海域水下排污柔管道系统.docx

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海域水下排污柔管道系统

海域水下排污柔管道系统

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海域水下排污柔性管道系统-工程论文

海域水下排污柔性管道系统

滕健TENGJian

（大连市环境科学设计研究院，大连116023）

（DalianMunicipalDesignandResearchInstituteofEnvironmentalScience，Dalian116023，China）

摘要：

海底排污管道的选择与使用受许多因素的影响，本文从使用柔性管道这一论点出发，论述该方法的可行性，提出海洋排污系统使用柔性管道的诸多好处。

Abstract：

Theselectionanduseofsubmarineoutfallareinfluencedbymanyfactors.Thispaperstartsfromtheflexibleducttodiscussthefeasibilityofthismethodandputforwardthebenefitsofusingflexibleductformarinesewagesystem.

关键词：

海底排污；柔性管道；聚乙烯；聚丙烯

Keywords：

submarinesewage；flexibleduct；polyethylene-HDPE；polypropylene-PP

中图分类号：

P756.2文献标识码：

A文章编号：

1006-4311（2015）19-0166-03

作者简介：

滕健（1962-），女，辽宁大连人，毕业于大连理工大学，研究方向为环境保护。

0引言

聚乙烯（polyethylene-HDPE）和聚丙烯（polyproylen-PP）的柔性管道非常适用于海域水下管道排污管道系统使用。

柔性管道可以挤压很长的段，把接头连接好之后，，可以从生产基地拖到排污地点，以最小的工作量沉放到海底。

此种管道沉放于海底后，能与海流和波浪的作用以及海底状况保持协调，不会出现事故，因此可以达到结构轻便而且施工时间短的目的。

一个5km或更长的排污管道系统与机械—化学处理法的污水处理厂相比，在经济上有很大的竞争力，前者在运转费用和能耗的节省上是很客观的，而且可靠性也高。

1海域水下排污与污水处理厂的比较

近十年来，由于水环境保护的日益重视，已研究出各种技术，能大规模的高效可靠的将城市或工业废水中的污染物或其他营养物质清除掉。

这些技术在世界各地已广泛应用。

但在另一方面却忽视了一个重要事实，即海洋或大型水体，对处理有机污染物的负荷，有巨大的自然净化这一能力没有得到充分利用。

实际上水污染问题多在局部地区是严重的，对游泳、景观有影响，而且危害人体健康。

海洋水体的循环运动能力很强，可以把废物扩散到无害的程度，而且某些营养物质的输入还可以增加水中生物的质量[1-5]。

有些国家主张处理废水要使用最高的技术，而不管排入外界的受纳水体是什么类型的。

各地在处理废水排送到外界的受纳水体不可能是相同的，如果按上述统一原则办事，势必造成某些地区的自然资源未得到很好的利用和保护，造成不必要的浪费，而在另一些地方，废水处理得又不够妥当。

在废水处理方案的选择上有两个方面需要考虑：

一是废水经过先进技术处理后，排至不开阔的或封闭的海域或湖泊水体中；另一个是经过基本的机械方法处理后通过排污管道排送到海域水下扩散。

选择的原则有一下几点：

①系统的可靠性和安全性；

②经济上的评价，建议投资费用、运转费用和经济效果；

③能源消耗。

例如，一座平日处理量1m3/s，峰值处理量2m3/s的污水处理厂，其建设费用不会少于：

①低档处理后海域排放，最低费用500万美元；

②机械处理排放，1000万美元；

③机械—化学方法处理排放，1500万美元；

④先进技术处理，包括机械、生物、脱氮、脱磷、过滤、氯化，4000万美元。

2柔性管道系统

一个5km长的柔性管道海域水下排放系统，其费用低于机械—化学处理措施的污水处理厂。

而且这个系统的运行可靠性比污水处理厂高，其操作误差带来的危害性也小。

先进处理技术的能源消耗费是多方面的，主要是各种化学剂生产的能耗，估计为0.6kW·h/m3；一个与低档处理技术相结合的海域水下排放系统，其能耗估计为0.15kW·h/m3，主要用在输送泵和管道制作上。

海洋排污系统，从各方面来看是最优秀选择方案[3]。

3柔性排污管道系统的概念

柔性排污管道是由粘弹性物质的聚乙烯（HDPE）或聚丙烯（PP）材料制成的管道。

有以下三个基本特点：

①沉放到海底后，可以与海浪、海流以及海底保持协调，不会出毛病；

②充气后，已配上节头压重的管道能浮起来，可以拖送到沉放地点，使用排气法将管道沉放到海底；

③可以在工厂挤压成长5km的管段。

将两个基本特点分析如下：

①对外界作用力的抵御能力：

任何一种设计，都必须使其功能不受外界作用力的干扰。

如果管道是采用钢性物质，如铸铁、钢、水泥或木材制作的，欲使管道密封不漏水，则必须能抵抗其上所加的全部负荷，不能有任何变形或错动。

而海底管道由HDPE这种粘弹性物质制成时，在恶劣的海洋环境里，使管道保持其初始位置的条件则不是绝对的了。

这种移动，在管道材质中形成的应力不是太大的。

对这种管道不必设计成在其实用中可能出现的最大的力，只要这种力持续的时间足够短，如波浪的力；这种管道只要设计成能够抵抗已知频率出现的力就可以了。

这说明不必进行大范围的波浪观测，这笔费用可以省下来，并且大范围的腐蚀防护和钢性支撑也是不必要的了。

直接沉放在海底的管道，可以适应海底的起伏状况，在沙质的海底，管道可能暂时或永久的被沉埋在沟槽里，这样要求水下的工作量可以大为减少。

这种情况下，管道可能在海沟槽内引起局部腐蚀。

理论证明，直接沉放在海底的管道所受到的升力要比离海底有一定距离的管道受到的升力要大的多。

如果固定在管道节头压重的设计使管道沉放在海底以上的某个距离上，由于腐蚀或沉降的结果，管道会逐渐沉下去，躺在海底上。

此时，海浪和海流的作用还能使管道连同其节头压重浮升到某个高度，逐渐使节头压重与海流的升力达到平衡[6]。

由海浪和海流的作用不会同时作用于管道的全段上，所以管道在纵向上的连贯性能将移动了的邻近部分拉回到初始位置上。

这样，柔性管道系统能抵抗传统的钢性管道系统所负担了的各种负荷。

节头压重物对管道沉放海底是很重要的，一般要求是小于管道排出水的40％，这样管道充气后，可以带着节头压重物浮升起来。

②使用排气法沉放管道：

在管道生产基地可以把接头接好，拖到沉放地点。

HDPE管道允许1.5％的变形，相当于把管道弯曲成半径为管道直径33倍的圆弧，此时管道的钢性仍能避免弯曲变形。

在海面沿着管道的轴向拖加一定的推力把管道沉放到海底，通过控制管内压力不会超过允许的变形。

所要求的管道拉伸力，是沉放地点海浪运动力的函数。

在压力小于4个大气压的条件下，弯曲管道的限制先是出现管壁的扭曲褶皱，而不是管比变形。

使用数字模拟方法，可以预测管道受到波浪、海流干扰下的行为，用适当的计算模式分析，能在短时间内为沉放管道——即使在严酷的海洋条件下——提出施工准则。

4柔性道的制作

HDPE，PP是粘弹性材料。

可以制成大管径管道，目前，最大管径是1.2m，但是1.6m管径管道的制作也在开发中。

管道的制作，首先是将熔融的原材料放在特制的模子里，在拉伸器中拉伸，然而用冷水冷却。

冷却的过程，对检查固定在管壁里的应力是很重要的。

管道的制作是连续的，其长度根据需要而定。

在一般工厂制作，管道长度决定于运送到安放地点的能力。

例如，工厂在海边，可将管道拖到最近海岸，长度可达500m，这个长度也可以有铁路运。

管道的连接是采用连杆端法兰对头焊接。

质量控制，柔性管道海洋排污系统的质量控制与其他工程系统的质量控制一样，都是很重要的。

其目的是为了保证在使用中不出现故障。

有三个方面：

原材料，上法兰、焊接，沉放。

原材料的选择，要求保证至少有1.3的安全系统。

在应力和温度最高的条件下使用50年。

HDPE、PP是为各种目的制作的，品种上少有不同，重要的是所用的材料能满足使用的特殊要求。

拉伸过程对管道的质量有头等重要的意义。

如果温度过低，拉伸过程运行不正常；如果温度过高，材料发生氧化，能严重影响管道的强度。

如果冷却过程过快（冷却水温过低），在高温下的应力固定在管壁内，达不到应有的强度。

发生了这两种情况的管道，尤其不能达到要求的强度。

在制作过程中要避免划伤管道。

制作过程中的任何不均匀，都是因为未控制好生产要求的生产条件，这种管道与正常的、经过长期试验的产品不一样。

管道有任何不规则都不能使用，除非经特殊的试验证明它有足够的强度。

HDPE、PP属于粘弹性物质，用此材料制作的管道能在短时间内承受比它整个使用期间高的多的负荷。

因此管道的短期压力试验，几乎不能提供管道长期强度的信息。

真正的强度试验是在高温度条件下进行的，对HDPE是80℃、对PP是95℃。

焊接过程也应小心加以控制，严格遵守提供的焊接参数——温度、焊接压力。

要确保在加工操作和沉放操作中焊接不会出现变形。

所有要求都做到了，实验条件都达到了，就能得到管道的要求特性。

据资料记载，凡是出现什么毛病，都是因为没有遵守质量控制的指导造成的。

5有关事项

①强制排放——瞬时压力。

对大规模的污水排放，建立重力排放系统是不经济的，建立泵站是必须的。

一个5km长的排污系统，管径?

准1m，最大处理量2m3/s，要求有35m、w、c压头，对此排污系统与原有关的瞬时眼里必须考虑。

停泵时泵站所承受的压力经过管线能够传出去。

如参考文献[8]所指出的，与钢性材料的管道相比，此管道的柔性对压力的传播有一定的优越性。

运转过程中要防止空气进入管道中，以保证管道不再浮升起来。

防止空气进入管道的方法不可能是完全一样的，要根据实际情况去定。

泵站位于海边时，合适的办法是把管道接在最低水平线位置以下的地方，并且从泵池或从海边储池修一旁路引到加压侧，再对负压进行检查。

如果泵站是在离海边较远的陆上，在靠近海边的地方应建一测压系统。

②终端扩散：

污水经排污管道终端开口进入海水中，终端开口的设计要保证污水有规律的排出，按1：

100与海水进行混合。

此混合不受海底波动压力的影响。

污水的稀释受扩散段海水流动强度的影响，因此要确定扩散段的长度。

开口愈小，从开口喷射出的污水混合的能力愈强，但开口直径不应小于5cm，从开口喷射出的速率时4m/s。

③排岸浪带的跨越：

在排岸浪带内，波浪与岸流的压力是很大的，而且也难预测。

海底地形，随波浪的作用，可以发生迅速的变化，因此，在跨越此带时，把管道沉埋起来是必要的，也是适当的。

管道要埋多深，视周围环境而定，一般2～7m。

此深度要与泵站协调配合。

现在正在开发专门的技术，即在沉积物中不断开挖沟槽使管道跨越拍岸浪带。

6惠南工业区海底排污管道工程

惠南工业区海底排污管道工程位于泉州湾北岸张坂镇玉霞村西屿附近海域，管线起点为污水处理厂出水口（张坂镇井头村）经过一段陆域至玉霞村海滩入海，终点位于西屿西南附近600m海域7.8m黄零（4.53m理零）水深处，管线总长约3500m，其中陆上2200m，海上1300m，末端接长35m扩散器，管径为500mm。

工程总投资3950.08万元。

其中海上管道部分总投资1175.59万元。

6.1施工方案和施工工期

①陆上管线施工：

采用明管敷设。

②潮间带，利用退潮时，利用挖掘机开挖沟槽，汽运碎石砂回填垫层，吊机吊管安装。

③水下施工采用抓斗式挖泥船进行基槽挖泥，碎石桩要用桩船施打。

民船运、抛砂、石。

采用船吊安装管道。

6.2施工期主要污染源

①悬浮泥沙产生量。

管沟槽开挖泥沙入海主要在管线近岸段，挖泥量约29040m3，采用8m3抓斗式挖泥船施工，悬浮泥沙产生量≤7.5t/h，相当于2.08kg/s。

②施工船只产生的污染源分析。

施工生活污水：

施工人员按50人估算，人均用水量按0.20t/d，排污系数取0.8，计算生活污水产生量为8t/d。

生活污水主要含COD、BOD、氨氮等，应防止污水漫流或直接流入海域。

施工船舶污水：

主要考虑施工船舶机舱含油污水，污水量较小，经船舶自备处理装置处理或由有资质的单位收集处理。

港作船员废弃物量按每人每天1kg/d计，则50个施工人员垃圾产生量为50kg/d。

6.3营运期排污效果

尾水排放按照2.5×104m3/d的排放量计算，进、出水水质及污染源强见表1。

①排海污水量2.5万t/d，排放方式为铺设排海管离岸排放，排放口位于西屿西南约600m，排放水深-7.8m（黄零）。

②排放标准GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》表1中一级B标准。

7结论

海洋排污系统对先进技术提出了要求。

至今多是使用钢性材料的管道，如水泥管、铸铁管，然而，柔性材料的管道不论在施工阶段或是对运转使用都有很大的优点，对建设安全而且投资少的排污系统有很大的作用。

通过系统的应用，我们所谓的柔性理论，可以容易的做到将污水引至离海岸较远和较深的地方。

希望谨慎的把海洋处理方法作为环保的一个最终措施，这样大管径的HDPE、PP柔性管道的使用，可为实现这一目的作出应有的贡献。

参考文献：

[1]Lars-EricJanson.Canhighoperationcostsbeeliminatadbydesignmaesures?

[J].SwedishErendsWithinthefieldofwaterandenvironment.

[2]Lars-EricJanson.Waterenvironmentprotecyionusingfirefightingmethods[J].

[3]Lars-EricJanson.Costsformarineoutfallsversusadvancedtreatment[J].

[4]Lars-EricJanson，HausHydenandDickJohansson.Thereleranceofdesigncriteriaforseaoutfalls[J].

[5]Anonymousdischargsofsewagefromseaoutfalls，proceedingsfromWaterResearchCentre，stevenageLaboratory，London，Sept.1974.

[6]Lars-EricJanson：

plasticpipesinsanitaryengineering，NewYork1974.PrintedbyCeianese.

[7]Lars-EricJanson，IngemerBjorklund：

ImprovedsimplifiedmethodforgualitycontrolofHDPEpipes.SwedishNationalCouncilforBuildingReportR32：

1976.Stockhim1976.

[8]IanLarsen：

Derelopmentandpropagationofunderpressurefrontsinfluencedbybucklingofthepipewall2ndIndcontonPressureSurges，London1976.