非接觸式挖溝機(jī)在海管后挖溝中的應(yīng)用

宋春娜， 林守強(qiáng)， 崔寧， 齊兵兵， 田叢

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

非接觸式挖溝機(jī)在海管后挖溝中的應(yīng)用

宋春娜， 林守強(qiáng)， 崔寧， 齊兵兵， 田叢

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

海底管線是海上油氣田的生命線，一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)污染海洋環(huán)境，而且會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。挖溝掩埋作為一種經(jīng)濟(jì)且高效的海管保護(hù)措施，受到工程各方青睞。文中以實(shí)際工程為例，介紹非接觸式挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理，重點(diǎn)闡述了非接觸式挖溝機(jī)在海管后挖溝中的應(yīng)用。

海底管道；非接觸式；挖溝機(jī)；后挖溝

0 引言

海底管道是海上油氣田與陸地終端之間實(shí)現(xiàn)油氣運(yùn)輸?shù)闹饕问?，是海上油氣田的生命線。隨著海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)海洋石油管道的需求水漲船高，海底管道的重要性與日俱增。一旦海底管道發(fā)生事故，不僅會(huì)嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，而且會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對(duì)海管進(jìn)行保護(hù)處理，降低海管受外力損傷的可能性。

挖溝是一種非常經(jīng)濟(jì)且高效的保護(hù)海管措施，其一可以保護(hù)海管免受海底水流影響，增加海管穩(wěn)定性；其二大大降低了工程船拋錨時(shí)錨鏈對(duì)海管引起損傷的可能性；其三保護(hù)海管不受漁船的影響。因挖溝過(guò)程施工簡(jiǎn)單、成本較低、時(shí)間較短且對(duì)海管的保護(hù)作用非常顯著，如今已成為海上油田建設(shè)過(guò)程中不可或缺的步驟。海管挖溝作業(yè)用到的主要設(shè)備是挖溝機(jī)。挖溝機(jī)的選用及操作對(duì)挖溝工作的效率與質(zhì)量有著重要的影響。

本文結(jié)合黃巖海管挖溝項(xiàng)目，闡述非接觸式挖溝機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)以及在海管后挖溝中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

黃巖項(xiàng)目地處東海，位于上海東南約420 km，寧波東南約360 km，水深在94.4～108.3 m之間。項(xiàng)目挖溝海管長(zhǎng)度為16.2 km，直徑12in，附帶40 mm厚水泥配重層。挖溝深度為管頂距海床垂直距離1 m。土質(zhì)以軟泥、沙土為主，土壤最大剪切力26 kPa。

2 項(xiàng)目資源

本項(xiàng)目用來(lái)挖溝的項(xiàng)目資源主要有施工船舶、ROV系統(tǒng)以及挖溝機(jī)。

2.1 施工船舶

選用上海打撈局“聚力號(hào)”DP船。DP船在挖溝作業(yè)時(shí)比拋錨船具有更大的優(yōu)勢(shì)。可以根據(jù)海上風(fēng)浪的大小及方向改變艏向，最大程度上減少風(fēng)浪的影響，提高挖溝效率。因?yàn)橥跍蠙C(jī)本身沒(méi)有動(dòng)力，主要是靠船舶拖曳前行進(jìn)行挖溝作業(yè)。船舶的航行速度與靈活性在一定程度上就代表了挖溝機(jī)的挖溝速度與靈活性。

“聚力號(hào)”DP船：DP等級(jí)2級(jí)，船長(zhǎng)133.62m，寬35m，吃水6.8 m。甲板面積2 500 m2，可供ROV與挖溝機(jī)以及其他輔助工具同時(shí)擺放，滿足項(xiàng)目要求。

2.2 ROV系統(tǒng)

選用75馬力觀察級(jí)ROV。此項(xiàng)目主要是靠挖溝機(jī)進(jìn)行工作，ROV主要工作是調(diào)查管線路由以及查看沿途狀況。從成本上考慮，觀察級(jí)ROV可滿足項(xiàng)目要求，不需要150馬力的工作級(jí)ROV。

ROV外形尺寸：長(zhǎng)2.4 m，寬1.3 m，高1.4 m。重量1.85 t，工作水深1 000 m，可負(fù)載160 kg。附帶設(shè)備：攝像機(jī)、聲納、深度計(jì)、高度計(jì)、機(jī)械手等。

2.3 非接觸式挖溝機(jī)

根據(jù)項(xiàng)目要求，選用的是上海打撈局設(shè)計(jì)制造的非接觸式挖溝機(jī)。非接觸式挖溝機(jī)就是挖溝時(shí)與海管并無(wú)接觸，不存在挖溝機(jī)本體與海管管線之間硬性摩擦和擠壓情況，不會(huì)對(duì)海管表面涂層造成破壞，在實(shí)現(xiàn)挖溝功能的同時(shí)，有效保護(hù)海管的安全。

挖溝機(jī)外形尺寸長(zhǎng)9 m、寬5.5 m，高6 m；重量約50 t；最大功率1 300 kW；工作水深：0～300m；適用管徑：0～1 m；最大剪切力40 kPa。如圖1所示。

圖1 非接觸式挖溝

1）非接觸式挖溝機(jī)工作原理。由甲板收放系統(tǒng)控制挖溝機(jī)懸浮于海管正上方，使用大流量軸流泵抽水噴沖海管底部土壤，將管底土壤液化稀釋，并通過(guò)水流將土壤泥沙帶走，海管底部出現(xiàn)溝槽，讓管道利用自身重力而緩慢下沉，最終穩(wěn)定在溝槽內(nèi)。溝槽兩邊的松軟泥沙在海水作用下，回填至溝槽內(nèi)，對(duì)海管完成掩埋。

2）非接觸式挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)。非接觸式挖溝機(jī)主要由水面動(dòng)力站、水面控制中心、收放系統(tǒng)、臍帶纜、挖溝機(jī)本體組成。其中，動(dòng)力站由發(fā)電機(jī)和配電箱組成，主要提供交流電給控制中心、收放系統(tǒng)和挖溝機(jī)；控制中心主要負(fù)責(zé)控制挖溝機(jī)的運(yùn)行；臍帶纜是信號(hào)和電源傳輸?shù)拿浇椋煌跍蠙C(jī)本體包括軸流泵、聲納、TSS440、攝像頭、液壓源、變壓器等部分。

3 非接觸式挖溝機(jī)在后挖溝中的應(yīng)用

應(yīng)用非接觸式挖溝機(jī)進(jìn)行后挖溝作業(yè)時(shí)，挖溝機(jī)在甲板上的布局、挖溝機(jī)的操作使用，以及挖溝作業(yè)流程都非常重要。只有每一步都做好了，才能提高整體的施工效率。

3.1 甲板布局

如圖2所示，挖溝機(jī)在施工船舶上的布局，主要考慮兩方面的因素：一是考慮到安全問(wèn)題，挖溝機(jī)從甲板下放至海底，要盡可能地避開(kāi)船舶的推進(jìn)器；二是考慮到挖溝效率問(wèn)題，挖溝機(jī)是通過(guò)船舶拖曳前進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)挖溝的，甲板布置時(shí)要考慮到船舶在調(diào)整航向時(shí)也能挖溝。根據(jù)施工船舶“聚力號(hào)”實(shí)際情況，非接觸式挖溝機(jī)布置在甲板中間右舷位置上?！熬哿μ?hào)”根據(jù)海上風(fēng)浪調(diào)整船舶艏向時(shí)，挖溝機(jī)可以繼續(xù)進(jìn)行挖溝作業(yè)，減少因天氣待機(jī)的時(shí)間。

圖2 挖溝機(jī)甲板布局

牽引鋼纜布置在甲板的左舷，通過(guò)船底牽引挖溝機(jī)前進(jìn)。2條牽引鋼纜既可以給挖溝機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力，同時(shí)又可以根據(jù)船舶艏向，調(diào)整2條纜的長(zhǎng)度使挖溝機(jī)始終“騎”在海管上，保證挖溝質(zhì)量。如圖3所示。

圖3 牽引鋼纜

3.2 挖溝作業(yè)

挖溝作業(yè)共分為7個(gè)步驟：試挖溝、預(yù)調(diào)查、起始端造坡、海管挖溝、終端造坡、回填掩埋、后調(diào)查。

1）試挖溝。試挖溝是在正式挖溝作業(yè)前，在海管附近1 km范圍內(nèi)對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行一次完整的下放、挖溝、回收的挖溝試驗(yàn)。試挖溝的目的主要有兩個(gè)：一是試驗(yàn)挖溝機(jī)本身的性能，是否能滿足項(xiàng)目要求；二是確定挖溝機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，提高挖溝質(zhì)量與效率。非接觸式挖溝機(jī)是懸浮在海管上方進(jìn)行作業(yè)的，許多參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的海況進(jìn)行調(diào)整，例如挖溝機(jī)與海管之間的距離、挖溝機(jī)泵的流量大小、挖溝速度等等。調(diào)整這些參數(shù)最有效直接的方法就是在海管附近進(jìn)行挖溝試驗(yàn)，因?yàn)楹９芨浇暮５篆h(huán)境與海管路由上的基本一致，試挖溝得到的參數(shù)相對(duì)可靠。

試挖溝步驟：（1）下放挖溝機(jī)前對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格檢查；（2）通過(guò)收放系統(tǒng)緩慢下放挖溝機(jī)；（3）下放挖溝機(jī)離海床3m時(shí)，停止下放；（4）打開(kāi)軸流泵，進(jìn)行吹泥試驗(yàn)；（5）施工母船沿挖溝機(jī)艏向前進(jìn)；（6）前進(jìn)一段距離后，沿原路由返回；（7）聲納掃描檢查挖溝效果；（8）調(diào)整挖溝機(jī)高度，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；（9）調(diào)整軸流泵流量，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；（10）調(diào)整船舶航行速度，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)，最終得到的挖溝機(jī)主要參數(shù)：挖溝機(jī)距海床1.5m，同時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)泵，流量調(diào)整為20000m3/h，挖溝速度90m/h。挖溝機(jī)在該參數(shù)條件下，能夠滿足項(xiàng)目要求的挖溝效率和質(zhì)量。試驗(yàn)效果如圖4所示。

圖4 試挖溝聲納掃描圖

2）預(yù)調(diào)查。預(yù)調(diào)查通常是由ROV完成的。ROV攜帶定位信標(biāo)，“騎”在海管上方并沿其路由前進(jìn)。每行走10 m，對(duì)海管定位打點(diǎn)。ROV沿海管預(yù)調(diào)查時(shí)，除了準(zhǔn)確定位海管的路由以外，還要沿途查看海管所處狀況，例如海管上方是否有漁網(wǎng)，海管是否有懸跨等等。遇到特殊情況，重點(diǎn)打點(diǎn)記錄并匯報(bào)項(xiàng)目組，制定出相應(yīng)處理措施。預(yù)調(diào)查結(jié)果顯示，海管實(shí)際路由與設(shè)計(jì)路由偏差7 m左右。

3）起始端造坡。海管進(jìn)行正式挖溝階段，首尾兩端要進(jìn)行造坡。最大程度上減少海管在挖溝過(guò)程中所受到的應(yīng)力，降低海管損傷的可能性。若起始端沒(méi)有造坡，則海管會(huì)變成“S”形狀，受到海管自身的重力而產(chǎn)生變形，影響海管壽命，如圖5所示。

圖5 挖溝示意圖（未造坡）

根據(jù)海管技術(shù)要求，挖溝起始點(diǎn)要預(yù)留50 m海管，方便后續(xù)膨脹彎安裝工作。海管起始點(diǎn)為KP0.050，造坡長(zhǎng)度50 m。造坡有兩種方法：一種是保持挖溝機(jī)與海管距離不變，通過(guò)逐漸調(diào)大泵的流量實(shí)現(xiàn)；一種是保持泵的流量不變，逐漸下放挖溝機(jī)的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目選擇調(diào)整挖溝機(jī)的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)造坡。在挖溝起始點(diǎn)上，調(diào)整挖溝機(jī)與海管垂直距離為3 m，然后打開(kāi)軸流泵，調(diào)整挖溝速度為72 m/h，逐漸地下放挖溝機(jī)，下放速度約為每前進(jìn)10 m，下放0.3 m。前行50 m后，挖溝機(jī)下放1.5 m，造坡結(jié)束。造坡后，海管與海床緊緊貼在一起，減少所受應(yīng)力影響。如圖6所示。

圖6 挖溝示意圖（造坡后）

4）海管挖溝。海管挖溝時(shí)，根據(jù)之前試挖溝確定的各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整挖溝機(jī)處于海管正上方1.5m處，開(kāi)啟泵的流量為20000m3/h，挖溝速度為90 m/h，艏向與海管重合。由施工母船拖曳挖溝機(jī)沿著海管前進(jìn)，進(jìn)行挖溝作業(yè)。當(dāng)有側(cè)流影響挖溝機(jī)時(shí)，開(kāi)啟挖溝機(jī)兩側(cè)的噴嘴，抵消側(cè)流的影響。若側(cè)流過(guò)大，則需要調(diào)整母船的位置通過(guò)牽引繩來(lái)調(diào)整挖溝機(jī)的位置，使挖溝機(jī)保持在海管上方。挖溝過(guò)程中，對(duì)前期預(yù)調(diào)查所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)作出相應(yīng)處理，使海管緊貼溝槽底部，減少海管懸跨的發(fā)生。

挖溝過(guò)程中，可能會(huì)有暫停挖溝的情況發(fā)生。停止挖溝前，應(yīng)逐漸減小泵的流量繼續(xù)挖溝一段時(shí)間，使海管在挖溝前后形成一段坡度，長(zhǎng)度50 m為宜，減小受力影響。挖溝機(jī)再次下放入水時(shí)，切記不要直接在海管上方進(jìn)行下放作業(yè)。應(yīng)在水平距離海管5 m的地方下放，至距海床1.5 m的位置，停止下放。穩(wěn)定后，移船調(diào)整挖溝機(jī)位置，使其處于海管正上方，再進(jìn)行挖溝作業(yè)。

再次進(jìn)行挖溝作業(yè)時(shí)，沿海管路由后退100 m，開(kāi)啟軸流泵至20 000 m3/h，繼續(xù)挖溝。挖溝效果如圖7所示。

圖7 挖溝聲納掃描圖

5）終端造坡。在距海管終端100 m的時(shí)候，需進(jìn)行造坡作業(yè)，造坡長(zhǎng)度50 m。造坡方法與起始端造坡一樣，只是過(guò)程相反。通過(guò)逐漸提高挖溝機(jī)的高度來(lái)完成造坡，大約每前進(jìn)10m，提高挖溝機(jī)高度0.3 m，至50 m處結(jié)束。造坡結(jié)束以后，停泵回收挖溝機(jī)至甲板。

6）回填掩埋。后挖溝結(jié)束以后，通常要對(duì)海管進(jìn)行回填掩埋。挖溝機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，即可進(jìn)行回填作業(yè)?；靥顣r(shí)，注意回填的土壤里盡量不要含有較大石塊等容易損傷海管的物料。本項(xiàng)目中，海管路由區(qū)域土質(zhì)非常松軟，根據(jù)海底水流情況，選擇自然回填，不進(jìn)行回填掩埋作業(yè)。

7）后調(diào)查。挖溝結(jié)束以后，由第三方進(jìn)行后調(diào)查處理，提交調(diào)查報(bào)告。后調(diào)查是由工程船攜帶剖面聲納，沿海管路由進(jìn)行掃描，并定位打點(diǎn)。對(duì)海管管頂距海床不滿足1 m的地方，進(jìn)行標(biāo)記，并及時(shí)提交給項(xiàng)目組。項(xiàng)目組安排挖溝機(jī)進(jìn)行第二遍挖溝，直至滿足要求為止。由于前期準(zhǔn)備工作較為充分，挖溝過(guò)程非常順利。調(diào)查結(jié)果顯示，合格率在95%以上。

4 結(jié) 論

挖溝作為保護(hù)海管的重要措施，是工程項(xiàng)目中不可或缺的一步。非接觸式挖溝機(jī)因?yàn)槠浒踩?、高效、?jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，越來(lái)越受到工程各方的青睞，在未來(lái)的海上施工項(xiàng)目中，其應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

［1］ 熊海榮.海底管道后挖溝分析［J］.中國(guó)造船，2009，50：645-650.

［2］ 李文濤，葛彤.挖溝機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展［J］.航海工程，2010，39（4）：146-150.

［3］ 涂國(guó)才，祁堯飛，勒奕，等.海底管線挖溝機(jī)效率提升方法［J］.中國(guó)造船，2012，53：408-412.

（編輯：立 明）

Application of Non-contact Trencher on Subsea Pipeline Post-Trenching

SONG Chunna， LIN Shouqiang， CUI Ning， QI Bingbing， TIAN Cong
（COOEC Shenzhen Subsea Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China）

Pipeline is the lifeblood of offshore oil and gas fields.Once the subsea pipeline accident happened,it would not only pollute the ocean environment,but also cause significant economic disaster.Trenching and burying is one kind of economical and high-efficiency method to protect subsea pipeline,which is got everyone appreciation in offshore project.Taking the practical pipeline engineering as an example,the non-contact trencher structure and principle are described,the application of non-contact trencher on subsea pipeline post-trenching is introduced.

subsea pipeline;non-contact;trencher;post-trenching

TE 54

A

1002－2333（2014）04－0083－03

宋春娜（1981—），女，工程師，從事水下生產(chǎn)設(shè)施安裝與維修技術(shù)研究及技術(shù)管理工作。

2014-02-08