基于落石管動力定位拋石船工作原理的淺水精準拋石施工技術

楊巍，馬洪新，楊寶峰，陳勇，黃昆，郭斌，王彬海洋石油工程股份有限公司，天津300461

基于落石管動力定位拋石船工作原理的淺水精準拋石施工技術

楊巍，馬洪新，楊寶峰，陳勇，黃昆，郭斌，王彬
海洋石油工程股份有限公司，天津300461

針對落石管動力定位船資源少且費用高的現狀，基于落石管動力定位拋石船工作原理設計了渤海等淺海海域精準拋石方法。詳細介紹了淺水精準拋石方法的設計思路與內容，采取以錨系浮吊和散貨船配合施工的方法代替動力定位船，以落石管底部安裝聲納的技術代替ROV監(jiān)測回填高度。設計的此淺水精準拋石方法能夠實現精準、快速拋石目的，且費用遠低于落石管動力定位拋石船。具體闡述了此技術在渤海海域某穿越航道的海底管道上的成功應用情況。

淺水拋石；落石管拋石技術；精準拋石

隨著海洋油氣田的大力開發(fā)，需要對海底管道進行拋石保護處理的情況越來越多，尤其是海底管道的懸空處理保護、挖溝回填保護和跨航道保護等。因此精準拋石變得越來越重要，近年來落石管動力定位拋石技術得到了快速發(fā)展。落石管動力定位拋石船能夠精準且較快地完成拋石，但其費用較高，對于渤海等淺水海域來講施工成本較高，且全球資源較少，2011年統(tǒng)計全球只有12艘落石管動力定位船，資源調動也相對困難。因此，借鑒落石管動力定位船的工作原理研究了適用渤海等淺水海域的淺水精準拋石技術，此技術既能實現精準拋石又能大幅削減船舶施工成本。

1 落石管動力定位拋石船工作原理

落石管動力定位拋石船由落石管模塊、落石管、石料儲斗、傳輸帶及專用ROV等組成，如圖1所示。

圖1　落石管動力定位拋石船組成示意

拋石船的動力定位功能能夠很好地實現船舶在深水的準確定位，并使船舶準確移船以保持船舶的穩(wěn)定性從而滿足施工條件。拋石船上的石料儲斗可裝載大量的石料，目前比利時Jan De Nul公司的Simon Stevin船能最大裝載33 500 t石料。儲斗內裝備一臺挖掘機，挖掘機將石料移送至傳輸帶上，傳輸至石料給料器，然后倒入落石管內，最終拋在海床位置。落石管模塊由多節(jié)落石管連接，落石管連接完成后最終離海床約幾米距離，其末端采用專用ROV不斷糾正水流產生的偏差，實現精準拋石。

2 淺水精準拋石施工技術

借鑒落石管動力定位拋石船的工作原理，進行了淺水精準拋石施工技術研究和設計。

（1）作業(yè)船舶的系泊與定位方面。鑒于使用海域為淺海，動力定位法一般在深海使用，且費用較高。因此設計采用常規(guī)的錨系浮吊船進行施工移船定位以保證施工的穩(wěn)定性，同時可為施工人員提供食宿。

（2）石料裝載方面。如對浮吊船改裝設計增加石料儲斗，實現的難度較大，且會產生大量的改造費用，因而設計使用散貨船，此類船舶自身能夠裝載大量石料，同時每艘運石船上配備兩臺挖掘機，用挖掘機來進行石料的拋填。浮吊船現場拋錨定位后，為實現散貨船的穩(wěn)定性，裝載大量石料的散貨船帶纜于浮吊船，通過浮吊船的絞錨移位來實現運石散貨船的準確移船定位。因施工時浮吊船需進行拋錨，因此選用的散貨船長度必須小于浮吊船。

（3）精準拋石方面。水下拋石施工易受水深、流速、流向等因素影響，如果挖掘機直接將石料倒入海里，最終石料到達海底會存在很大的偏移，無法實現精確拋石。因此也借鑒落石管動力定位船的做法，在散貨船一側的船舷中部焊接落石管，以減少石料到達海底的偏移量。由于此設計適用范圍為淺水，焊接的落石管可選用直接預制的直管道，管道長度根據施工處水深決定，一般比施工處水深小2 m左右。為便于不同粒徑的石料下落，管道直徑為1 m左右。在管道上端焊接一轉向結構并將其固定于船舷上。非施工時，通過滑輪組收緊管道底端鋼絲繩，使管道平行回收至船舷。施工時，放松滑輪組鋼絲繩將管道底端緩慢放入水中直至垂直海底，然后收緊前后兩條牽引繩使其固定。管道入水穩(wěn)定后，在其頂部插入漏斗，以方便挖掘機裝入石料。

（4）拋填高度方面。石料到達海底后，需觀測拋填高度。鑒于落石管動力定位船落石管底部的專用ROV成本較高，本次設計使用在落石管底部焊接兩個雙頻剖面聲吶，如圖2所示，使用聲吶隨時掃測監(jiān)控回填高度。

圖2　落石管底部裝載的聲吶設備

根據以上技術設計的淺水精準拋石系統(tǒng)如圖3、圖4所示，可以靈活選用符合要求的錨系浮吊船和散貨船，且無需對船舶進行任何改造，在保證淺海區(qū)域能實現精準拋石的前提下節(jié)省施工成本。

圖3　運石船拋石設計示意

圖4　浮吊船與運石船帶纜后的拋石設計示意

本次設計的淺水精準拋石技術與落石管動力定位拋石技術對比見表1，可以看出，與落石管動力定位拋石技術相比，此淺水精準拋石技術可用資源較多，能實現精準拋石，且費用遠低于落石管定位拋石船。

3 淺水精準拋石技術在海底管道保護上的應用

對于穿越航道的海底管道，航道活動將對海底管道的正常運行產生重大影響，尤其是疏浚、船舶的拋錨、拖網、沉船、大件落物及船舶的擱淺等都會對管道產生影響［4-5］。因此跨航道的海底管道一般都需進行拋石回填保護，跨航道的拋石回填必須按照設計要求進行精準拋石，如果拋填的高度低于設計高度，將達不到對管道的保護厚度，拋填高度高于設計高度時，將對后期的航道疏浚產生影響。下面以渤海某穿越航道的海底管道為例，具體闡述此精準拋石技術的應用。

3.1淺水精準拋石施工要求

表1　落石管動力定位拋石技術與本文技術對比

根據設計要求需對穿越航道的450 m海底管道進行精準拋石回填保護，回填厚度為3.5 m。該區(qū)域水深22 m左右，經過計算回填量約3萬m3。施工時選擇船長約90 m的錨系浮吊船作為定位船舶；選擇4艘船長約80 m、裝載量為3 000 m3左右的散貨船作為石料的運輸和拋石船，每艘船上都焊有直徑為800 mm，長20 m的活動落石管，4艘運石船往返于施工現場和碼頭運輸石料，運石船到達現場與浮吊船帶纜后再將活動的落石管通過絞車放入海里，落石管底部焊接有2個雙頻剖面聲吶，每艘運石船配有2臺挖掘機。

3.2精準拋石施工過程

（1）浮吊船到達現場就位后拋8個工作錨，將需回填的區(qū)域劃分為若干個邊長為2 m的正方形網格，計算每個網格內海底需要回填的石方量。

（2）當一艘運石船到達施工現場后，運石船帶纜于浮吊船（如圖5所示），再將落石管放入水中。

圖5　運石散貨船帶纜浮吊船

（3）利用DGPS對落石管位置進行定位，當落石管在某一指定的邊長2 m網格上方時，按照計算得出的該網格內需要的石方量，用挖掘機將石料倒入落石管內，如圖6所示。

圖6　挖掘機將石料送入落石管內

（4）因挖掘機倒入落石管內的石方量是估計量，需利用落石管下方的聲吶監(jiān)測此網格內的拋填高度，如圖7所示。若監(jiān)測發(fā)現此網格內回填量不夠，可再實時補拋適當石方量。

圖7　聲吶掃測到的拋填高度

（5）當網格內的海底回填高度滿足要求后，再通過浮吊絞錨移位帶動運石船的落石管移到下一網格位置。拋填時做好記錄，以保證拋填時不漏拋、不重拋，達到施工平整度。

（6）通過此方法對回填區(qū)域進行拋填，因落石管底端聲吶監(jiān)測的回填高度精度不高，故所有網格拋填完成后需使用多波束對所有回填區(qū)域高度進行精確掃測。對不符合要求的部位，需要再計算補填量并進行補拋。

根據此方法實現了3.5 m的拋石回填厚度，精準地達到了回填要求。

4 結束語

基于落石管動力定位拋石船工作原理設計的淺水精準拋石施工技術已經在渤海海域得到了很好的應用，該技術能夠實現淺水海底精準拋石回填，較好地達到設計的拋石要求。與落石管動力定位拋石船相比，節(jié)省了施工成本，可在以后的渤海等淺水海域拋石回填中推廣應用。

［1］梁富浩，張印桐，劉春厚，等.落石管拋石技術的發(fā)展及在我國深水油氣田開發(fā)中的應用前景［J］.中國海上油氣，2011，23（2）：135-139.

［2］TIDEWAY.Rock placement operations for BP-skarv project ［R］.the Netherlands：Tideway，2008.

［3］孫濤，朱長青.長江航道整治工程水下拋石施工工藝及質量控制［J］.水運工程，2012，417（10）：162-168.

［4］馬坤明，劉志剛，李慶，等.穿越航道的海底管道堆石保護設計方法研究與討論［J］.中國造船，2012，53（S1）：132-135.

［5］李學楠，雷震名，馬坤明，等.跨航道海底管線的保護［J］.中國石油和化工標準與質量，2012，32（7）：235.

［6］劉利佳，何錢金.淺析西氣東輸二線管道工程拋石回填施工方法及質量控制［J］.中國水運，2013，13（6）：276-277.

Accurate Rock Dumping Construction Technique in Shallow Water Based on Working Principle ofDP Ship with Rock Dumping Pipe

YANG Wei，MAHongxin，YANG Baofeng，CHEN Yong，HUANG Kun，GUO Bin，WANG Bin
China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China

Facing the current situation of less resource of DP ship with rock dumping pipe and high cost，the accurate rock dumping method used in shallow water is designed based on the working principle of a DP ship with rock dumping pipe.The design thoughts and contents are illustrated.In the design，an anchored floating crane and a bulk cargo ship are used together instead of one DP ship，a sonar is installed at the bottom of rock dumping pipe instead of ROVto monitor refilled rock height.This new technique can realize accurate and fast rock dumping with much lower cost than the DP ship with rock dumping pipe.Its successfullapplication in a subsea pipeline protection in BohaiSea is introduced in detail.

rock dumping in shallow water；technique using rock dumping pipe；accurate rock dumping

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.005

楊巍（1987-），男，四川綿陽人，工程師，2009年畢業(yè)于大慶石油學院測控技術與儀器專業(yè)，現從事海底管道方面的技術工作。Email：yangwei5@mail.cooec.com.cn

2015-12-26；

2016-04-10