#297 HDD - 20吋不鏽鋼管，允許的最大拉力

如果回拖的管道是 20吋不鏽鋼管，則需針對其特性重新計算允許的最大拉力，並設計具體的施工監控措施，以避免因拉力過大導致管道損壞或失效。

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1. 計算 20" 不鏽鋼管的允許最大拉力

(1) 參數假設

1. 管道材料：
   • 不鏽鋼通常為 304/316不鏽鋼，其抗拉強度 ($\sigma_{\text{tensile}}$) 約為 515 MPa（75 ksi）。
2. 管道尺寸：
   • 外徑 $D_{\text{outer}} = 20 \, \text{inch} = 508 \, \text{mm}$。
   • 假設壁厚 $t = 10 \, \text{mm}$（實際壁厚可根據設計確定）。
   • 內徑 $D_{\text{inner}} = D_{\text{outer}} - 2t = 508 - 2 \cdot 10 = 488 \, \text{mm}$。
3. 安全係數：
   • 取安全係數 $SF = 2.0$（適用於 HDD 工程）。

(2) 管道截面積計算

$$A = \frac{\pi}{4} \cdot \left(D_{\text{outer}}^2 - D_{\text{inner}}^2\right)$$ $$A = \frac{\pi}{4} \cdot \left(508^2 - 488^2\right) = \frac{\pi}{4} \cdot \left(258064 - 238144\right) = \frac{\pi}{4} \cdot 19920$$ $$A \approx 15,652 \, \text{mm}^2 = 15.652 \, \text{cm}^2$$

(3) 最大抗拉力

$$F_{\text{max}} = \sigma_{\text{tensile}} \cdot A$$ $$F_{\text{max}} = 515 \cdot 15.652 = 8,062 \, \text{kN}$$

(4) 允許最大拉力

$$F_{\text{allow}} = \frac{F_{\text{max}}}{SF}$$ $$F_{\text{allow}} = \frac{8,062}{2.0} = 4,031 \, \text{kN}$$

轉換為公噸（ton-force）：

$$F_{\text{allow}} = \frac{4,031}{9.81} \approx 411 \, \text{ton-force}$$

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2. 回拖過程中確保不超過允許拉力

(1) 設置拉力監控設備

1. 拉力傳感器：
   • 安裝於鑽機與管道之間，實時測量拉力，並記錄數據。
   • 設定 $411 \, \text{ton-force}$ 為警報閾值。
2. 鑽機自帶監控：
   • 若使用現代化的 HDD 鑽機（如 Vermeer 或 Ditch Witch 型號），通常自帶張力監控系統，可配置自動停止功能。

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(2) 優化施工工藝

1. 泥漿管理：

   • 配置適當的泥漿系統，降低孔壁與管道間的摩擦。
   • 泥漿配方可包含膨潤土和潤滑劑，粘度應根據地層條件調整。

2. 控制回拖速度：

   • 保持均勻速度（建議 1-1.5 米/分鐘），避免拉力突然增大。

3. 管道支撐與引導：

   • 確保地面管道的引導系統平滑，減少不必要的彎曲應力。

4. 分段回拖（若必要）：

   • 若管道長度超過 500 米，考慮分段回拖或使用中繼站減少拉力。

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(3) 緊急應對措施

• 拉力超標時立即停止：
  • 停止回拖作業並檢查原因（如泥漿流動不暢或孔壁摩擦過大）。
• 清孔操作：
  • 使用泥漿系統進行孔道清理，減少管道與孔壁的阻力。

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3. 特別注意事項

1. 彎曲半徑：

   • 確保回拖路徑的彎曲半徑符合不鏽鋼管的設計要求：
     • 最小彎曲半徑 = 管道外徑的 100 倍： $$R_{\text{min}} = 100 \cdot D_{\text{outer}} = 100 \cdot 508 = 50,800 \, \text{mm} = 50.8 \, \text{m}$$

2. 熱脹冷縮：

   • 若施工環境溫差大，需考慮不鏽鋼的熱脹冷縮效應，避免產生附加應力。

3. 抗腐蝕保護：

   • 在具有腐蝕性環境（如鹽水層）中，考慮為不鏽鋼管提供附加的外部防護層。

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4. 總結

對於 20" 不鏽鋼管 的回拖過程：

1. 允許最大拉力（安全係數 2.0）：約 411 ton-force。
2. 確保措施：
   • 使用拉力傳感器實時監控拉力。
   • 維護穩定泥漿流動以降低阻力。
   • 控制回拖速度並進行合理的管道支撐。
3. 避免損壞的關鍵：
   • 严格遵守允許拉力，並及時調整施工參數。

 

Part - 2

如果 Vermeer D130x150S 水平定向鑽機 沒有內建專門的拉力測量設備，可以通過鑽機上的一些壓力表數據進行間接計算來參考實時拉力。以下是具體方法：

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1. 使用液壓系統壓力計數據計算拉力

大多數水平定向鑽機（包括 Vermeer 型號）的回拖系統由液壓動力驅動，因此可以根據液壓系統壓力表的讀數估算拉力。

(1) 壓力與拉力的關係公式

$$F_{\text{pull}} = P \cdot A_{\text{cylinder}} \cdot \eta$$

• $F_{\text{pull}}$：液壓回拖拉力（單位：N 或 lbf）。
• $P$：液壓系統壓力（單位：Pa 或 psi）。
• $A_{\text{cylinder}}$：液壓缸的有效活塞面積（單位：m² 或 in²）。
• $\eta$：系統效率（通常在 0.85~0.95 之間，考慮能量損耗）。

(2) 液壓缸參數（假設數據）

• 液壓壓力 $P$：根據 Vermeer D130x150S 的操作參數，液壓壓力通常在 2,500 psi 至 4,000 psi 之間。
• 液壓缸直徑 $D_{\text{cylinder}}$：假設液壓缸直徑為 4 in（實際尺寸需從技術手冊獲取）。
  • 活塞面積 $A_{\text{cylinder}}$ 計算： $$A_{\text{cylinder}} = \frac{\pi}{4} \cdot D_{\text{cylinder}}^2 = \frac{\pi}{4} \cdot (4)^2 = 12.57 \, \text{in}^2$$
• 系統效率 $\eta = 0.9$（假設）。

(3) 計算回拖拉力

假設液壓壓力 $P = 3,000 \, \text{psi}$：

$$F_{\text{pull}} = P \cdot A_{\text{cylinder}} \cdot \eta$$ $$F_{\text{pull}} = 3,000 \cdot 12.57 \cdot 0.9 = 33,999 \, \text{lbf}$$

如果液壓壓力增至 $P = 4,000 \, \text{psi}$：

$$F_{\text{pull}} = 4,000 \cdot 12.57 \cdot 0.9 = 45,332 \, \text{lbf}$$

換算為噸力（ton-force）：

$$F_{\text{pull (ton-force)}} = \frac{F_{\text{pull (lbf)}}}{2,000}$$

• $33,999 \, \text{lbf} \approx 17.0 \, \text{ton-force}$
• $45,332 \, \text{lbf} \approx 22.7 \, \text{ton-force}$

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2. 監控壓力表的數據，設置安全閾值

1. 確定最大允許壓力

   • 根據管道的允許最大拉力（例如 411 ton-force，即 822,000 lbf），反推出液壓壓力的上限值： $$P_{\text{max}} = \frac{F_{\text{allow}}}{A_{\text{cylinder}} \cdot \eta}$$ 如果 $F_{\text{allow}} = 822,000 \, \text{lbf}$， $$P_{\text{max}} = \frac{822,000}{12.57 \cdot 0.9} \approx 72,762 \, \text{psi}$$ 實際上，這壓力值超出了鑽機液壓系統的能力（通常為 4,000 psi），因此液壓系統的壓力能力本身就具備某種限制。

2. 實時監控壓力表

   • 設置液壓壓力的警報閾值（例如 $P_{\text{safe}} = 3,000 \, \text{psi}$），一旦超過，應立即調整施工操作。

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3. 如何確保實時控制與調整

1. 記錄壓力-拉力對照表：

   • 在施工前計算並記錄液壓壓力與拉力的對應關係，供現場人員參考。

2. 操作規程：

   • 訓練操作人員根據壓力表數據調整回拖速度。
   • 確保施工人員了解允許的最大壓力與操作極限。

3. 升級設備：

   • 如果需要更高精度的監控，考慮安裝專用的拉力傳感器（Load Cell）來補充壓力計的間接監測。

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4. 結論與建議

• 壓力表監測是一種實用的間接方法，通過液壓壓力與活塞面積的關係，估算回拖拉力。
• 定期檢查與校準壓力表，確保讀數準確。
• 如果施工對拉力控制要求高，建議增加專用拉力傳感器，以進一步提高施工安全性。