專業(yè)挖溝船的設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)

彭秀清, 黃秋云, 蔣勇剛, 徐進(jìn)初

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著陸地油氣資源的枯竭，油氣開發(fā)不斷向海洋擴(kuò)展，海底管線作為海洋油氣輸送工具，具有安全、高效、連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為油氣輸送的主載體，是連接海上石油平臺(tái)與陸地的重要通道。海底光纜作為國際互聯(lián)網(wǎng)的骨架，在國際互聯(lián)互通中起著重要作用，增加光纜敷設(shè)是大勢(shì)所趨。同時(shí)，海底電纜作為島礁的能源供給和岸礁通信，相對(duì)建設(shè)燃料供電站，具有運(yùn)行成本低、維護(hù)簡單、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于分布有6 000多個(gè)沿海島嶼的中國而言，將起到能源輸送的重要作用。上述在國家海洋開發(fā)起到重要作用的海底管線、光纜和電纜，若裸露敷設(shè)在海床上是極不安全的，易受風(fēng)浪、潮流、海床滑移、沉積物遷移、海底地貌凹凸不平等自然因素以及船舶錨具、漁船拖網(wǎng)等人為因素的損壞。為保證海底管線、光纜和電纜長期安放于海底，需挖溝埋設(shè)，而挖溝船就是該項(xiàng)作業(yè)的關(guān)鍵工具。

目前國內(nèi)還沒有專業(yè)的挖溝船，主要依賴租賃進(jìn)口挖溝船或者改裝已建船舶，2015年交付的“海洋石油291”多功能船，具有犁式挖溝作業(yè)能力，但存在作業(yè)能力弱、不全面等問題。

為改變國內(nèi)沒有專業(yè)挖溝船的現(xiàn)狀，降低挖溝作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率,減少對(duì)外租船舶的依賴，海油工程總公司經(jīng)對(duì)國內(nèi)外市場(chǎng)的深入調(diào)研和考察，決定建造1艘管道挖溝動(dòng)力定位工程船。

該船為國內(nèi)自行設(shè)計(jì)、建造，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是首艘功能齊全、性能先進(jìn)的挖溝作業(yè)船舶，主要用于海管挖溝、應(yīng)急搶修、膨脹彎安裝、電纜敷設(shè)、遙控?zé)o人滑水器(Remote Operated Vehicle, ROV)和飽和潛水支持等作業(yè)。

1 主要作業(yè)原理和設(shè)備需求

中國沒有專業(yè)的挖溝船，在設(shè)計(jì)和建造上都存在空白。在與船舶所有人的充分溝通中了解到，幾種挖溝機(jī)[1]各自重約80 t，常見挖溝作業(yè)分為犁式挖溝、噴射式挖溝(自行式和拖曳式)和機(jī)械式挖溝[2]。本船的作業(yè)方式設(shè)計(jì)為噴射式挖溝，其主要作業(yè)需求有：艏部海管挖溝作業(yè)、艉部海管挖溝作業(yè)、艉部海管膨脹彎安裝、海底埋纜作業(yè)、潛水作業(yè)和ROV支持。其主要作業(yè)原理分別如下。

(1) 艏部海管挖溝作業(yè)。挖溝機(jī)由鋼絲繩牽引工作，鋼絲繩由艏樓的35 t絞車收放，經(jīng)艏樓前的4滾輪導(dǎo)纜柱限位，繞過艏柱上的限位凹槽連接挖溝機(jī)。挖溝機(jī)由艉部門架吊放下水(見圖1)，挖溝機(jī)的電源由上建后壁的工作取電箱供電，經(jīng)100 t吊機(jī)配合下發(fā)臍帶電纜連接挖溝機(jī)。挖溝機(jī)騎在海管上由鋼絲繩牽引行走(見圖2)，挖溝機(jī)的電纜和提升鋼絲繩由100 t吊機(jī)輔助跟隨挖溝機(jī)行走。挖溝機(jī)由船舶航行拖帶在海管上行走[3]，通過噴管將海管下的泥沙吹松后，由吸管把泥沙抽走排到旁邊，管路下沉進(jìn)行作業(yè)。

圖1 門架吊放挖溝示例

圖2 海管挖溝作業(yè)示例

挖溝機(jī)的方向應(yīng)盡量與海管方向一致，防止損壞海管。挖溝機(jī)的行走方向由船舶方向決定，因此船舶的方向應(yīng)盡量與海管方向一致，在作業(yè)中應(yīng)注意修正船舶方向。挖溝機(jī)挖溝時(shí)不能太快，須控制好速度，才能保證挖溝深度，挖溝機(jī)工作時(shí)由ROV輔助定位，自帶聲吶掃描確定挖溝深度。由100 t門架和100 t吊放絞車組合將挖溝機(jī)吊放入海，緩慢下放騎于海管上方，由水下聲吶進(jìn)行定位觀察和指導(dǎo)。

(2) 艉部海管挖溝作業(yè)。艉部海管挖溝作業(yè)類似于艏部海管挖溝作業(yè)，都是從艉部吊放挖溝機(jī)，只是牽引挖溝機(jī)作業(yè)的鋼絲繩1個(gè)在船首，1個(gè)在船尾。

(3) 艉部海管膨脹彎安裝。 安裝膨脹彎是鋪海管的重要一環(huán)，是用于平臺(tái)管路和海底敷設(shè)管路連接的橋梁，有效吸收管路熱脹冷縮，可以有效減少海管和平臺(tái)管的損壞。膨脹彎長約40 m，由艉部100 t帶波浪補(bǔ)償?shù)牡鯔C(jī)將其吊放到海底對(duì)應(yīng)位置，再由潛水人員配合定位安裝工作。

(4) 清管及試壓。在海管敷設(shè)完成后，由于焊接過程會(huì)導(dǎo)致海管中存在焊渣等雜物，影響原油輸送安全，為此需要進(jìn)行清管試驗(yàn)確保安全。清管工作主要是通過海工吊將清管發(fā)射器和接收器吊下海底與海管兩端連接，通過往發(fā)射端連接的管路灌注海水，使得帶鋼絲刷的清潔球從一端發(fā)射到接收端，將海管內(nèi)的焊渣等雜物帶走，達(dá)到清管目的。試壓與清管類似，需要海工吊將工裝管吊入海里與海管一端連接，另一端用盲板盲死，連接和盲死工作由潛水員完成，之后由船上往工裝管內(nèi)注水試壓，檢查船上試壓單元壓力表變化。

(5) 應(yīng)急搶修。應(yīng)急搶修是在海管發(fā)生泄漏時(shí)，通過海工吊將檢修器吊入海里定位到海管泄漏位，潛水員將維修器安裝好排水后，人員進(jìn)入檢修器維修管道，或者直接將管道補(bǔ)漏器用海工吊定位至海管泄漏位，由潛水員擰緊，維修好管路。

對(duì)挖溝船主要作業(yè)原理進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)這些功能，需配備以下設(shè)備。

(1) 為膨脹彎安裝、清管試壓、應(yīng)急搶修等作業(yè)支持的100 t海工吊(帶波浪補(bǔ)償)；

(2) 為挖溝機(jī)收放服務(wù)的100 t門架、110 t吊放絞車；

(3) 為艏部挖溝埋纜等作業(yè)支持的拖纜凹槽結(jié)構(gòu)(艏部作業(yè)限位)、4滾輪導(dǎo)纜柱、35 t拖曳絞車；

(4) 為艉部挖溝埋纜等作業(yè)支持的液壓擋銷(艉部作業(yè)限位)、110 t拖曳絞車；

(5) 為挖溝作業(yè)、潛水作業(yè)、ROV作業(yè)等供電支持的對(duì)外取電箱、作業(yè)配電板和操作站；

(6) 為挖溝和埋纜前行提供拖力的母船推進(jìn)系統(tǒng)；

(7) 供作業(yè)設(shè)備擺放用的充足的甲板面積。

2 關(guān)鍵設(shè)備裝船設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)要求

從第1節(jié)分析可以看出，挖溝船關(guān)鍵設(shè)備裝船設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)要求如下。

2.1 作業(yè)甲板

挖溝船需擁有寬敞的作業(yè)甲板，以保證擁有足夠的作業(yè)空間，也就要求艉部甲板設(shè)備、管路、舾裝件等需集中布置，避開作業(yè)區(qū)域。由于挖溝船綜合多種作業(yè)功能，主要作業(yè)區(qū)域集中于艉部門架區(qū)域(吊放拖曳式和犁式挖溝機(jī))、右舷FR 30～FR 72肋位(收放ROV、潛水鐘、自行式挖溝機(jī))、左舷FR 35～FR 72肋位(吊放膨脹彎、清管試壓收發(fā)接收器、應(yīng)急搶修檢修器)。因此，這些區(qū)域不能有阻礙作業(yè)的固定件，欄桿也必須做成可拆部件，作業(yè)時(shí)拆除。此甲板面布置的難點(diǎn)在于將透氣管和通風(fēng)管集中布置在不影響作業(yè)的區(qū)域，而且還不影響破艙穩(wěn)性，這就要求管路布置時(shí)采用一定技巧，即管路都要到船中安全區(qū)后再往前后穿過水密壁或加水密閥，以避免破壞穩(wěn)性。

2.2 100 t門架和吊放絞車

這2個(gè)設(shè)備組合為一套艉部吊放系統(tǒng)[4](見圖3)，用于收放拖曳式和犁式挖溝機(jī)。根據(jù)常用挖溝機(jī)的質(zhì)量和外形尺寸要求門架吊重100 t，門架吊高15 m，門架內(nèi)凈寬為12.5 m，外放角度約為50°，回收約23°，不與甲板吊干涉。吊放絞車能力在100 t，配合門架的行程設(shè)置導(dǎo)向滑輪，并且不影響挖溝機(jī)吊放作業(yè)。

圖3 艉部吊放系統(tǒng)甲板布置

吊放系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于門架和絞車的安裝。門架兩邊須盡量水平，才能保證門架兩側(cè)行程同步，確保吊放受力平衡，門架才能可靠耐用。絞車出繩通過滑輪導(dǎo)向后上到門架，須確保排纜器出繩角度與導(dǎo)向滑輪匹配，才能保證鋼絲繩的順暢，確保使用壽命。在建造過程中須注意：其一，廠家對(duì)于設(shè)備底座安裝要求較高，重點(diǎn)控制左右兩舷1 740 mm×6 290 mm加厚甲板的平面度和粗糙度符合精度要求，必要時(shí)進(jìn)行銑床加工；其二，注意定位準(zhǔn)確性,尤其需保證兩側(cè)軸承的同軸度和門架兩支腿座的平行度；其三，注意鉆孔攻牙的準(zhǔn)確性，避免錯(cuò)孔滑牙。

2.3 100 t吊機(jī)

依托船舶配置的100 t帶波浪補(bǔ)償海工吊作為膨脹彎安裝、清管試壓、應(yīng)急搶修、門架拆除等作業(yè)核心設(shè)備，受吊放物件尺寸和質(zhì)量等作業(yè)需求，配備100 t@15 m吊寬，40 t@30 m吊寬、吊高約30 m、最大作業(yè)半徑為32 m、作業(yè)水深300 m、波浪補(bǔ)償速度80 m/min的吊機(jī)。其安裝關(guān)鍵在于筒體法蘭平面度的加工精度為0.2 mm[5]以及筒體對(duì)接焊，吊機(jī)后部不影響門架的使用，再次海上調(diào)試波浪補(bǔ)償系統(tǒng)。

2.4 100 t牽引絞車和液壓擋銷

這2個(gè)設(shè)備組合主要用于挖溝機(jī)尾部牽引作業(yè)，使得挖溝機(jī)順著管道行走挖溝，由牽引絞車產(chǎn)生拖力，液壓擋銷對(duì)牽引鋼絲繩限位。其安裝關(guān)鍵是絞車的調(diào)平和擋銷的焊接。絞車和液壓擋銷的調(diào)試重點(diǎn)是完成100 t拖力試驗(yàn)。

2.5 35 t牽引絞車、拖纜凹槽結(jié)構(gòu)和4滾輪導(dǎo)纜柱

在艏樓船中FR 148肋位處往后10 mm布置35 t牽引絞車、FR 155肋位附近布置4滾輪導(dǎo)纜和FR 148肋位附近布置拖纜凹槽結(jié)構(gòu)柱，組成艏部拖帶系統(tǒng)，主要用于挖溝機(jī)艏部牽引作業(yè)(見圖4)，由35 t牽引絞車產(chǎn)生拖力，經(jīng)4滾輪導(dǎo)纜柱限位繞過艏樓，再經(jīng)拖纜凹槽結(jié)構(gòu)限位，繞過艏柱到船底牽引挖溝機(jī)作業(yè)。

圖4 艏部拖曳作業(yè)圖

其安裝主要關(guān)注絞車的調(diào)平、拖纜凹槽結(jié)構(gòu)的焊接以及艏部牽引作業(yè)的試驗(yàn)。拖纜凹槽結(jié)構(gòu)呈W型，最厚處為130 mm，最薄為40 mm，形狀沿艏柱線型而變化，承受牽引繩的壓力。同時(shí)，拖纜槽長期浸泡在水里，焊接質(zhì)量非常關(guān)鍵，需要對(duì)其焊接進(jìn)行專門攻關(guān)。艏部牽引作業(yè)的試驗(yàn)是在水下，下水后很難驗(yàn)證，為此考慮將試驗(yàn)提前到塢內(nèi)，不同作業(yè)角度經(jīng)過拖曳驗(yàn)證后再下水，可降低驗(yàn)證難度，減少風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 對(duì)外作業(yè)接線箱

挖溝船對(duì)外支持飽和潛水、ROV作業(yè)、挖溝機(jī)作業(yè)及其他水下作業(yè)，其中最關(guān)鍵的支持是提供外供電源。外供電源需連接至對(duì)外作業(yè)的取電箱，而對(duì)外作業(yè)取電箱布置的位置既需方便作業(yè)設(shè)備的連接，又需保證水密，尤其不能影響作業(yè)。為了合理布置對(duì)外作業(yè)取電箱的數(shù)量和位置，結(jié)合作業(yè)需求和實(shí)船結(jié)構(gòu)，與船舶所有人充分溝通，最終確定在左舷煙囪后壁和船中甲板下布置挖溝機(jī)取電接線箱，單處容量滿足挖溝機(jī)作業(yè)需求，在岸電間、折臂吊筒體、煙囪后壁均設(shè)有用于輔助設(shè)備取電用的取電箱。滿足本船不同的作業(yè)模式需求。

2.7 對(duì)外作業(yè)智能操作站

依托船舶配置2套滿足2 級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)(DP 2)要求的綜合智能椅，其根據(jù)功能分為主、副操作椅。主操作椅負(fù)責(zé)DP操作，由1把操縱椅、1個(gè)控制器箱和3個(gè)27英寸外圍顯示器組成，并在椅子扶手上配置2個(gè)16∶9觸摸屏，可以對(duì)DP自動(dòng)控制系統(tǒng)、獨(dú)立Joystick系統(tǒng)、DP位置參考系統(tǒng)、推進(jìn)器手柄遙控系統(tǒng)、VHF/UHF無線電通信、DP模式和手柄控制位置轉(zhuǎn)換、集成監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)等進(jìn)行控制。副椅為作業(yè)操作椅子，由1把操縱椅、3個(gè)27英寸外圍顯示器組成，并在椅子扶手上配置2個(gè)16∶9觸摸屏，可對(duì)作業(yè)設(shè)備前后作業(yè)絞車設(shè)備等進(jìn)行全面監(jiān)控、操作和控制。在副椅的手柄上設(shè)置了門吊和3臺(tái)絞車的Joystick控制系統(tǒng)，可對(duì)絞車和門吊進(jìn)行控制。

2.8 800 kN推力的動(dòng)力系統(tǒng)

除了自行式挖溝機(jī)外，其他挖溝作業(yè)都需母船拖帶挖溝機(jī)沿海管前行挖溝作業(yè)。由于挖溝機(jī)重且在水下作業(yè)阻力大，需求的拖力大，其常規(guī)作業(yè)需求的最大拖力近800 kN。為此，在船舶設(shè)計(jì)時(shí)即要求所選推進(jìn)器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)組等配置能在現(xiàn)有船型下發(fā)出800 kN的推力，確保挖溝作業(yè)功能。

3 總 結(jié)

通過以上分析，掌握了挖溝船的主要作業(yè)需求及設(shè)計(jì)和建造難點(diǎn)(主要有絞車、門架、吊機(jī)的布置安裝，推進(jìn)動(dòng)力需求，作業(yè)供電布置及操作需求等)，不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)并優(yōu)化建造流程(艏部拖曳系統(tǒng)、門架的安裝方法等)，自主設(shè)計(jì)建造交付了國內(nèi)首艘具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)挖溝船。將設(shè)計(jì)建造中的主要關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

(1) 挖溝機(jī)的吊放系統(tǒng)。核心在于布置安裝門架和吊放絞車，設(shè)計(jì)中控制門架和吊放絞車鋼絲繩行走角度應(yīng)在要求范圍內(nèi)，難點(diǎn)是做好門架安裝方法的策劃和安全控制，同時(shí)還需注意鋼絲繩繞繩需一定預(yù)緊力，才能確保挖溝機(jī)的吊放系統(tǒng)可靠好用，為挖溝機(jī)的收放提供保障。

(2) 膨脹彎安裝和潛水等水下支持系統(tǒng)。核心在于100 t吊機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝，設(shè)計(jì)中控制門架與吊機(jī)的間距，應(yīng)分別設(shè)置防止碰撞限位，起吊能力需滿足水下起吊100 t能力，安裝中注意底座平面度的控制，做好波浪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)試工作，才能為膨脹彎安裝和潛水支持系統(tǒng)提供可靠保障。

(3) 艏部和艉部拖曳系統(tǒng)。核心在艏絞車、4滾輪導(dǎo)纜器、拖纜凹槽結(jié)構(gòu)、艉絞車、液壓擋銷等設(shè)計(jì)布置和安裝，難點(diǎn)在于艏部拖曳系統(tǒng)的4滾輪導(dǎo)纜器、拖纜凹槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝，同時(shí)還需注意鋼絲繩繞繩需要一定預(yù)緊力，才能保障艏部和艉部拖力試驗(yàn)順利，是保障艏部和艉部挖溝、埋纜作業(yè)的關(guān)鍵。

(4) 作業(yè)支持系統(tǒng)。其核心是合適的甲板區(qū)域、充足的動(dòng)力、配電箱布置、操作站的設(shè)置，設(shè)計(jì)中需合理布置作業(yè)甲板、核定好動(dòng)力系統(tǒng)的配置、確定作業(yè)取電位置、配置操作站上操作狀態(tài)的需求，只有做好這些才能使作業(yè)支持系統(tǒng)發(fā)揮設(shè)計(jì)功效。