非常外力出現（包括海底地形變動）時有可能適度活動和變形的管道（ possible movability of the pipeline ），就可以不必用高安全系數；有可能直接鋪在海底上（常常無需挖溝填埋，隨著水底地形變動），還可以只用較輕的壓載[1] 。 水中鋪設塑料管道的材料主要是聚烯烴（高密度聚乙烯 HDPE ，中密度聚乙烯 MDPE 和聚丙烯 PP ）。聚烯烴材料很高的應變能力，結合其應力松弛能力 (stress relaxation ability) ，為水中管道的新型設計原理創造了條件。在 Lars-Eric Janson 著‘供水和排污塑料管道' Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal 一書中有兩個研究實例：一個實例是數字模擬一條Φ 1,600 mm HDPE PN 4 管道對超過設計波浪負載的反應。在超過設計一倍的波浪負載下管道的某一部分在波浪到達 8 秒后往一邊偏移超過 1m ，但是在 20 秒后幾乎回到原來的位置，可以保證偏移量處在許可范圍內。另外一個實例是調查澳大利亞 Latrobe 一條 1990 年直接鋪設在當時海底的水中管道。發現海底有劇烈的沙石沖刷不穩定，每年變化約± 2 米。但是塑料管道仍然一直在成功地運行。 1-2 鋪設方便和經濟 水中鋪設的環境條件非常惡劣，特別是在海洋中的鋪設。實踐證明利用塑料管道特性可使管道鋪設更加方便經濟，可以在采用傳統管道根本無法施工或者經濟上無法承受的條件和場合進行水中鋪設。例如：因為可以較快完成鋪設容易避開風暴，只要很少的水下工程和潛水作業顯著降低工程費用。 綜合地利用了塑料管道的如下特性：重量輕、漂浮性、可熔接、可以制成無接頭的長管段（包括已經熔接成一體的長管）；耐腐蝕 ….. 等，通過長期研究和實踐現在已經形成了水中鋪設塑料管道的完整和成熟的技術體系。例如下文介紹的 在國際上被廣泛采用的‘浮沉法 float-and-sink method '就是充分發揮了塑料管道獨特的優點。 國際上水下鋪設管道領域也是各種管道激烈競爭的市場。塑料管道能夠在很多工程的競標中勝出就是因為有突出的競爭優勢。在水下鋪設的排放管道領域，已經有許多實例證明，采用柔韌性海洋排放管道的成本僅是傳統鋼或混凝土制造排放管道造價的一半[1]。例如被稱為 歐洲歷史上至今最大的排海工程 - 法國 Montpellier 排海工程 ，在 2001 年招標時有超過 20 家企業參加競標，這些競標單位采用的管道有鋼管、混凝土管、玻璃鋼管和聚乙烯管四種。 2002 年 9 月用戶決定采用聚乙烯管道，認為是最佳的競標方案。理由是：該方案最可靠和最安全、鋪設時間最短可以減小對該地生活的干擾、管道完全不會腐蝕確保了長期使用壽命和維護運行成本低。到 2004 年 1 月工程在規定時間和規定預算內竣工，客戶非常滿意[5] 。 由于國內在此領域應用塑料管道總體上還處在剛起步階段，這個領域的用戶大多也還不太知道采用塑料管道能夠帶來的經濟效益和社會效益。為了幫助我國塑料管道業開拓這個新市場領域，北京塑料工業協會正在通過調查研究，收集、翻譯和編寫了有關水中鋪設塑料管道的市場信息和技術資料。希望能夠為推動塑料管道在水中鋪設的應用做一些貢獻。 2 水中鋪設塑料管道的市場 根據國際經驗水中鋪設塑料管道主要有三大市場： 排放管道和取水管道用塑料管道 排放管道 是‘排海工程'用的管道，‘排海工程'是指把污水經過適當處理后用管道排到離岸有一定距離，在水下一定深度的海洋水流中去，依靠海洋自然的凈化能力（ Nature's own purification capability ），所謂‘海洋處理'（ marine treatment ），避免污染海洋的環境保護工程。排海工程是一個巨大的市場，塑料排放管道在國際上應用非常普遍。 取水管道 是和排放管道類似的另一種水中管道。也是從岸邊伸向江河湖海的管道，但是不是用于排水而是用于取水。管道通常也鋪設在水底，取水口離岸邊有幾十到幾百米距離，在水面下幾米到幾十米處。取水管道的用途是從水域抽取淡水或海水。國際經驗也證明取水管道很適合采用塑料管道。 水中輸送用塑料管道 輸送水或者天然氣的管道（有壓管道）常常需要穿過江河湖海各種水域。傳統的管道在穿越水域時通常需要投資巨大，施工費時的工程。采用塑料管道就可能通過水中鋪設方法把管道直接鋪設在水底海床（或河床）上（或者水底溝槽內）。水中鋪設輸送塑料管道的設計與施工和水中鋪設排海工程管道類似。 海上油氣開采用有特殊要求的塑料管道 海上開采石油和天然氣大量需要柔韌可曲撓、耐腐蝕、耐外壓又耐內壓的管道。在海上油氣開采業這種管道被稱為‘可彎曲管 Flexible Pipe '。通常采用多層復合管，由熱塑性塑料層、纖維或鋼絲增強耐內壓層、鋼帶纏繞增強耐外壓層等組成。 水中鋪設塑料管道的三大市場都有巨大的需求和廣闊的前景。因為我國過去沒有應用水中鋪設塑料管道的經驗，塑料管道業普遍對于這三大市場缺乏了解。為了開拓這些新領域，我們首先應該調查研究水中鋪設塑料管道三大市場的特殊需求和相關的專用技術，特別是要注意學習國際上的先進經驗。 此外，水中鋪設塑料管道還有其他一些市場，如： 疏浚工程用管道 —— HDPE 管道柔韌，耐腐蝕又耐磨損是疏浚工程的首選管道。通常使用熔接到工地中容易運作的長管段，管段之間用法蘭或快接管件機械連接（可以根據作業需要隨時增加或去掉一些管段），管道可以漂浮在水面上用拖船控制位置。 臨時性的漂浮管道—— 穿過河或湖面的臨時性管道。為了在受到水流、風和波浪作用時保持在指定位置通常使用纜索定位。纜索通過不會沿著管材軸線滑移和損傷管道材料的固定圈控制住管道。 在沼澤地里鋪設管道—— 在沼澤地、濕地、灘涂鋪設管道是很困難的。因為不能提供牢固和穩定的地基，不宜應用對應變敏感的傳統管道。利用塑料管道的特性可以在在這種高度不穩定的環境下建成低成本和穩定的管道系統。因為土壤中的高水位可能產生很大的浮力，這種管道的設計施工與水中鋪設管道類似。 水中通氣系統—— 頂端帶有小鉆孔的較小直徑水下 HDPE 管道已被用于碼頭防凍。壓縮空氣從這些管中冒出，所產生的氣泡帶動溫度較高的水往上走融化水面的冰。當這系統工作時，水下管道中充滿空氣，應有足夠的配重塊來防止管道浮起來[1]。 3 排放管道和取水管道用塑料管道 全世界的人口大部分都居住在沿海地區，過去習慣于把污水不加處理直接排入海中。隨著社會的進步和發展，污水對于海洋的污染日益顯著，特別是對于 港口、河口、半封閉海灣，以及大中城市毗臨的 近岸水域的 污染可能達到十分嚴重的程度，直接危害漁業、養殖業、旅游業和附近居民的健康和安全。 我國擁有 18,000 多公里的海岸線， 4 億多人口生活在沿海地區；沿海地區跨躍十一個省、市、自治區，是目前國內經濟最發達的地區，沿海工農業總產值占全國總產值的 60% 左右。由于沿海地區城市工業密集、人口集中，未經處理的污水帶來的環境問題日益嚴重。據統計，目前沿海地區城市排放污水量差不多為全國日排放污水量的 1/5 。這些污水絕大部分未經處理直接排入大海，而且多為岸邊、無組織的亂排，致使近岸海域環境受到污染普遍嚴重，并存在富營養化導致的赤潮危害（ 1998 ～ 2000 年連續三年，在渤海、東海發生了面積達到幾千平方公里的特大赤潮）。沿海城市污水的出路問題已成為沿海城市經濟發展的重要制約因素[8] 。 發達國家通常以污水集中處理作為控制污染的主要手段，大量建設二級（以至三級）污水處理廠。這種措施確實有效，但是建設二級污水處理廠需要巨額的基建投資和高昂的運行管理費用（高能耗）。因此近年越來越多近海地區采取污水一級處理和排海工程結合的辦法。實踐證明這種方法可以達到保證環境的要求而大量節約投資和運行費用（ 1/3 ～ 1/2 ），而且減少占地[8]。 例如：美國西海岸排海工程到 1985 年就達到 250 處，美國排海工程排放的污水大部分經過一級處理，少部分經二級處理，排放口處水深大多為 20 ～ 40m ，最深達 120m ；英國至今已有近百個污水海洋處置工程；加拿大不列顛哥倫比亞省，一省的濱海岸就有 20 多個污水海洋處置工程。 對于采取污水一級處理和排海工程結合的辦法是否可以保證不污染環境，對于海洋的自然消納和自凈能力，國際上進行了大量的長期的研究和考察，已經取得了一致的肯定。因此，在《中國海洋 21 世紀議程》提出“合理利用海洋自凈能力。深水管道排污可以減少污水治理費用，利用海洋自凈能力凈化污水。沿海城市應逐步推廣污水深水管道排海工程。” 在《 中華人民共和國海洋環境保護法 》 中明確提出“ 在有條件的地區，應當將排污口深海設置，實行離岸排放。” 國內從“六五”期間開始研究污水海洋、江河處置，目前，上海、深圳、海南、寧波、杭州、大連、青島、煙臺、武漢、天津、威海和嘉興等地已規劃或實施了海洋（江河）處置工程，我國的臺灣和香港地區亦建有污水排海工程。 排海工程中的主體是由岸邊一級污水處理場伸向海洋的排放管道（ outfall pipeline ）。排放管道直徑較大，塑料排放管道直徑通常在 500-2000 毫米。排放管通常鋪設在海底，伸到離開海岸幾百到幾千米處（有的工程超過 10 公里），排放口通常裝有各種擴散器，位置在水下幾十米處（可能達到幾百米）。因為排出口是暢開的，污水是重力流，排海工程的排放管通常屬于低壓管道。 根據國際經驗這種水中鋪設的管道最適合采用塑料管道 - 高密度聚乙烯實壁管。（ KWH 公司有采用聚丙烯 PP 實壁管和高密度聚乙烯 HDPE 結構壁管做排放管道的成功實績。） HDPE 實壁管在該領域具有明顯的競爭優勢是因為具有獨特的性能 - 耐腐蝕、柔韌、自浮和因為非常方便鋪設 -- 可以制造成幾百米一根的長管，又可以熔接。 國際上已經有很多成功利用塑料管道做排海工程的實例。最近一個著名的實例是前文提到的 法國蒙彼利埃市 Montpellier 排海工程[5]：蒙彼利埃市是法國南部地中海邊的文化和旅游名城， 2000 年起擴建其污水處理廠，其中排海工程是建設一條直徑 1600 毫米， 陸上 9 公里海中 11 公里的 排放管道。參加競爭的有鋼管，混凝土管，玻璃鋼管和 PE 管。最后是 Pipelife 公司的 PE 管在 2002 年 9 月中標。采用的管材是直徑 1600 毫米， SDR26 （ PN6.3 ）的 PE100 管。管材在由 Pipelife 公司在挪威的工廠生產，材料用的北歐化工的 Borstar? HE3490-LS 。 每根擠出管材 550 米長，總共 20 根，在海面上分 4 批經過北海，大西洋，拖運到地中海邊的工地。 PE 管采用管端對接焊，然后用專門設計的玻璃鋼連接件把管道連接起來。在 PE 管外套上既起壓重作用又起保護作用的混凝土管段以后，逐步鋪入在海底開挖的 2 米深管溝。管道最末端的排放擴散口在水深 30 米處。管道上再鋪上混凝土保護板。全部工程在 2004 年 1 月完成。 排海工程用塑料管道大部分 直接鋪設在海底上而不用開挖溝槽埋在海底沉積物里，通常只需要在陸地和水域的過渡區鋪設在溝槽中。把近岸的一段塑料管道鋪設在溝槽中是為了保護管道免受波濤、潮汐、漂浮的冰塊及過往船只破壞。經驗表明即使海底有時會因劇烈的沙石沖刷而不穩定，柔韌性的塑料管道也不會有任何的危險。
可惜由于國內對于塑料管道的推廣工作還有差距，至今沒有見到國內排海工程成功采用塑料管道的報告。 和排海工程用排放管類似的另一種管道是取水管道（ intake pipeline ）。這也是從岸邊伸向江河湖海的管道，但是不是用于排水而是用于取水。管道通常也鋪設在水底，取水口通常離開岸邊有幾十到幾千米距離，在水面下幾米到幾百米處。取水管道的用途是從水域抽取淡水或海水。國際經驗也證明取水管道很適合采用塑料管道。取水管道總是在負壓下工作通常采用聚烯烴實壁管。 近年水工業有一個非常值得注意的技術進步是 海水淡化。隨著反滲透膜技術等新技術的發展已經使得海水淡化的成本大大降低，目前成本已經接近使用地下水或井水的成本。采用海水淡化來解決水資源缺乏。現在已經不再是少數海灣地區富國不得已的選擇，全世界很多國家認識到海水淡化已經是經濟性合理的產業，開始大量投資建設海水淡化工程 [7] 。我國大規模的海水淡化工程也已經起步，預計將對我國很多嚴重缺乏淡水的沿海地區發揮十分重大的作用。海水淡化產業的發展需要大口徑的塑料管材抽提和排放海水，這將為塑料管材特別是 HDPE 管材的發展提供了重要的契機。 4 水下輸送 - 水中鋪設的有壓塑料管道 在水中鋪設輸水的塑料管道同樣是利用和發揮了塑料管道耐腐蝕、柔韌、可以制成連續長管、可以熔接和重量輕能自浮等獨特的優點。輸水管道（ transit pipeline ）是有壓力的管道，通常采用的是高密度聚乙烯 HDPE 實壁管，也有采用復合增強的 HDPE 管。水中鋪設輸水的塑料管道 直徑通常在 250-1000 毫米，有的直接鋪設在水底，有的埋設在水底開挖的溝槽中，也有的設計把 輸水管道鋪設在離水面和水底都有一定距離的水體中 。 世界各地已經有許多成功應用水中鋪設有壓塑料管道的實例。其中向海島輸水是最常見的典型工程。因為世界各地有很多有居民的海島缺乏淡水供應，過去是依靠從大陸用船舶送水，近年越來越多采用鋪設在水底的管道供水。實踐證明采用塑料管道是經濟和可靠的方法。例如：日本有大約 6900 個島嶼，其中大約 330 個有人居住。這些島嶼的供水非常困難，到 1998 年已經有 146 個島嶼通過水下鋪設的供水管從本土供水 [6] 。 我國 海岸線 1.8 萬多千米，內海和邊海的水域面積約 470 多萬平方千米。海域分布有大小島嶼 7600 個，其中許多 有居民的海島缺乏淡水供應。例如 我國島嶼最多的浙江省有面積 500 平方米以上島嶼 3061 個，不少缺水的島嶼需要從島外運水。 2003 年氣候偏旱， 舟山全市 98 個住人島嶼中，有 74 個島嶼供水告急。近年沿海各地為了發展海洋經濟，紛紛把解決島嶼供水問題列入基礎建設規劃，其中不少計劃鋪設跨海輸水管道。例如： 廣東省內最大的島嶼南澳縣是典型的‘苦旱縣'，長期以來靠船只運水。為了解決 8 萬居民和駐軍的飲用水困難，已經制定了修筑一條長 8 公里日供水量 8 萬噸的跨海引水輸水工程。又如： 福建省莆田 正在籌備平海灣跨海供水應急工程 ， 解決南日島和平海半島的飲水安全問題，計劃中的跨海管道長 9.41 km 管徑為 500-800mm 。大量類似的信息可以從互聯網上查到，說明我國 在水中鋪設輸水的塑料管道有非常大的市場機遇。 我國實際應用在水中鋪設輸水的塑料管道還剛起步，目前只有不多的應用實例。例如：臨海市偉星新型建材有限公司于 2003 年 9 月率先在舟山市岱山縣長涂鎮的跨海輸水工程中試用了水中鋪設的 HDPE 管道。該管道從大長涂島至小長涂島，跨海 2100 米，水深 20 米，直徑 DN250mm ，壓力等級 PN10 ，材質為 PE80 。工程運行至今已有兩年時間，運行狀態良好，充分顯示了塑料管道的優越性。長涂鎮過去跨海輸水曾經采用防腐鋼管，施工難，抗腐差，一般一年左右即會腐蝕穿孔，七年來更換了十根管。此外，偉星公司先后在舟山地區、三門縣等眾多海島區域承接跨海工程十余個。又如： 浙江楓葉集團 2001 年 7 月 完成了諸暨至店口給水管道的水下過江工程。穿越的浦陽江寬 300 米，水深 3-6 米。工程全線采用 DN 630 、 SDR26 聚乙烯管道。管道在河岸上焊接，試壓合格后安裝鋼筋混凝土壓重塊，整體下水后沉入江底預先開挖的溝槽內再回填。此外江蘇星河集團等企業也先后完成過水中鋪設 輸水管道的工程。 因為在水中鋪設塑料管道的技術已經成熟，有些地區發現把原來計劃沿岸繞行鋪設的陸上埋設管道改為穿越水域的水中管道可以節約投資和加快施工。我國很多城市有江河穿越或有湖泊相間，在掌握了水中鋪設塑料管道的技術就可以明顯的完善管網的布置。 5 海上油氣開采用有特殊要求的塑料管道 在水中鋪設和應用塑料管道的另一個領域是海上開采石油和天然氣業大量應用的管道。在海上油氣開采業這種管道被稱為‘可彎曲管 Flexible Pipe '。對撓性管有多方面的要求：可以彎曲的連續長管、耐內壓、耐外壓、耐腐蝕 ….. 等，通常采用多層復合管，由熱塑性塑料層、纖維或鋼絲增強耐內壓層、鋼帶纏繞增強耐外壓層等組成。
可彎曲管的主要用途是： 上升管 riser- - 連接海底的采油井到浮在海面上的采油平臺或采油船 。 跨越管 jumper -- 連接采油平臺和采油船 水底管 flowlines -- 在水底鋪設的連接管道 因為這些管道是鋪設在有波浪，潮汛和洋流的海洋中，所以必須是可以彎曲的連續長管。又因為管道內要壓力輸送石油所以必須耐內壓，管道外受到海水的外壓力（尤其在深海應用時外壓很大）所以必須耐外壓，管道內輸送的石油和管道外的海水都有腐蝕性所以必須耐腐蝕。顯然，在這個領域不可能采用剛性的金屬管，也不可能采用普通的塑料管道。只有多層復合的特殊‘可彎曲管'才能滿足多方面的嚴格要求。
下圖是深海用可彎曲管的一個典型結構： 這是一個 8 層復合管道， 8 層的名稱、材料和功能是：
淺海用可彎曲管結構就可以比較簡單，三層或者四層結構。 海上油氣開采業用的可彎曲管通常做成長度很長的管道，在兩端做好連接用的管件。鋪設時利用船舶把撓性管鋪放到位后連接。 我國已探明的石油和天然氣資源較少（僅為世界可開采量的 1.42% 和 1.4% ）。專家分析我國陸上含油氣盆地中主力油田大部分已有 30 多年的開采歷史，多數油田原油采出程度高達 70 ％，進一步擴大產量的空間十分有限。資源的未來出路將會更多地依賴于海洋。海洋蘊藏了全球超過 70 ％的油氣資源，全球海洋石油探明儲量已 380 億噸，目前已有 100 多個國家在進行海上石油勘探和開采，我國在渤海、東海和南海的石油和天然氣勘探和開采已經開始，有報道說 今后五年中國將投資 1200 億用于海洋石油開發，海洋油氣 不久將成為我國能源的重要的基地。但是至今海上油氣開采業應用的裝備大部分依靠進口，國內塑料管道業還沒有進入這個前景廣闊的大市場。 （說明：由于海上開采石油和天然氣業應用的‘可彎曲管 Flexible Pipe '比較特殊和復雜，其設計、制造、連接和鋪設技術沒有包括在下文的介紹內。） 6 水中鋪設塑料管道的方法 這里簡單介紹 排放管道，取水管道 （無壓塑料管道）和輸送管道（有壓塑料管道）水中鋪設塑料管道的方法。 水中鋪設塑料管道方法的基本原則是盡量避免水底作業和盡量減少水下的工程。 6-1 漂浮 - 下沉法 最通常使用的是 HDPE 實壁管的漂浮 - 下沉法。 眾所周知，高密度聚乙烯 HDPE 的比重小于 1 ，在管道充滿水后仍然有浮力。所以水中鋪設塑料管道必須加上壓重才能使其能夠穩定地座在要求的水底位置上。（通常采用的壓重方法是在管道上隔一定間距固定上混凝土壓重塊。）通過大量實踐證明：通常在的離岸近的海洋條件下，壓重一般不需要超過管道排水量的 65% ，大多數情況下相當排水量 25 到 50% 的壓重就足夠了。所以管道在充滿空氣時即使已經加上壓重塊也可以浮在水面上。因此充滿空氣的塑料管道可以帶著壓重塊先利用水面上漂送到鋪設位置，然后通過灌水沉到水底位置。這樣就可以盡量避免水底作業。該方法的施工過程是（后文有解釋）： ●利用 HDPE 管道可以熔接的特長在岸邊把運來的管段對接熔焊成幾百米長的連續長管段，逐步下水漂浮在水上，或者把管材擠出生產線安置在岸邊，直接制成幾百米長的連續長管段逐步下水漂浮在水上； ●壓重塊可以在岸上就安裝到管道上，然后和管道一起下水；也可以在水面上利用駁船把壓重塊固定到管道上； ●把固定好壓重塊的連續長管段拖引到計劃鋪設的位置； ●把各段長管連接到工程需要的長度； ●通過從岸端灌水使管道逐步沉到水底要求的位置；利用塑料管道的柔韌性，讓管道隨著水底的地形起伏躺在水底上（為了減少輕水流作用力，通常利用壓重塊使管道和水底間有一定間距離）。通常大部分塑料管道就直接暴露在水中，只在近岸處將部分管道埋在水底的管溝內。 6-2 水底拖拉法（ bottom-pull ） 當水上交通阻止采用用浮 - 沉鋪設法時（如在穿越河流的工程中），可以采用下圖所示的‘水底拖拉'法。當采用這種方法時，先把塑料管道在岸上連接成連續長管，加裝上足夠保證管道始終沉在水底的壓重，然后用卷揚機把管道拖過河。通過適當設計的壓重和固定在管道前端的特殊拖拉頭 — ‘滑橇'確保管道在拖過河時能隨著河底的斷面輪廓順暢滑動[3] 。
7 水中鋪設塑料管道的制造 水中鋪設塑料管道通常盡量制造成長度很長的連續長管，以求盡量減少連接接頭。根據國際經驗 HDPE 實壁管是不難制造長達幾百米的連續長管，例如前面介紹到的法國蒙彼利埃市排海工程采用的直徑 1600mm 的連續長管每根長度 550 米。 制造連續長管通常的方法是把擠出機安裝在水域邊，面向水面擠出的管材通過牽引機后就飄浮在水面上。
PIPELIFE 公司介紹可以制造 HDPE 連續長管的長度可達到 1000m ，直徑 2000mm 。下圖是 Pipelife Norge AS 建在挪威 Stathelle 海邊的工廠，擠出的 連續長 管直接引到水面上。 如果不能制造連續長管就只能先制成管材段再對接熔焊連接成連續長管。 直徑較小的管道可以制造成盤卷的連續長管。例如日本 MESCO,INC 公司制造的水下的供水管（ WNG 管）是一種復合增強管道，在工廠內制造成盤卷的連續長管。因為盤卷的直徑很大是用專門的駁船運輸到鋪設地點的 [6] 。海上油氣開采業采用的撓性管通常也是制造成盤卷的連續長管，用專門的施工船運輸到鋪設地點的。
8 水中鋪設塑料管道的鋪設施工 8-1 連接
水中鋪設通常采用的 HDPE 實壁管可以采用對接熔焊方法連接。對接熔焊的設備和工藝都和普通 HDPE 壓力管用的一樣。但是有些連接處是不可能采用對接熔焊，例如：需要在水底下和已經沉降到位的擴散器連接，這些連接處可以采用機械壓緊方式的連接。例如采用法蘭連接：在 HDPE 管端先對接熔焊上一個‘根形管端'，活套上一個金屬的或玻璃鋼的法蘭背盤，就可以和有同樣法蘭端頭的其他管道、管件或結構連接。 8-2 漂浮 水中鋪設的 HDPE 實壁管常常采用漂浮的方法運輸到鋪設位置或者暫時存儲在水面上。因為 HDPE 的比重小于 1 ，兩端密閉的 HDPE 管空管有很大的浮力，同時又非常柔韌不怕波浪的沖擊，所以可以在波濤洶涌的大海上漂浮運輸。例如前面介紹到的法國蒙彼利埃市排海工程所采用的 20 根直徑 1600mm 長度 550m 的連續長管就是在挪威的工廠生產，在海面上分 4 批經過北海，大西洋，拖運到地中海邊的工地。
國際上已經有不少類似的長途海上拖運經驗（包括跨過大西洋從歐洲拖到美洲的巴西）。通常大直徑 HDPE 管道（ 1,200 - 1,600 mm ）以 4 到 6 根為一組（管長 500m 左右），拖速一般是 6-8 哩／小時。由于 PE 管道的高柔韌性和高應變能力，出現破壞的情況很少（主要是管道外表層刮傷）。 8-3 安裝壓重
水中鋪設通常采用的 HDPE 實壁管就依靠壓重塊穩定在水底。壓重塊通常是預制的鋼筋混凝土塊，由上下兩件組成，以一定的間隔用螺拴夾緊固定在管道上。在壓重塊和管道之間要加既有彈性又有摩擦力的保護墊層防止壓重塊損傷管道。 安裝壓重塊的工作有的在岸上進行，也有的是在水面上進行。 在岸上安裝壓重塊是在管道已經連接好準備下水前進行。當管道下水時已經安裝好壓重塊，所以常常需要設置滑道讓附帶有壓重塊的管道能夠順利的滑入水中。
在水面上安裝壓重塊是把沒有安裝壓重塊的管道下水，飄浮在水面上，然后用施工駁船上的吊車把管道的一部分吊上駁船，安裝好壓重塊后再吊回到水中去。為了避免管道過度的彎曲，施工的駁船要有離水很近的施工甲板。 8-4 沉降 管道沉降前需把管道準確地定位到要求位置的上方。 沉降過程是漂浮 - 下沉法中最關鍵的工序，必須周密計劃和嚴格控制。要求管道的沉降從近岸端逐步向外進展，讓管道能夠順著水下地形躺到水底，避免發生‘架橋'。同時保證管道沉降時的彎曲半徑始終不小于限制值，避免因為過度彎曲造成管壁中應變過大或壓屈失穩。 為了使沉降過程從近岸端逐步向外進展，要在從近岸端灌水前先把漂浮的管道近岸一小段吊出水面抬高，使灌溉入的水先充滿近岸一段管道，形成一個‘水袋'。這段管道充滿水下沉后隨著水的灌入，再逐步把前方的管道充滿下沉。同時，管道的最外端要用盲板密閉，在盲板上裝備上閥門，用閥門控制管道內空氣的排出速度。 為了避免管道過度彎曲，要隨時監控和調節空管部分內的氣壓，必要時可以通入壓縮空氣使管道沉降過程逆轉。在沉降過程中還要在管道最外端施加合適的拖力來減小發生壓屈失穩的危險。
8-5 擴散器和取水口裝置
排放管道在水中的排出端需要安置擴散器。擴散器的用途是使排放的污水能均勻又迅速地被海洋中的水流分散和稀釋。最簡單的擴散器是一段鉆孔的管道，為了防止堵塞，孔徑不能小于5cm 。為了防止磨損，孔口處的排放速度不超過 4-6 m/s[2]。有些場合需要比較復雜的擴散器，例如帶有垂直立管的 擴散器，通常用 HDPE 管道焊接而成。這種擴散器可以埋入水底 僅把立管露出來，適用于有嚴重淤積活動的地方[3] 。取水管道在水中的進水端需要安置取水口裝置，如擋魚網、冰屑檔板等。 有的擴散器和取水口裝置可以和管道連接好一起用漂浮 - 下沉法鋪設（必要時可以在這些部分加上臨時的浮桶增加浮力），有的因為過于笨重，需要分開下沉鋪設，然后在水下由潛水員用法蘭組件連接。 8-6 填埋，覆蓋和錨固 前面已經介紹很多水中鋪設的塑料管道利用‘柔韌性水中管道原理' 直接鋪在海底上只用較輕的壓載，這樣最經濟。但是在有些場合需要把水中鋪設的塑料管道埋在水底開挖的溝槽中，然后回填覆蓋，有的還需要增加壓塊重量或者加上混凝土保護蓋板。例如在波浪很大的海域；在有猛烈波浪和浮冰沖擊的靠近海岸處；在繁忙的航行或捕魚作業區等。 在水底開挖溝槽和回填覆蓋有一些特殊的技術問題要注意[4]。 9 水中鋪設塑料管道的設計計算 這里很簡單地介紹水中鋪設塑料管道的設計計算。（詳細的資料可以查看美國塑料管道協會 PPI ，美國石油組織 API 和 KWH ， PIPELIFE 等企業發表的有關文獻和規范）。 水中鋪設塑料管道的設計計算是比較復雜和特殊的。主要原因是水下的環境條件復雜和特殊，例如水流的作用力，波浪的作用力。此外水中管道在鋪設過程中承受的負載和鋪設后承受的負載是不同的，例如在采用漂浮 - 下沉法鋪設時管道可能要承受較大的彎曲度，因此還需要專門進行沉降過程的設計計算。國際上通過近 50 年的研究和實踐，目前水中鋪設塑料管道的設計計算已經形成一套完全體系。我們可以充分利用這些經過實踐驗證的成熟經驗。 水中鋪設塑料管道的設計計算包括： 水力的設計計算 — 根據工程要求的流量等條件確定需要的管道通徑等；設計計算的方法和通常的 HDPE 管道是類似的。 管道結構的設計計算 — 根據負載確定管道的應力和應變，結合使用條件選擇管道的材料等級和 SDR 值（壁厚）的基本設計原則是和通常 HDPE 管道一致的。復雜和困難的是如何確定各種負載的性質和度量。 這些負載包括內壓、外壓（水和土壤）、水錘、溫度變化、彎曲、水流作用力、波浪作用力、 管道背座在巖石或石塊時的集中負載和懸空管道的重量等。這些負載分別在管道壁中形成軸向和徑向的拉伸應力和壓縮應力，由此合成的應力必須小于材料允許的設計應力。 PE 材料有蠕變和松弛的特性，由于負載形成的應力和應變是時間的函數，因此，必須核對短期和長期兩種情形[4] 。 要注意水下管道除了可能承受內壓負載外常常承受到較大的外壓負載。所以基于最大 合成應力 選用的 SDR 后還需要驗算抵抗外壓下發生壓屈失穩或管材壓塌。 壓重塊的設計計算 — 壓重塊的設計是要保證管道在水底的穩定性，包括 垂直方向的力平衡和水平方向的力平衡。垂直方向的力平衡是重力與浮力及升力的平衡，水平方向的力平衡是拖力和摩擦力的平衡。 設計計算的主要內容是重力、浮力、升力、拖力的確定。升力和拖力是由水流和波浪作用力產生的，所以先根據水流和波浪的資料計算出水流和波浪作用力。 根據計算和經驗， 壓重一般不需要超過管道排水量的 65% ，大多數情況下相當排水量 25 到 50% 的壓重就足夠[1] 。 沉降過程的設計計算 -- 和在陸地上鋪設管道明顯不同，水中管道在鋪設過程中承受的負載和鋪設后承受的負載是不同的。在管道沉降過程中如果控制不當可能因為彎曲過度發生破壞（壓屈失穩）。因此對于控制沉降過程中力平衡的參數：氣壓（管道充氣部分）、拖力、沉降速度都要事前計算和設計好 [4] 。一般推薦沉降速度約為 500 米 / 小時[1] 。 10 水中鋪設塑料管道的應用實例 水中鋪設塑料管道在全球已經有很多成功的實例，這里收集了一部分列舉一表： （其中沒有注明企業的都是 Pipelife 公司的）
參考文獻： 1、PPI 手冊 - 聚乙烯管道系統 - 水中鋪設 PPI HANDBOOK OF POLYETHYLENE PIPING-MARINE INSTALLATIONS 2、Lars-Eric Janson 著 ‘ 供水和排污塑料管道 ' Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal 第 4 版 3、高密度聚乙烯管 SLCAREPIPE 的水中管道鋪設 hign density polyethylene pipe Sclairpipe? Marine Pipeline Installation （ KWH PIPE 資料） 4、聚乙烯管道水下鋪設技術匯總 Technical Catalogue for Submarine Installations of Polyethylene Pipes （ Pipelife 資料） 5、歐洲至今最大的 PE 管道工程 ； Montpellier 的排海工程 Europe's largest-ever PE pipe project - The Montpellier Sea Outfall ；第 12 屆國際塑料管道會議論文集（引自北京塑料工業協會 - 國際塑料管道最新技術匯編）。 6、聚乙烯給水管在日本進展和現狀 ；作者是 MESCO,INC 的 Hisachika Honda ；第 10 屆國際塑料管道會議（ 1998 年，瑞典）上 論文集。 7、2003 年歐洲塑料管道應用情； 作者是 BP-Solvay 的 Michel Raynaud ； 第 12 屆國際塑料管道會議論文集（引自北京塑料工業協會 - 國際塑料管道最新技術匯編 8、污水海洋處置的討論 ； 作者 何耘、劉成、韋鶴平；海峽兩岸水資源及環境保護上海論壇論文集；陜西人民出版社； 2002 。 |
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