北京塑料工业协会 张玉川

　　摘　要：本文综述了 水中铺设塑料管道的市场和技术。

　　关键词： 柔韧性水中管道 ， 排放管道，水中输送用管道，可弯曲管，聚乙烯管，浮沉法，混凝土压重块 。

　　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

　　在塑料管道的发展中人们发现有一个领域特别适合采用塑料管道，这就是在水中铺设的管道。

　　现代社会离不开各种管道，就好比人体不能没有血管一样。其中有部分管道必须通过或者进入各种水域。在江河湖海中铺设管道显然是比较困难和复杂的工程问题，对于采用的管道系统有特殊的严格的要求，在长期的实践中人们发现在水中铺设管道领域可以利用和发挥塑料管道独特的性能和优势。

　　1 水中铺设塑料管道的竞争优势

　　水中铺设管道领域早期也是采用混凝土管道和钢管道。随着塑料管道的发展，在上世纪 50 年代起塑料管道就开始进入。经过近 50 年的发展，水中铺设塑料管道已经在世界各地广泛应用，显示了非常突出的先进性和经济性，成为塑料管道的一个重要的市场领域，一个前景广阔的发展空间。从本文最后一节收集的部分实例中可以看到世界各大洲，从发达国家到发展中国家都已经在成功地采用此项先进技术。虽然由于我国塑料管道的发展较晚，至今水中铺设塑料管道刚起步，可以十分肯定地预测在这个领域中国的塑料管道业必然会有极好的发展机遇。

　　塑料管道在水中铺设管道领域的竞争优势主要在两方面：

　　1-1 柔韧性水中管道原理

　　塑料管道独特的柔韧性使得水中铺设的塑料管道和传统管道有不同的设计原理 — 所谓 “柔韧性水中管道原理”。 [1]

　　在水中铺设的管道承受的自然力负载主要来自波浪和水流运动，也常来自于不稳定的海底变动。由于这些外力的大小无法准确预测，若管道采用传统的刚性管道（如混凝土、铸铁或钢），由于刚性管道在爆裂或泄漏前只能承受很小的变形或应变，因此在结构设计时必须保证管道十分稳定，这就要求用很大的安全系数，在铺设时要求加重压载或者要求深埋在海底沉积物中。其结果必然是工程费用很高，常常造成不可能或者不值得在水中铺设。

　　通过多年的研究和实践，已经证明了所谓‘柔韧性水中管道原理'。即在水中铺设管道工程中采用在非常外力出现（包括海底地形变动）时有可能适度活动和变形的管道（ possible movability of the pipeline ），就可以不必用高安全系数；有可能直接铺在海底上（常常无需挖沟填埋，随着水底地形变动），还可以只用较轻的压载^[1] 。

　　水中铺设塑料管道的材料主要是聚烯烃（高密度聚乙烯 HDPE ，中密度聚乙烯 MDPE 和聚丙烯 PP ）。聚烯烃材料很高的应变能力，结合其应力松弛能力 (stress relaxation ability) ，为水中管道的新型设计原理创造了条件。在 Lars-Eric Janson 著‘供水和排污塑料管道' Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal 一书中有两个研究实例：一个实例是数字模拟一条Φ 1,600 mm HDPE PN 4 管道对超过设计波浪负载的反应。在超过设计一倍的波浪负载下管道的某一部分在波浪到达 8 秒后往一边偏移超过 1m ，但是在 20 秒后几乎回到原来的位置，可以保证偏移量处在许可范围内。另外一个实例是调查澳大利亚 Latrobe 一条 1990 年直接铺设在当时海底的水中管道。发现海底有剧烈的沙石冲刷不稳定，每年变化约± 2 米。但是塑料管道仍然一直在成功地运行。

　　1-2 铺设方便和经济

　　水中铺设的环境条件非常恶劣，特别是在海洋中的铺设。实践证明利用塑料管道特性可使管道铺设更加方便经济，可以在采用传统管道根本无法施工或者经济上无法承受的条件和场合进行水中铺设。例如：因为可以较快完成铺设容易避开风暴，只要很少的水下工程和潜水作业显著降低工程费用。

　　综合地利用了塑料管道的如下特性：重量轻、漂浮性、可熔接、可以制成无接头的长管段（包括已经熔接成一体的长管）；耐腐蚀 ….. 等，通过长期研究和实践现在已经形成了水中铺设塑料管道的完整和成熟的技术体系。例如下文介绍的 在国际上被广泛采用的‘浮沉法 float-and-sink method '就是充分发挥了塑料管道独特的优点。

　　国际上水下铺设管道领域也是各种管道激烈竞争的市场。塑料管道能够在很多工程的竞标中胜出就是因为有突出的竞争优势。在水下铺设的排放管道领域，已经有许多实例证明，采用柔韧性海洋排放管道的成本仅是传统钢或混凝土制造排放管道造价的一半^[1]。例如被称为 欧洲历史上至今最大的排海工程 - 法国 Montpellier 排海工程 ，在 2001 年招标时有超过 20 家企业参加竞标，这些竞标单位采用的管道有钢管、混凝土管、玻璃钢管和聚乙烯管四种。 2002 年 9 月用户决定采用聚乙烯管道，认为是最佳的竞标方案。理由是：该方案最可靠和最安全、铺设时间最短可以减小对该地生活的干扰、管道完全不会腐蚀确保了长期使用寿命和维护运行成本低。到 2004 年 1 月工程在规定时间和规定预算内竣工，客户非常满意^[5] 。

　　由于国内在此领域应用塑料管道总体上还处在刚起步阶段，这个领域的用户大多也还不太知道采用塑料管道能够带来的经济效益和社会效益。为了帮助我国塑料管道业开拓这个新市场领域，北京塑料工业协会正在通过调查研究，收集、翻译和编写了有关水中铺设塑料管道的市场信息和技术资料。希望能够为推动塑料管道在水中铺设的应用做一些贡献。

　　2 水中铺设塑料管道的市场

　　根据国际经验水中铺设塑料管道主要有三大市场：

　　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'是指把污水经过适当处理后用管道排到离岸有一定距离，在水下一定深度的海洋水流中去，依靠海洋自然的净化能力（ Nature's own purification capability ），所谓‘海洋处理'（ marine treatment ），避免污染海洋的环境保护工程。排海工程是一个巨大的市场，塑料排放管道在国际上应用非常普遍。

　　取水管道 是和排放管道类似的另一种水中管道。也是从岸边伸向江河湖海的管道，但是不是用于排水而是用于取水。管道通常也铺设在水底，取水口离岸边有几十到几百米距离，在水面下几米到几十米处。取水管道的用途是从水域抽取淡水或海水。国际经验也证明取水管道很适合采用塑料管道。

　　水中输送用塑料管道

　　输送水或者天然气的管道（有压管道）常常需要穿过江河湖海各种水域。传统的管道在穿越水域时通常需要投资巨大，施工费时的工程。采用塑料管道就可能通过水中铺设方法把管道直接铺设在水底海床（或河床）上（或者水底沟槽内）。水中铺设输送塑料管道的设计与施工和水中铺设排海工程管道类似。

　　海上油气开采用有特殊要求的塑料管道

　　海上开采石油和天然气大量需要柔韧可曲挠、耐腐蚀、耐外压又耐内压的管道。在海上油气开采业这种管道被称为‘可弯曲管 Flexible Pipe '。通常采用多层复合管，由热塑性塑料层、纤维或钢丝增强耐内压层、钢带缠绕增强耐外压层等组成。

　　水中铺设塑料管道的三大市场都有巨大的需求和广阔的前景。因为我国过去没有应用水中铺设塑料管道的经验，塑料管道业普遍对于这三大市场缺乏了解。为了开拓这些新领域，我们首先应该调查研究水中铺设塑料管道三大市场的特殊需求和相关的专用技术，特别是要注意学习国际上的先进经验。

　　此外，水中铺设塑料管道还有其他一些市场，如：

　　疏浚工程用管道 —— HDPE 管道柔韧，耐腐蚀又耐磨损是疏浚工程的首选管道。通常使用熔接到工地中容易运作的长管段，管段之间用法兰或快接管件机械连接（可以根据作业需要随时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。

　　临时性的漂浮管道—— 穿过河或湖面的临时性管道。为了在受到水流、风和波浪作用时保持在指定位置通常使用缆索定位。缆索通过不会沿着管材轴线滑移和损伤管道材料的固定圈控制住管道。

　　在沼泽地里铺设管道—— 在沼泽地、湿地、滩涂铺设管道是很困难的。因为不能提供牢固和稳定的地基，不宜应用对应变敏感的传统管道。利用塑料管道的特性可以在在这种高度不稳定的环境下建成低成本和稳定的管道系统。因为土壤中的高水位可能产生很大的浮力，这种管道的设计施工与水中铺设管道类似。

　　水中通气系统—— 顶端带有小钻孔的较小直径水下 HDPE 管道已被用于码头防冻。压缩空气从这些管中冒出，所产生的气泡带动温度较高的水往上走融化水面的冰。当这系统工作时，水下管道中充满空气，应有足够的配重块来防止管道浮起来^[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区，过去习惯于把污水不加处理直接排入海中。随着社会的进步和发展，污水对于海洋的污染日益显著，特别是对于 港口、河口、半封闭海湾，以及大中城市毗临的 近岸水域的 污染可能达到十分严重的程度，直接危害渔业、养殖业、旅游业和附近居民的健康和安全。

　　我国拥有 18,000 多公里的海岸线， 4 亿多人口生活在沿海地区；沿海地区跨跃十一个省、市、自治区，是目前国内经济最发达的地区，沿海工农业总产值占全国总产值的 60% 左右。由于沿海地区城市工业密集、人口集中，未经处理的污水带来的环境问题日益严重。据统计，目前沿海地区城市排放污水量差不多为全国日排放污水量的 1/5 。这些污水绝大部分未经处理直接排入大海，而且多为岸边、无组织的乱排，致使近岸海域环境受到污染普遍严重，并存在富营养化导致的赤潮危害（ 1998 ～ 2000 年连续三年，在渤海、东海发生了面积达到几千平方公里的特大赤潮）。沿海城市污水的出路问题已成为沿海城市经济发展的重要制约因素^[8] 。

　　发达国家通常以污水集中处理作为控制污染的主要手段，大量建设二级（以至三级）污水处理厂。这种措施确实有效，但是建设二级污水处理厂需要巨额的基建投资和高昂的运行管理费用（高能耗）。因此近年越来越多近海地区采取污水一级处理和排海工程结合的办法。实践证明这种方法可以达到保证环境的要求而大量节约投资和运行费用（ 1/3 ～ 1/2 ），而且减少占地^[8]。

　　例如：美国西海岸排海工程到 1985 年就达到 250 处，美国排海工程排放的污水大部分经过一级处理，少部分经二级处理，排放口处水深大多为 20 ～ 40m ，最深达 120m ；英国至今已有近百个污水海洋处置工程；加拿大不列颠哥伦比亚省，一省的滨海岸就有 20 多个污水海洋处置工程。

　　对于采取污水一级处理和排海工程结合的办法是否可以保证不污染环境，对于海洋的自然消纳和自净能力，国际上进行了大量的长期的研究和考察，已经取得了一致的肯定。因此，在《中国海洋 21 世纪议程》提出“合理利用海洋自净能力。深水管道排污可以减少污水治理费用，利用海洋自净能力净化污水。沿海城市应逐步推广污水深水管道排海工程。” 在《 中华人民共和国海洋环境保护法 》 中明确提出“ 在有条件的地区，应当将排污口深海设置，实行离岸排放。”

　　国内从“六五”期间开始研究污水海洋、江河处置，目前，上海、深圳、海南、宁波、杭州、大连、青岛、烟台、武汉、天津、威海和嘉兴等地已规划或实施了海洋（江河）处置工程，我国的台湾和香港地区亦建有污水排海工程。

　　排海工程中的主体是由岸边一级污水处理场伸向海洋的排放管道（ outfall pipeline ）。排放管道直径较大，塑料排放管道直径通常在 500-2000 毫米。排放管通常铺设在海底，伸到离开海岸几百到几千米处（有的工程超过 10 公里），排放口通常装有各种扩散器，位置在水下几十米处（可能达到几百米）。因为排出口是畅开的，污水是重力流，排海工程的排放管通常属于低压管道。

　　根据国际经验这种水中铺设的管道最适合采用塑料管道 - 高密度聚乙烯实壁管。（ KWH 公司有采用聚丙烯 PP 实壁管和高密度聚乙烯 HDPE 结构壁管做排放管道的成功实绩。） HDPE 实壁管在该领域具有明显的竞争优势是因为具有独特的性能 - 耐腐蚀、柔韧、自浮和因为非常方便铺设 -- 可以制造成几百米一根的长管，又可以熔接。

　　国际上已经有很多成功利用塑料管道做排海工程的实例。最近一个著名的实例是前文提到的 法国蒙彼利埃市 Montpellier 排海工程^[5]：蒙彼利埃市是法国南部地中海边的文化和旅游名城， 2000 年起扩建其污水处理厂，其中排海工程是建设一条直径 1600 毫米， 陆上 9 公里海中 11 公里的 排放管道。参加竞争的有钢管，混凝土管，玻璃钢管和 PE 管。最后是 Pipelife 公司的 PE 管在 2002 年 9 月中标。采用的管材是直径 1600 毫米， SDR26 （ PN6.3 ）的 PE100 管。管材在由 Pipelife 公司在挪威的工厂生产，材料用的北欧化工的 Borstar? HE3490-LS 。 每根挤出管材 550 米长，总共 20 根，在海面上分 4 批经过北海，大西洋，拖运到地中海边的工地。 PE 管采用管端对接焊，然后用专门设计的玻璃钢连接件把管道连接起来。在 PE 管外套上既起压重作用又起保护作用的混凝土管段以后，逐步铺入在海底开挖的 2 米深管沟。管道最末端的排放扩散口在水深 30 米处。管道上再铺上混凝土保护板。全部工程在 2004 年 1 月完成。

　　排海工程用塑料管道大部分 直接铺设在海底上而不用开挖沟槽埋在海底沉积物里，通常只需要在陆地和水域的过渡区铺设在沟槽中。把近岸的一段塑料管道铺设在沟槽中是为了保护管道免受波涛、潮汐、漂浮的冰块及过往船只破坏。经验表明即使海底有时会因剧烈的沙石冲刷而不稳定，柔韧性的塑料管道也不会有任何的危险。

　　可惜由于国内对于塑料管道的推广工作还有差距，至今没有见到国内排海工程成功采用塑料管道的报告。

　　和排海工程用排放管类似的另一种管道是取水管道（ intake pipeline ）。这也是从岸边伸向江河湖海的管道，但是不是用于排水而是用于取水。管道通常也铺设在水底，取水口通常离开岸边有几十到几千米距离，在水面下几米到几百米处。取水管道的用途是从水域抽取淡水或海水。国际经验也证明取水管道很适合采用塑料管道。取水管道总是在负压下工作通常采用聚烯烃实壁管。

　　近年水工业有一个非常值得注意的技术进步是 海水淡化。随着反渗透膜技术等新技术的发展已经使得海水淡化的成本大大降低，目前成本已经接近使用地下水或井水的成本。采用海水淡化来解决水资源缺乏。现在已经不再是少数海湾地区富国不得已的选择，全世界很多国家认识到海水淡化已经是经济性合理的产业，开始大量投资建设海水淡化工程 [7] 。我国大规模的海水淡化工程也已经起步，预计将对我国很多严重缺乏淡水的沿海地区发挥十分重大的作用。海水淡化产业的发展需要大口径的塑料管材抽提和排放海水，这将为塑料管材特别是 HDPE 管材的发展提供了重要的契机。

　　4 水下输送 - 水中铺设的有压塑料管道

　　在水中铺设输水的塑料管道同样是利用和发挥了塑料管道耐腐蚀、柔韧、可以制成连续长管、可以熔接和重量轻能自浮等独特的优点。输水管道（ transit pipeline ）是有压力的管道，通常采用的是高密度聚乙烯 HDPE 实壁管，也有采用复合增强的 HDPE 管。水中铺设输水的塑料管道 直径通常在 250-1000 毫米，有的直接铺设在水底，有的埋设在水底开挖的沟槽中，也有的设计把 输水管道铺设在离水面和水底都有一定距离的水体中 。

　　世界各地已经有许多成功应用水中铺设有压塑料管道的实例。其中向海岛输水是最常见的典型工程。因为世界各地有很多有居民的海岛缺乏淡水供应，过去是依靠从大陆用船舶送水，近年越来越多采用铺设在水底的管道供水。实践证明采用塑料管道是经济和可靠的方法。例如：日本有大约 6900 个岛屿，其中大约 330 个有人居住。这些岛屿的供水非常困难，到 1998 年已经有 146 个岛屿通过水下铺设的供水管从本土供水 [6] 。

　　我国 海岸线 1.8 万多千米，内海和边海的水域面积约 470 多万平方千米。海域分布有大小岛屿 7600 个，其中许多 有居民的海岛缺乏淡水供应。例如 我国岛屿最多的浙江省有面积 500 平方米以上岛屿 3061 个，不少缺水的岛屿需要从岛外运水。 2003 年气候偏旱， 舟山全市 98 个住人岛屿中，有 74 个岛屿供水告急。近年沿海各地为了发展海洋经济，纷纷把解决岛屿供水问题列入基础建设规划，其中不少计划铺设跨海输水管道。例如： 广东省内最大的岛屿南澳县是典型的‘苦旱县'，长期以来靠船只运水。为了解决 8 万居民和驻军的饮用水困难，已经制定了修筑一条长 8 公里日供水量 8 万吨的跨海引水输水工程。又如： 福建省莆田 正在筹备平海湾跨海供水应急工程 ， 解决南日岛和平海半岛的饮水安全问题，计划中的跨海管道长 9.41 km 管径为 500-800mm 。大量类似的信息可以从互联网上查到，说明我国 在水中铺设输水的塑料管道有非常大的市场机遇。

　　我国实际应用在水中铺设输水的塑料管道还刚起步，目前只有不多的应用实例。例如：临海市伟星新型建材有限公司于 2003 年 9 月率先在舟山市岱山县长涂镇的跨海输水工程中试用了水中铺设的 HDPE 管道。该管道从大长涂岛至小长涂岛，跨海 2100 米，水深 20 米，直径 DN250mm ，压力等级 PN10 ，材质为 PE80 。工程运行至今已有两年时间，运行状态良好，充分显示了塑料管道的优越性。长涂镇过去跨海输水曾经采用防腐钢管，施工难，抗腐差，一般一年左右即会腐蚀穿孔，七年来更换了十根管。此外，伟星公司先后在舟山地区、三门县等众多海岛区域承接跨海工程十余个。又如： 浙江枫叶集团 2001 年 7 月 完成了诸暨至店口给水管道的水下过江工程。穿越的浦阳江宽 300 米，水深 3-6 米。工程全线采用 DN 630 、 SDR26 聚乙烯管道。管道在河岸上焊接，试压合格后安装钢筋混凝土压重块，整体下水后沉入江底预先开挖的沟槽内再回填。此外江苏星河集团等企业也先后完成过水中铺设 输水管道的工程。

　　因为在水中铺设塑料管道的技术已经成熟，有些地区发现把原来计划沿岸绕行铺设的陆上埋设管道改为穿越水域的水中管道可以节约投资和加快施工。我国很多城市有江河穿越或有湖泊相间，在掌握了水中铺设塑料管道的技术就可以明显的完善管网的布置。

　　5 海上油气开采用有特殊要求的塑料管道

　　在水中铺设和应用塑料管道的另一个领域是海上开采石油和天然气业大量应用的管道。在海上油气开采业这种管道被称为‘可弯曲管 Flexible Pipe '。对挠性管有多方面的要求：可以弯曲的连续长管、耐内压、耐外压、耐腐蚀 ….. 等，通常采用多层复合管，由热塑性塑料层、纤维或钢丝增强耐内压层、钢带缠绕增强耐外压层等组成。

　　可弯曲管的主要用途是：

　　上升管 riser- - 连接海底的采油井到浮在海面上的采油平台或采油船 。

　　跨越管 jumper -- 连接采油平台和采油船

　　水底管 flowlines -- 在水底铺设的连接管道

　　因为这些管道是铺设在有波浪，潮汛和洋流的海洋中，所以必须是可以弯曲的连续长管。又因为管道内要压力输送石油所以必须耐内压，管道外受到海水的外压力（尤其在深海应用时外压很大）所以必须耐外压，管道内输送的石油和管道外的海水都有腐蚀性所以必须耐腐蚀。显然，在这个领域不可能采用刚性的金属管，也不可能采用普通的塑料管道。只有多层复合的特殊‘可弯曲管'才能满足多方面的严格要求。

　　下图是深海用可弯曲管的一个典型结构：

　　这是一个 8 层复合管道， 8 层的名称、材料和功能是：

　　浅海用可弯曲管结构就可以比较简单，三层或者四层结构。

　　海上油气开采业用的可弯曲管通常做成长度很长的管道，在两端做好连接用的管件。铺设时利用船舶把挠性管铺放到位后连接。

　　我国已探明的石油和天然气资源较少（仅为世界可开采量的 1.42% 和 1.4% ）。专家分析我国陆上含油气盆地中主力油田大部分已有 30 多年的开采历史，多数油田原油采出程度高达 70 ％，进一步扩大产量的空间十分有限。资源的未来出路将会更多地依赖于海洋。海洋蕴藏了全球超过 70 ％的油气资源，全球海洋石油探明储量已 380 亿吨，目前已有 100 多个国家在进行海上石油勘探和开采，我国在渤海、东海和南海的石油和天然气勘探和开采已经开始，有报道说 今后五年中国将投资 1200 亿用于海洋石油开发，海洋油气 不久将成为我国能源的重要的基地。但是至今海上油气开采业应用的装备大部分依靠进口，国内塑料管道业还没有进入这个前景广阔的大市场。

　　（说明：由于海上开采石油和天然气业应用的‘可弯曲管 Flexible Pipe '比较特殊和复杂，其设计、制造、连接和铺设技术没有包括在下文的介绍内。）

　　6 水中铺设塑料管道的方法

　　这里简单介绍 排放管道，取水管道 （无压塑料管道）和输送管道（有压塑料管道）水中铺设塑料管道的方法。 水中铺设塑料管道方法的基本原则是尽量避免水底作业和尽量减少水下的工程。

　　6-1 漂浮 - 下沉法

　　最通常使用的是 HDPE 实壁管的漂浮 - 下沉法。

　　众所周知，高密度聚乙烯 HDPE 的比重小于 1 ，在管道充满水后仍然有浮力。所以水中铺设塑料管道必须加上压重才能使其能够稳定地座在要求的水底位置上。（通常采用的压重方法是在管道上隔一定间距固定上混凝土压重块。）通过大量实践证明：通常在的离岸近的海洋条件下，压重一般不需要超过管道排水量的 65% ，大多数情况下相当排水量 25 到 50% 的压重就足够了。所以管道在充满空气时即使已经加上压重块也可以浮在水面上。因此充满空气的塑料管道可以带着压重块先利用水面上漂送到铺设位置，然后通过灌水沉到水底位置。这样就可以尽量避免水底作业。该方法的施工过程是（后文有解释）：

　　●利用 HDPE 管道可以熔接的特长在岸边把运来的管段对接熔焊成几百米长的连续长管段，逐步下水漂浮在水上，或者把管材挤出生产线安置在岸边，直接制成几百米长的连续长管段逐步下水漂浮在水上；

　　●压重块可以在岸上就安装到管道上，然后和管道一起下水；也可以在水面上利用驳船把压重块固定到管道上；

　　●把固定好压重块的连续长管段拖引到计划铺设的位置；

　　●把各段长管连接到工程需要的长度；

　　●通过从岸端灌水使管道逐步沉到水底要求的位置；利用塑料管道的柔韧性，让管道随着水底的地形起伏躺在水底上（为了减少轻水流作用力，通常利用压重块使管道和水底间有一定间距离）。通常大部分塑料管道就直接暴露在水中，只在近岸处将部分管道埋在水底的管沟内。

　　6-2 水底拖拉法（ bottom-pull ）

　　当水上交通阻止采用用浮 - 沉铺设法时（如在穿越河流的工程中），可以采用下图所示的‘水底拖拉'法。当采用这种方法时，先把塑料管道在岸上连接成连续长管，加装上足够保证管道始终沉在水底的压重，然后用卷扬机把管道拖过河。通过适当设计的压重和固定在管道前端的特殊拖拉头 — ‘滑橇'确保管道在拖过河时能随着河底的断面轮廓顺畅滑动^[3] 。

　　7 水中铺设塑料管道的制造

　　水中铺设塑料管道通常尽量制造成长度很长的连续长管，以求尽量减少连接接头。根据国际经验 HDPE 实壁管是不难制造长达几百米的连续长管，例如前面介绍到的法国蒙彼利埃市排海工程采用的直径 1600mm 的连续长管每根长度 550 米。

　　制造连续长管通常的方法是把挤出机安装在水域边，面向水面挤出的管材通过牵引机后就飘浮在水面上。

　　PIPELIFE 公司介绍可以制造 HDPE 连续长管的长度可达到 1000m ，直径 2000mm 。下图是 Pipelife Norge AS 建在挪威 Stathelle 海边的工厂，挤出的 连续长 管直接引到水面上。

　　如果不能制造连续长管就只能先制成管材段再对接熔焊连接成连续长管。

　　直径较小的管道可以制造成盘卷的连续长管。例如日本 MESCO,INC 公司制造的水下的供水管（ WNG 管）是一种复合增强管道，在工厂内制造成盘卷的连续长管。因为盘卷的直径很大是用专门的驳船运输到铺设地点的 [6] 。海上油气开采业采用的挠性管通常也是制造成盘卷的连续长管，用专门的施工船运输到铺设地点的。

　　8 水中铺设塑料管道的铺设施工

　　8-1 连接

　　水中铺设通常采用的 HDPE 实壁管可以采用对接熔焊方法连接。对接熔焊的设备和工艺都和普通 HDPE 压力管用的一样。但是有些连接处是不可能采用对接熔焊，例如：需要在水底下和已经沉降到位的扩散器连接，这些连接处可以采用机械压紧方式的连接。例如采用法兰连接：在 HDPE 管端先对接熔焊上一个‘根形管端'，活套上一个金属的或玻璃钢的法兰背盘，就可以和有同样法兰端头的其他管道、管件或结构连接。

　　8-2 漂浮

　　水中铺设的 HDPE 实壁管常常采用漂浮的方法运输到铺设位置或者暂时存储在水面上。因为 HDPE 的比重小于 1 ，两端密闭的 HDPE 管空管有很大的浮力，同时又非常柔韧不怕波浪的冲击，所以可以在波涛汹涌的大海上漂浮运输。例如前面介绍到的法国蒙彼利埃市排海工程所采用的 20 根直径 1600mm 长度 550m 的连续长管就是在挪威的工厂生产，在海面上分 4 批经过北海，大西洋，拖运到地中海边的工地。

　　国际上已经有不少类似的长途海上拖运经验（包括跨过大西洋从欧洲拖到美洲的巴西）。通常大直径 HDPE 管道（ 1,200 - 1,600 mm ）以 4 到 6 根为一组（管长 500m 左右），拖速一般是 6-8 哩／小时。由于 PE 管道的高柔韧性和高应变能力，出现破坏的情况很少（主要是管道外表层刮伤）。

　　8-3 安装压重

　　水中铺设通常采用的 HDPE 实壁管就依靠压重块稳定在水底。压重块通常是预制的钢筋混凝土块，由上下两件组成，以一定的间隔用螺拴夹紧固定在管道上。在压重块和管道之间要加既有弹性又有摩擦力的保护垫层防止压重块损伤管道。

　　安装压重块的工作有的在岸上进行，也有的是在水面上进行。

　　在岸上安装压重块是在管道已经连接好准备下水前进行。当管道下水时已经安装好压重块，所以常常需要设置滑道让附带有压重块的管道能够顺利的滑入水中。

　　在水面上安装压重块是把没有安装压重块的管道下水，飘浮在水面上，然后用施工驳船上的吊车把管道的一部分吊上驳船，安装好压重块后再吊回到水中去。为了避免管道过度的弯曲，施工的驳船要有离水很近的施工甲板。

　　8-4 沉降

　　管道沉降前需把管道准确地定位到要求位置的上方。

　　沉降过程是漂浮 - 下沉法中最关键的工序，必须周密计划和严格控制。要求管道的沉降从近岸端逐步向外进展，让管道能够顺着水下地形躺到水底，避免发生‘架桥'。同时保证管道沉降时的弯曲半径始终不小于限制值，避免因为过度弯曲造成管壁中应变过大或压屈失稳。

　　为了使沉降过程从近岸端逐步向外进展，要在从近岸端灌水前先把漂浮的管道近岸一小段吊出水面抬高，使灌溉入的水先充满近岸一段管道，形成一个‘水袋'。这段管道充满水下沉后随着水的灌入，再逐步把前方的管道充满下沉。同时，管道的最外端要用盲板密闭，在盲板上装备上阀门，用阀门控制管道内空气的排出速度。

　　为了避免管道过度弯曲，要随时监控和调节空管部分内的气压，必要时可以通入压缩空气使管道沉降过程逆转。在沉降过程中还要在管道最外端施加合适的拖力来减小发生压屈失稳的危险。

　　8-5 扩散器和取水口装置

　　排放管道在水中的排出端需要安置扩散器。扩散器的用途是使排放的污水能均匀又迅速地被海洋中的水流分散和稀释。最简单的扩散器是一段钻孔的管道，为了防止堵塞，孔径不能小于5cm 。为了防止磨损，孔口处的排放速度不超过 4-6 m/s^[2]。有些场合需要比较复杂的扩散器，例如带有垂直立管的 扩散器，通常用 HDPE 管道焊接而成。这种扩散器可以埋入水底 仅把立管露出来，适用于有严重淤积活动的地方^[3] 。取水管道在水中的进水端需要安置取水口装置，如挡鱼网、冰屑档板等。

　　有的扩散器和取水口装置可以和管道连接好一起用漂浮 - 下沉法铺设（必要时可以在这些部分加上临时的浮桶增加浮力），有的因为过于笨重，需要分开下沉铺设，然后在水下由潜水员用法兰组件连接。

　　8-6 填埋，覆盖和锚固

　　前面已经介绍很多水中铺设的塑料管道利用‘柔韧性水中管道原理' 直接铺在海底上只用较轻的压载，这样最经济。但是在有些场合需要把水中铺设的塑料管道埋在水底开挖的沟槽中，然后回填覆盖，有的还需要增加压块重量或者加上混凝土保护盖板。例如在波浪很大的海域；在有猛烈波浪和浮冰冲击的靠近海岸处；在繁忙的航行或捕鱼作业区等。

　　在水底开挖沟槽和回填覆盖有一些特殊的技术问题要注意^[4]。

　　9 水中铺设塑料管道的设计计算

　　这里很简单地介绍水中铺设塑料管道的设计计算。（详细的资料可以查看美国塑料管道协会 PPI ，美国石油组织 API 和 KWH ， PIPELIFE 等企业发表的有关文献和规范）。

　　水中铺设塑料管道的设计计算是比较复杂和特殊的。主要原因是水下的环境条件复杂和特殊，例如水流的作用力，波浪的作用力。此外水中管道在铺设过程中承受的负载和铺设后承受的负载是不同的，例如在采用漂浮 - 下沉法铺设时管道可能要承受较大的弯曲度，因此还需要专门进行沉降过程的设计计算。国际上通过近 50 年的研究和实践，目前水中铺设塑料管道的设计计算已经形成一套完全体系。我们可以充分利用这些经过实践验证的成熟经验。

　　水中铺设塑料管道的设计计算包括：

　　水力的设计计算 — 根据工程要求的流量等条件确定需要的管道通径等；设计计算的方法和通常的 HDPE 管道是类似的。

　　管道结构的设计计算 — 根据负载确定管道的应力和应变，结合使用条件选择管道的材料等级和 SDR 值（壁厚）的基本设计原则是和通常 HDPE 管道一致的。复杂和困难的是如何确定各种负载的性质和度量。

　　这些负载包括内压、外压（水和土壤）、水锤、温度变化、弯曲、水流作用力、波浪作用力、 管道背座在岩石或石块时的集中负载和悬空管道的重量等。这些负载分别在管道壁中形成轴向和径向的拉伸应力和压缩应力，由此合成的应力必须小于材料允许的设计应力。 PE 材料有蠕变和松弛的特性，由于负载形成的应力和应变是时间的函数，因此，必须核对短期和长期两种情形^[4] 。

　　要注意水下管道除了可能承受内压负载外常常承受到较大的外压负载。所以基于最大 合成应力 选用的 SDR 后还需要验算抵抗外压下发生压屈失稳或管材压塌。

　　压重块的设计计算 — 压重块的设计是要保证管道在水底的稳定性，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与浮力及升力的平衡，水平方向的力平衡是拖力和摩擦力的平衡。

　　设计计算的主要内容是重力、浮力、升力、拖力的确定。升力和拖力是由水流和波浪作用力产生的，所以先根据水流和波浪的资料计算出水流和波浪作用力。

　　根据计算和经验， 压重一般不需要超过管道排水量的 65% ，大多数情况下相当排水量 25 到 50% 的压重就足够^[1] 。

　　沉降过程的设计计算 -- 和在陆地上铺设管道明显不同，水中管道在铺设过程中承受的负载和铺设后承受的负载是不同的。在管道沉降过程中如果控制不当可能因为弯曲过度发生破坏（压屈失稳）。因此对于控制沉降过程中力平衡的参数：气压（管道充气部分）、拖力、沉降速度都要事前计算和设计好 [4] 。一般推荐沉降速度约为 500 米 / 小时^[1] 。

　　10 水中铺设塑料管道的应用实例

　　水中铺设塑料管道在全球已经有很多成功的实例，这里收集了一部分列举一表：

　　（其中没有注明企业的都是 Pipelife 公司的）

　　参考文献：

　　1、PPI 手册 - 聚乙烯管道系统 - 水中铺设 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 的水中管道铺设 hign density polyethylene pipe Sclairpipe? Marine Pipeline Installation （ KWH PIPE 资料）

　　4、聚乙烯管道水下铺设技术汇总 Technical Catalogue for Submarine Installations of Polyethylene Pipes （ Pipelife 资料）

　　5、欧洲至今最大的 PE 管道工程 ； Montpellier 的排海工程 Europe's largest-ever PE pipe project - The Montpellier Sea Outfall ；第 12 届国际塑料管道会议论文集（引自北京塑料工业协会 - 国际塑料管道最新技术汇编）。

　　6、聚乙烯给水管在日本进展和现状 ；作者是 MESCO,INC 的 Hisachika Honda ；第 10 届国际塑料管道会议（ 1998 年，瑞典）上 论文集。

　　7、2003 年欧洲塑料管道应用情； 作者是 BP-Solvay 的 Michel Raynaud ； 第 12 届国际塑料管道会议论文集（引自北京塑料工业协会 - 国际塑料管道最新技术汇编

　　8、污水海洋处置的讨论 ； 作者 何耘、刘成、韦鹤平；海峡两岸水资源及环境保护上海论坛论文集；陕西人民出版社； 2002 。