Section V. The Installation design of the marine HDPE

A marine pipeline installation may involve considerable risk to the pipeline integrity both during installation and while in service. Guidance provided herein on the design and installation of PE piping is limited to this project. The primary focus of this section is the design and installation of underwater lines by the “float-and-sink” method that is made possible through the use of the light-in-weight and flexible PE pipe. Under certain conditions – such as when it is not possible to delay navigation long enough to launch and sink a pipeline – it may be necessary, or it may be more practical, to use a variation of the “float-and-sink” method that is herein described. In one variation, one or more separate long-segments of the pipeline with a flange at each end are assembled and floated. These segments are then sunk, properly positioned and bolted together by divers. Another alternative method is the “bottom-pull” method, which is briefly described at the end of this section. However, regardless of which method is used, the general design and installation principles that apply to the “float-and-sink” method also apply to alternate methods.

Other marine applications for which PE piping has proven to be very suitable include temporary water surface pipelines, lines installed over marshy soils and lines used in dredging operations. These are described briefly. Design and installation for these marine applications are conducted in accordance with essentially the same criteria and principles as described for the “float-and-sink” method.

In nearly all underwater applications, the design and installation of HDPE piping is comprised of the following basic steps:

1. Selection of an appropriate pipe diameter

2. Selection of an appropriate pipe SDR (i.e., an appropriate wall thickness) in consideration of the anticipated installation and operating conditions

3. Selection of the design, weight and frequency of spacing of the ballast weights that will be used to sink and then hold the pipe in its intended location

4. Selection of an appropriate site for staging, joining and launching the pipe

5. Preparing the land-to-water transition zone and, when required, the underwater bedding

6. Assembly of the individual lengths of pipe into a continuous string of pipe

7. Mounting of the ballast weights (This step may be done in conjunction with the next step.)

8. Launching the joined pipe into the water

9. Submersion of the pipeline into the specified location

10.Completion of the land-to-water transition

General guidance for the conduct of each of these steps follows.

Step 1 Selection of an Appropriate Pipe Diameter

Selection of an appropriate pipe diameter involves the estimation of the minimum flow diameter that is needed to achieve the design discharge rate. A confirmation is then performed after the required pipe dimension ratio (DR) is determined in accordance with Step 2 which follows. Since the actual internal diameter of a pipe that is made to a standard outside diameter is dependent on the choice of pipe DR, the nominal pipe diameter/DR combination that is finally selected needs to have an actual inside diameter that is at least as large as the above determined minimum required flow diameter. As mentioned before,the DN1500 is chosen.

Step 2 Determination of the Required DR or SDR

The DR of the PE pipe, in combination with the pipe materialrsquo;s assigned maximum hydrostatic design stress, should allow the pipe to operate safely at the maximum anticipated sustained net internal pressure at the maximum anticipated operating temperature. As an added “safety factor” it is common practice to pressure rate the pipe for the maximum anticipated operating temperature of either the internal or external environment, whichever is higher.

A check should be made to ensure that the selected pipe pressure rating is also sufficient to safely withstand any momentary pressure surges above normal operating pressure. Pressure surges tend to occur during pump start-ups or shut-downs, and also during sudden pump stops caused by emergencies, such as loss of power.

A sudden pump stop can sometimes also result in flow separation, giving rise to a momentary reduction in pressure along some portion of the pipeline. Since underwater pipelines can be subject to relatively large external hydrostatic pressure, flow separation can sometimes lead to a significant net negative internal pressure. A check needs to be made to ensure that the pipe DR that has been selected based on maximum internal pressure considerations is also adequate to safely resist buckling, or pipe collapse, under the largest net negative internal pressure that could ever develop from whatever cause. The ballast weights that are attached to PE pipe for purposes of its submersion also fulfill an important role as ring stiffeners that tend to enhance a pipersquo;s inherent resistance to buckling. Common design practice is to accept this benefit as an added “safety factor,” but not to directly consider it in the design procedure for selection of a pipe of appropriate ring stiffness. As mentioned before,the DR is chosen as 21.

Step 3 Determination of the Required Weighting, and of the Design and the Spacing of Ballast Weights

The determination of these parameters is made in accordance with the following sub-steps.

Step 3a Maximum Weighting that Allows Weighted Pipe to be Floated into Place

The buoyant or vertical lift force exerted by a submerged PE pipe is equal to the sum of the weight of the pipe and its contents minus the weight of the water that the pipe displaces. This relationship can be expressed mathematically as follows:

(1) F<s

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第五节．海洋HDPE管的安装设计

在海底管线安装和服务期间，海底管线的安装可能包含大量的管线整体性危险。规范给出的安装设计PE管仅限于这个工程项目。本节的主要重点是利用轻质和柔性PE管通过浮沉的方法使水下管线的设计和安装成为可能。在一定的条件下—例如当它不可能延长导航足够长的时间以至于去启动和下沉一段管线时—它就可能是必要的，或者它可以是更接近实际，使用“浮沉”方法的变体是本文中描述。在一种变体中，在每一端的凸缘的管道中的一个或多个单独的长段被组装并漂浮。然后，这些段下沉，通过潜水员将它们合适的放置并将螺栓连接在一起。另一替代方法是“底部 - 拉”方法，该方法简要地在这一节的末尾说明。

然而，无论使用哪种方法，一般设计和安装的原则适用于该“浮沉”方法也适用于其他方法。为此PE管道已被证明是非常适合的其他海洋应用包括临时水面管道，安装在沼泽土壤线和用于疏浚作业的线。这些简要描述。这些海洋应用的设计和安装作为用于“浮沉”方法描述按照基本相同的条件和原则进行。在几乎所有的水下应用，HDPE管道的设计和安装是由以下基本步骤组成：

1. 适当的管道直径的选择；
2. 在考虑预期安装和运行条件下适当的管SDR（例如，一个适当的壁厚）的选择；
3. 设计，重量和用于下沉和使管道保持在预定位置的的压载物的间距的频率的选择；
4. 用于分段，连接和启动管道的适当部位的选择；
5. 当需要时，准备水土过渡区和水下铺盖；
6. 管的各个长度段的装配成管的连续段；
7. 压载物的安装（这个步骤可以在与下一个步骤一起进行）；
8. 将连接成的管放入水中；
9. 浸没的管道到指定位置；
10. 水土过渡的完成

对每个步骤做法的大体指导如下。

第一步:适当的管道直径的选择

适当的管道直径的选择包括所需要达到设计放电率最小流量直径的估计。确认随后所需的管尺寸比（DR），它在步骤2确定之后进行。因为这是一个标准的外直径制成的管的实际内部直径取决于管DR时，公称管直径/ DR组合被最终选择需要的选择有一个实际的内径为至少一样大上述确定的最低要求的流径。如前面提到的，DN1500的选择。

第二步: 要求的DR或SDR的确定

在PE管的DR，与分配的最大静水设计应力的管材料的组合，应该允许管道在预期的最大安全操作持续在最大预期运行温度净内部压力。作为一个附加的“安全系数”通常的作法是向压力速率为内部或外部环境的最大预期运行温度，管道以其较高者为准。

需要进行检验，以确保所选择的管道压力等级也足以安全地承受任何瞬时压力高于正常工作压力波动。压力波动往往出现在开始或停止的时候和由于突发事件如动力损失造成突然停泵期间。

突然泵停止有时也导致流动分离，从而产生一个瞬间降低压力沿管道的某一部分。因为水下管道可经受相当大的外部流体静压力，流动分离有时会导致一个显著净内部负压力。检验需要确保已根据内部最大压力的考虑，选择了管道DR也足以抵御安全屈曲或管道塌陷，可能永远无论何种原因发展最大的净负的内部压力。附加到PE管的压载物的目的是使其浸没，同时还履行趋于提高翘曲管的固有电阻环加强件重要的作用。常见的设计实践是接受这样的好处作为一个附加的“安全系数”，但不直接考虑在适当的环刚度的管材选择的设计过程。如前面提到的，DR被选择为21。

第三步 要求的重量，设计和压载物的间距确定

这些参数的确定是按照以下子步骤进行。

第三步 a 允许在指定位置浮起的最大管线重量

通过浸没PE管所施加的浮力或垂直升力等于管及其内部减去管道置换水的重量的重量的总和。这种关系可以用数学式表示如下：

（1）F_B = [W_P W_C] – W_DW

其中

F_B =浮力，磅/英尺

W_P =管到重量，磅/英尺

W_C =管道内部重量，磅/英尺

W_DW =排出水重量，磅/英尺

由于PE的重量密度（〜59.6磅/立方英尺）只有比淡水稍低（〜62.3磅/立方英尺）的管有所贡献朝上的净浮力。然而，主要的升力来自管道的空气填充的内部容积。越大的厚度，较小的内部容积。因此，对于外径定的管子，所述内体积的大小由管壁厚度确定，并且由于管的实际壁厚可由管线直径比（DR）来表示，等式1可以重新整理如公式2可以从管的实际外来确定所得到的净浮力

所得净浮力力能够从实际外径，其DR（或SDR）中，向其中的管子充满空气的范围内，到其中的管浸没在水的密度和管线的密度来确定。

（2）

其中

FB=浮力，磅/英尺

Do=外径，英寸

DR=管道尺寸比例，无量纲

R =空气占据内管体积分数

rho;W=在PE管外的水密度，磅/立方英尺 英尺

rho;P=管材的密度，磅/立方英尺 英尺

rho;C=管道内容密度，磅/立方英尺 英尺

等式2的推导示于附录A-1。读者注意，公式（2）不考虑升力，可导致水流;请参阅附录A-2与此主题的更多帮助。

一个更加简洁表达等式2原理的具体形式如下：

(3) F_B = W_DW ['K']

其中

W_DW = 0.00545 D²₀rho;_w

简而言之，所得到的浮力（FB）等于考虑到内管容积和空气填充的程度和管道内的液体管的密度的潜在理论浮力（WDW）乘以浮力减小因子（“K”）。

这种方法是通过该浮力减小因子“K”通过管的DR和到它的内管容积充满空气中，R的程度影响的方式，由列于表1中的值在此表中的计算结果表明62.3磅/立方英尺：基于以下密度被计算。英尺为内部和管外部，和59.6磅/立方英尺水。英尺为PE管材。使用浸没式管道，其中所述线的一部分被空气所占据的净浮力的近似这些K值大大简化所涉及的计算。

表1 方程3.0的“K”的特征值

Pipe SDR	“K”为R，内管体积的分数的函数的值，该值是由空气所占据
9	-0.078	-0.107	-0.136	-0.166	-0.195	-0.604
11	-0.081	-0.113	-0.146	-0.178	-0.211	-0.667
13.5	-0.084	-0.119	-0.155	-0.190	-0.226	-0.723
17	-0.087	-0.125	-0.163	-0.202	-0.240	-0.776
21	-0.089	-0.130	-0.170	-0.210	-0.251	-0.817
26	-0.091	-0.133	-0.176	-0.218	-0.260	-0.850

“K”是最大潜在浮力的分数。 “K”的准确值由管外径比（SDR），管道材料和液体密度和的程度（R）的特定组合确定为其中PE管填充有空气*

*在该表中的“K”值已使用等式2计算并基于以下假设：

62.3磅/立方英尺水外管内，并为PE管材59.6磅/立方英尺的密度。

“K”每次得到的值前的负号表示净向上或浮力。

第三步 b 确定最大允许PE管浮起的重量

当它是完全充满空气的PE管被加重，使得浸没重量等于WDW倍的“K”的相应值（即由管的外体积位移的水的重量）（例如，在表1的最后一列中给出的值），该管道实现中性浮力 - 它既不下沉也不浮起。因此，“K”表示管位移的分数，当由外部的加权的位置上的管抵消，结果是中性浮力。为了促进由PE管的浮动海上安装，以便它可以容易地被存储上述水中，然后被牵引和操纵到其预定位置的心的目标，需要一个附连到管的重量被限定于一个量仍然允许空气填充管自由浮动在水面上。为此，该做法是充满空气的PE管的重量限制在管的位移次数的约85％，对应于该管的DR的“K”值和管材料的密度和水，为例如，在表1中。这种做法的结果在空气填充管的重量要被安装的“浮沉”方法到最大极限的最后一列报道了“K”的值是可以变化，这取决于管道的DR，从管的位移为约57至75％。

第三步 c 确定要求管道在预定位置下沉锚固的最小重量

幸运的是，通过分析指示和由经验（1,2）证实，在大多数情况下在已经充满水的管线中配管的位移为25〜50％的重量是相当足够，可以保持正确锚固浸没PE管。较低的重量在那波浪作用相对较轻被发现令人满意的情况下，如湖口岸边，而较大的重量海装置用在海上行动是更强的。然而，即使是暴露在靠近岸边正常海况管道，它已经发现的管位移的约70％的重量是相当令人满意的（1）。如由表1中所示的值所指出的，这种程度的重量仍然允许大部分PE管漂浮时空气填充。

在一篇文章中总结了现有技术中使用塑料管道海底排污口的状态，詹森（3）报告说，根据以往的实践经验和理论研究，一台40英寸口径PE管线被安装在瑞典的地方，对于深度大于40英尺的管称重为它的位移的25％;并在冲浪区，其中该波打破和水深约10英尺，装载增加到位移的60％。接近岸边，在波浪作用是其最强的，这是常见的通过挖，以保护管道。在相对于沟槽管，詹森还报告说，当一个沟槽与细粒土回填，埋入管有时会从沟槽浮起，显然是充满流动的强波反应的结果。该参考文献还报道说，可以通过加权管道其位移的至少40％来避免从细粒回填浮动的可能性。

在其被表示管道，或线的某些部分，应该进行加权以在更大程度上，它允许管浮起而充满空气，所需压载物的附接可在两个阶段进行的情况下：初步加权进行以便仍然允许管道被浮动到的位置，然后在管道的淹没完成后所需的额外需要的加权相加。另一种选择是通过使用空槽或桶，或者硬质塑料泡沫材料的大的块作为管道被淹没那然后释放临时增加管的浮力。进一步的选择，这是在图1所示，是将所需要的压载物从该管是由已被设计雪橇的装置滑到底部的驳船附着在管，以确保管的弯曲小于可能的风险屈曲（参见管淹没的讨论）。

第三步 d 确保所需的权重不得通过空气滞留被盗用

如由表1适用于管被部分地填充有空气的“K”值的建议，甚至空气截留适量的可导致升力，可以显著减少管锚固的质量。例如，如果一个管道被衡量到它取代了水的25％，并在该管道足够的空气积存的部分占据教皇的内部容积的10％，空气产生的升力会降低有效加权在管道的到管道位移大约只有15％的部分。这种减少是一定要妥协对波流行动的管段的稳定性。因此，在管道系统的设计中的一个重要的目的是防止在浸没部分的所有部分的入口和空气的积聚。在排放系统中，有效手段之一为实现这一目标是利用一个喘振或“滴”室进入系统的设计，如在图2中的另一个预防措施是示出确保有沿浸入管道没有局部高点即可积累的空气或气体，特别是在低或无流动速率期间。

在空气或气体的某些积聚的可能性的情况下 - 其可通过化学反应放出 – 这无法避免，或其中所述线可以在一段时间内被清空，有必要补充足够的压载加权来抵消附加的负浮力，从而始终保持在管道预定位置。

第三步 e 确定间距和附加到管道上的压载物重量

用于限制压载物之间的间隔的本质基本同的那些用于建立支持间距要求为地上的悬浮管线。在这两种情况下，管道受到分布式负载 - 在水下管道的情况下，是流体，升力和波的共同作用。该设计的目的是限制所得管偏转从而使得到的最大纤维弯曲应力和应变是在安全范围内。对于在水下管线限制性偏转一个另一个理由是为了减少形成的腔，其中空气或气体可以积累的机会。由充满空气的腔中得到的升力，如果足够大，可以抵消浸没管线锚定的质量力。因为捕集空气的考虑，对淹没管支撑间距通常是由可允许管偏转限制 -通常最大弯曲应力或应变的标准下大得多偏转将被允许。

表2列出了常用的压载间距。为了满足目标为最小化滞留空气，在此表中的跨度比被地上悬挂管稍短。短跨度的一个额外好处是，他们更好地分配在海底，这往往仅提供适度的承载能力锚定负

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