海底管道挖溝技術(shù)與設(shè)備的分類及適用范圍

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海底管道挖溝技術(shù)與設(shè)備的分類及適用范圍

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

為了保證海底管道的穩(wěn)定性并降低其受第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)，通常對(duì)淺海海底管道采用挖溝埋設(shè)方式進(jìn)行保護(hù)。介紹了海底管道挖溝埋設(shè)法的技術(shù)特點(diǎn)及其設(shè)備。對(duì)海洋工程常用的挖溝設(shè)備及其性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)對(duì)水下挖溝方法及其施工機(jī)具的選取進(jìn)行了論述。相關(guān)原理和技術(shù)可為埋設(shè)海底管道挖溝施工方案的前期研究提供參考。

海底管道；挖溝技術(shù)；施工設(shè)備；土壤

0 引 言

海底管道是連接油井與平臺(tái)及平臺(tái)與陸上儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的油氣輸送工具。為防止海底管道遭受破壞，工程上會(huì)采取多種保護(hù)方案和措施，最為常見(jiàn)的施工工序是開(kāi)設(shè)溝槽對(duì)管道進(jìn)行埋設(shè)[1]。這種既經(jīng)濟(jì)又有效的工程措施不僅能使管道免于因水質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力作用而發(fā)生失穩(wěn)，還具有保護(hù)管道防止受到機(jī)械損傷、消除或減小自由懸跨、抑制管道的隆起屈曲、增加管道的熱保溫效應(yīng)等效果。

目前，我國(guó)海底管道鋪設(shè)普遍采用S型鋪管法，一些水深較淺的項(xiàng)目會(huì)采用拖拉法或浮拖法。根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工要求，海底管道某些關(guān)鍵路由段需要預(yù)開(kāi)溝后鋪管，如登陸段(潮差帶)或航道(水道)段。而對(duì)于無(wú)特殊設(shè)計(jì)要求的一般路由段，通常都會(huì)在正常鋪管之后執(zhí)行挖溝。海底管道的埋設(shè)方法分為預(yù)挖溝埋設(shè)、后挖溝埋設(shè)及自埋式，對(duì)應(yīng)的常見(jiàn)挖溝設(shè)備有挖泥船、噴射式挖溝機(jī)、挖溝犁等。選取海底管道挖溝埋設(shè)方法及設(shè)備，一般要根據(jù)海域水文環(huán)境、路由地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)要求及工程經(jīng)濟(jì)性來(lái)統(tǒng)籌考慮。本文將重點(diǎn)針對(duì)海底管道挖溝技術(shù)及其相應(yīng)設(shè)備的性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 挖溝埋設(shè)法

按照鋪管的順序，海底管道埋設(shè)方法可分為預(yù)挖溝埋設(shè)和后挖溝埋設(shè)法。預(yù)開(kāi)溝埋設(shè)法為機(jī)械式挖溝，而后開(kāi)溝埋設(shè)法可分為機(jī)械式開(kāi)溝和自挖溝。自挖溝技術(shù)，即自埋法，是海底管道一種比較特殊的后開(kāi)溝方式。下面將逐一介紹各種挖溝埋設(shè)方法的特性及所使用的施工設(shè)備。

1.1 預(yù)挖溝埋設(shè)法

預(yù)挖溝埋設(shè)法，是在管道預(yù)定埋設(shè)位置，使用水下有關(guān)的機(jī)具設(shè)備，在管道鋪設(shè)之前把管道的海底溝槽按照規(guī)定要求開(kāi)挖出來(lái)，隨后再鋪設(shè)管道并進(jìn)行回填埋設(shè)的方法。該方法目前在海底管道登陸段(潮差地帶)、后挖溝船舶無(wú)法進(jìn)入的地帶及特殊保護(hù)段經(jīng)常采用。此法通常需要開(kāi)挖較大土方量，且需要工程回填。預(yù)開(kāi)挖溝槽斷面具有較好的坡度比，溝底平整度高，如圖1所示。

預(yù)開(kāi)溝按照使用設(shè)備的不同可分為抓斗式挖泥船開(kāi)挖、吸揚(yáng)式挖泥船開(kāi)挖、鏈斗式挖泥船開(kāi)挖、水下鏟斗式挖泥船開(kāi)挖和爆破方法開(kāi)挖。幾種不同的挖泥船如圖2～4所示。

圖1 預(yù)開(kāi)溝溝槽斷面圖Fig.1 Pre-trenching section

圖2 抓斗式挖泥船F(xiàn)ig.2 Grab dredger

圖3 吸揚(yáng)式挖泥船F(xiàn)ig.3 Pipeline dredger

圖4 鏈斗式挖泥船F(xiàn)ig.4 Bucket dredger

對(duì)于普遍的預(yù)開(kāi)溝作業(yè)，抓斗式挖泥船是一種最為常用的設(shè)備。該方法通過(guò)抓斗的自重切土挖泥，將裝滿疏浚土的泥斗提升至水面，開(kāi)斗卸泥。由于土方量較大，因此為防止抓斗內(nèi)懸浮物污染環(huán)境，應(yīng)在作業(yè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置淤泥屏障，限制渾濁水大范圍擴(kuò)散。

1.2 后挖溝埋設(shè)法

后挖溝埋設(shè)法是在管道鋪設(shè)以后或鋪設(shè)的同時(shí)，將管道埋置在海床面以下要求的深度。由于該方法效率高，因此在沒(méi)有預(yù)開(kāi)溝特殊要求的區(qū)域，通常會(huì)優(yōu)先考慮使用。根據(jù)挖溝的方式，后開(kāi)溝埋設(shè)方法可分為水力(噴射)式、機(jī)械式和犁式三種。水力(噴射)式挖溝機(jī)的基本原理是應(yīng)用高壓水把海床上的土壤沖開(kāi)吸走，機(jī)械式挖溝機(jī)是采用通常的挖掘方式把海床上的土壤挖走，而犁式挖溝機(jī)的工作方式與犁地類似。

水力(噴射)式挖溝裝置的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，安裝有一排垂直噴嘴，噴射泵將高壓水從噴嘴噴出，從而沖動(dòng)海底管道下方及周圍的土體。裝置上的吸泥泵同時(shí)會(huì)將沖動(dòng)后懸浮的泥漿吸走，管子靠自重沉入沖出的溝槽。挖溝機(jī)如圖5所示。

犁式挖溝裝置下方安裝類似于犁的機(jī)械挖掘機(jī)構(gòu)，由水面挖溝船或拖輪牽引前進(jìn)。該挖溝機(jī)會(huì)將海床土壤翻轉(zhuǎn)到溝的兩側(cè)，使管道靠自重沉入溝底。該裝置可通過(guò)改變犁的形狀而控制溝的型面，也可用于回填作業(yè)。犁式挖溝機(jī)如圖6所示。

圖5 水力(噴射)挖溝機(jī)Fig.5 Hydraulic jet trencher

圖6 犁式挖溝機(jī)Fig.6 Ploughing trencher

機(jī)械切割式挖溝裝置下方安裝有絞刀(具)，水下作業(yè)時(shí)對(duì)土壤實(shí)施機(jī)械式切割，使其剪切破壞，管道靠自重沉入溝底。該挖溝設(shè)備可在水面拖船的作用下通過(guò)夾緊管道前進(jìn)或是啟動(dòng)機(jī)械履帶在海底自我行走，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)械切割式挖溝機(jī)Fig.7 Mechanical cutting trencher

1.3 管道自埋技術(shù)

海底管道自埋技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的埋設(shè)方法。目前，阻流器代表了海底管道自埋法中最新的技術(shù)成果。如圖8所示，該裝置類似于固定在管道上的“鰭”，通過(guò)金屬鋼帶綁定在管道頂部。其工作原理是“鰭”片使管道的周圍產(chǎn)生渦流，反復(fù)沖刷管道底部的土壤，當(dāng)管道下方土壤逐漸出現(xiàn)孔洞時(shí)，管道會(huì)在自重和“鰭”動(dòng)力的共同作用下，逐步沉入海床。如管道埋設(shè)深度不足或海床表面出現(xiàn)沖刷，則該裝置會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)管道的埋設(shè)深度。該技術(shù)不僅比傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)溝所需的施工費(fèi)用低，而且在管道運(yùn)營(yíng)期間，避免了由于海床變化而造成管道懸空或裸露帶來(lái)的危險(xiǎn)。

圖8 阻流器Fig.8 Spoiler

2 挖溝設(shè)備的選擇

海底管道開(kāi)溝機(jī)械設(shè)備眾多，但目前還沒(méi)有一種在任何水深、管徑、海底土質(zhì)條件下都能經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行施工作業(yè)的萬(wàn)能型海底開(kāi)溝機(jī)械[2]。應(yīng)充分結(jié)合地域條件及工程經(jīng)濟(jì)性等因素合理選擇預(yù)開(kāi)溝設(shè)備和后開(kāi)溝設(shè)備。

2.1 預(yù)開(kāi)溝設(shè)備

此類施工機(jī)具應(yīng)根據(jù)海底土質(zhì)和水深等條件，選取合適的溝槽開(kāi)挖方法。各種開(kāi)挖方法適用的土壤范圍如表1所示。對(duì)于堅(jiān)硬底層，要預(yù)先爆破炸松后再用適當(dāng)?shù)臋C(jī)具在水下清理成要求的溝槽。

表1 預(yù)開(kāi)溝設(shè)備的選擇Table 1 Comparison of pre-trenching tools

2.2 后開(kāi)溝設(shè)備

噴射式挖溝機(jī)應(yīng)用較為廣泛，分為接觸式和非接觸式。常用于淺海(近海)海域及一般黏土及砂土屬性的海床。理論上可處理土壤剪切力在80 kPa以下的海床。平均作業(yè)水深為0～90 m，單遍挖溝深度最大可達(dá)3 m，挖溝速度普遍為1.5～2 km/d，可以處理管道懸跨的海床修正作業(yè)。

犁式挖溝機(jī)適合深海硬質(zhì)海床的挖溝作業(yè)，能有效防止土壤重新落回溝內(nèi)。理論上可處理土壤剪切力在300 kPa以下的海床。同時(shí)，由于挖溝犁通常較重，在松軟的土壤極易沉降，因此不適合軟泥質(zhì)、松散土壤的挖溝作業(yè)。對(duì)于硬質(zhì)土質(zhì)，溝深可達(dá)2.5 m，挖溝速度為4.3～10 km/d。一般不用于處理懸跨作業(yè)。

機(jī)械切割式挖溝機(jī)[3]作業(yè)水深范圍大，功率消耗低，適應(yīng)性強(qiáng)，且操作方便。按工作裝置作業(yè)原理，分為鏈?zhǔn)?、盤狀旋削式和柱狀銑削式挖溝機(jī)。理論上可處理硬質(zhì)海床，尤其是巖石質(zhì)海床。不適合較軟的黏土。對(duì)砂質(zhì)土壤或硬質(zhì)黏土工作效率低。溝深可達(dá)3 m，挖溝速度為7.2～13 km/d。一般不用于處理懸跨作業(yè)，且僅適用于處理小尺寸管道的挖溝作業(yè)。

2.3 自埋式挖溝設(shè)備

由于無(wú)需機(jī)構(gòu)作業(yè)，故自埋式挖溝設(shè)備[4]可節(jié)省大量人工和海上作業(yè)費(fèi)用。能減小海底管道所需的混凝土層厚度，制作費(fèi)用低，安裝方便，且能抑制管道的渦激震動(dòng)，有助于防止高溫高壓管道發(fā)生隆起屈曲。相比機(jī)械挖溝，該挖溝埋設(shè)過(guò)程對(duì)海底環(huán)境影響較小。適用于砂質(zhì)土壤海床或是海底沖刷比較嚴(yán)重的區(qū)域，理論上不適用于較硬土質(zhì)的海床。

綜上所述，無(wú)論選擇哪種挖溝機(jī)都應(yīng)重點(diǎn)考慮海床土壤情況，同時(shí)需要結(jié)合周邊管道分布、海上作業(yè)效率及施工難度等，全面考慮后才能做出合理選擇。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于埋設(shè)海底管道，選擇挖溝作業(yè)方法及相應(yīng)的施工機(jī)具，除應(yīng)考慮土壤屬性、設(shè)計(jì)要求、海床平整度、海上施工作業(yè)效率、對(duì)其他資源及環(huán)境保護(hù)的影響等技術(shù)上的因素外，還需結(jié)合施工成本及工期、施工的質(zhì)量及安全等因素綜合考慮。對(duì)于預(yù)挖溝埋設(shè)管線，由于開(kāi)溝方量較大，而且常需要拋石保護(hù)，從工程經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)合理選擇管線路由，避開(kāi)不良地質(zhì)條件及海洋功能區(qū)劃，盡量?jī)?yōu)化挖溝段的長(zhǎng)度和埋設(shè)深度。對(duì)于后挖溝埋設(shè)管線，若海床地質(zhì)情況良好，應(yīng)盡量選擇作業(yè)效率高且成本低廉的施工機(jī)具，如噴射式挖溝機(jī)。通過(guò)對(duì)海底管線挖溝方法及其設(shè)備的研究，本文認(rèn)為海管路由的土質(zhì)屬性應(yīng)作為選擇挖溝作業(yè)方式的首要因素。

[1] 余志兵，陳海龍. 海底管道在位強(qiáng)度分析[J].中國(guó)造船，2007，48(增刊):591.

[2] 遲令寶. 海底犁式挖溝機(jī)總體結(jié)構(gòu)研究[D] .哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[3] 張國(guó)光. 世界著名水下開(kāi)溝機(jī)械設(shè)計(jì)施工公司與機(jī)型介紹[J].海洋技術(shù)，1996(2)：53.

[4] 陳國(guó)祥，李春，唐海燕. 采用阻流板的海底管道自埋技術(shù)[J].中國(guó)造船，2005，46(增刊):365.

ClassificationandApplicationofOffshorePipelineTrenchingTechnologyandEquipment

GAO Song

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

To assure the stability of offshore pipeline and avoid hazard from the external environment, normally the pipelines are protected by trenching in the shallow sea. The pipeline trenching methods and installation tools are presented, and their function and characteristics are described. Furthermore, the selection of trenching methods and tools are studied. This research can provide the solution to trenching method of offshore burial pipeline in the earlier stage of engineering design.

offshore pipeline; trenching technology; installation tools; soil

2015-03-10

高嵩(1980—)，女，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2015)03-0205-04