國外深海多功能開溝機技術現(xiàn)狀及進展

株洲中車時代電氣股份有限公司 張向陽 郭園園

海底管道和電纜為維持其自身安全和在位穩(wěn)定性，免遭拖網(wǎng)漁具等的免遭損害，必須埋設到合理的深度。海底開溝機是埋設海底管道和電纜的重要設備。根據(jù)開溝成型方式，常用的開溝機技術主要有四種類型：機械開溝法、水利開溝法（噴沖式）、機械和水利結(jié)合開溝法、不開溝（管道自埋）進行海底管道埋設法。根據(jù)開溝順序分類，主要有三種，預開溝法：挖泥船開溝和爆破開挖；后開溝法：水力噴沖開溝機，機械式開溝機，開溝犁；同時開溝：開溝機或者開溝犁邊挖邊埋。

歐美國家在海底開溝方面研究較早，積累了大量的工程經(jīng)驗，已經(jīng)形成豐富的開溝設備產(chǎn)業(yè)，主要有SMD公司、IHC公司、FORUMPerry等。

我國在海底開溝設備方面起步晚，主要以簡易的開溝犁和噴沖式開溝機為主，并且開溝機本身無動力，靠母船拖拽行走，適應水深有限，無法完成深水區(qū)域硬質(zhì)海底的開溝任務。隨著海洋強國戰(zhàn)略的推進，我國在海上油氣管道和海底電纜鋪設以及深海采礦等方面將迎來巨大的機遇和挑戰(zhàn)。

海底開溝機的設計和作業(yè)需要大量的工程師經(jīng)驗。張國光、顧林生等人對國外海底開溝機資料進行了調(diào)研和評價，并對海底管道開溝機的技術性和經(jīng)濟性做出了分析。張新明、劉春光、張樹森等人對比總結(jié)國內(nèi)外目前常用的一些開溝機種類，海底開溝機更加多樣化和定制化。海底開溝機成本高，為了滿足更多的作業(yè)需求，一機多用逐漸受到客戶青睞。將開溝機分成主體機身和工具模塊兩大部分。主體機身作為水下作業(yè)平臺。針對不同的需求，開發(fā)出不同的模塊，包括射流噴沖，機械鏈據(jù)，射流抽吸，巖石鉆取等模塊。主體機身搭配不同的工具模塊，實現(xiàn)功能多樣化，一機多用。

海底多功能開溝機的開溝方式有多種，本 文搜集了目前國外最新的幾款開溝機，分為ROV型開溝機和重型開溝機兩類，總結(jié)了海底多功能開溝機的研究現(xiàn)狀，對海底開溝機設計、研究有重要的參考意義。

1 ROV型開溝機

ROV型開溝機，亦稱埋纜ROV，外形類似ROV。頂部有浮力材料，在水中重量輕，接地壓強小，最大工作水深在1500m～3000m，在水中可以自由飛行，自動化程度高，適合在海底軟粘度地區(qū)埋設電纜。對海況要求較低，可以實現(xiàn)不連續(xù)作業(yè)。

英國土壤機械動力有限公司（SMD）生產(chǎn)的QT系列的多功能ROV型開溝機，從QT300到QT2800均可以搭載多種作業(yè)工具包，例如，滑靴底座、射流工具、切割鏈（單鏈和多鏈）、切割盤、壓纜器、切削疏浚、巖心鉆取和勾纜器等。

英國Forum Subsea Technologies公司旗下的Perry? XT系列的ROV型開溝機，從XT300到XT1500系列。其中XT300適用于電纜維護作業(yè)，XT750到XT1500適用于堅硬土壤下開溝埋纜，可以自由飛行、履帶前進開溝、巡航檢測等。

1.1 QT500開溝機

QT500是SMD公司在2018研發(fā)一種ROV型電纜維護開溝機，既可以檢測和維護電纜，也能開溝埋纜。適應水深5m到2500m，開溝深度為2m和3m，埋纜直徑40mm到100mm（圖1）。

圖1 QT500開溝機（履帶行走模式）

通過切換滑靴和履帶，開溝機有兩種工作模式。

自由飛行模式：底部可安裝滑靴，適應軟土海床。長4.1m（TSS收回），寬3.2m，高2.8m；空氣中重12t，水中為零浮力，可以在埋纜前后探測海底電纜的狀況。

履帶行走模式：底部安裝一組履帶，適應硬土海床。長4.3m（TSS收回），寬3.7m，高3.0m；空氣中重11t，水中1t。

可搭載的工具模塊有多種：

主噴沖工具：配備一組2m噴沖臂和一組3m的噴沖臂，變速液壓噴沖動力高達450hp，噴沖壓力6bar到8bar。前列噴嘴和后置噴嘴能夠有效地液化土壤。兩條噴沖臂跨坐在電纜上，可以多次埋纜。3m深度需要多次埋纜。主噴沖臂的間距可遠程調(diào)節(jié)，寬度為50mm到400mm。

壓纜器：壓纜器位于主噴沖臂中間，獨立布放和回收。端部有電纜檢測傳感器，有效地檢測電纜位置，判斷埋設深度。

前置噴沖器：可以輔助敷埋直徑很小的纜。

后置抽吸系統(tǒng)：用于清理溝槽，形成更寬的溝槽，有助于埋設纜直徑更大的纜；

其他工具：根據(jù)作業(yè)需要可以搭載機械臂、手持噴沖器、切割器、抓取器、電纜檢測工具等。

1.2 XT1200開溝機

圖2 XT1200開溝機（履帶模式）

圖3 CTC UT-1開溝機

Perry XT1200適用水深3000m，主噴沖工具和壓纜器有1m、2m和3m三種規(guī)格，埋纜直徑150mm到915mm。最大埋纜深度為3m。長9m，寬6m，高3.9m。有滑靴模式和履帶模式兩種。在滑靴模式下可以自由飛行，前向速度2.5節(jié)，側(cè)向速度2節(jié)。履帶模式下，在空氣中總重32t。水平和豎直方向各配置5個推進器。履帶模式下前進速度為2500m/h?？梢赃x配電纜剪、電纜夾持器、抽泥泵等工具（圖2）。

1.3 UT-1開溝機

CTC MARINE公司的UT-1射流噴沖ROV型開溝機，額定功率2.1MW，輸出功率可達1.5MW，能夠在1500m深的海底開溝深度3m，可以多次沖埋，埋管的最大直徑為1.1m。開溝機總長9.4m，寬7.8m，高7.6m。空氣中總重63t。配備4個水平推進器，4個豎直推進器，尾部2個推進器，尾部推進器用于平衡機身。噴沖臂在0.75m到3m溝深下，可以以恒定角度噴沖海床。噴沖臂上部的噴嘴可以遠程打開和關閉。

開溝機的滑靴間距可以遠程調(diào)節(jié)，寬度為250mm到1200mm，滿足不同管徑的管道埋設。可選配搭載的工具有吸泥泵、噴沖臂端部回填噴嘴、壓纜器等。開溝機尾部的兩組吸泥泵和吸泥管，可以及時吸走泥沙，使溝槽更大更寬。主噴沖臂端部的后向噴嘴，可以進一步液化土壤，有效抵將管線埋到既定深度，還可以回填溝槽。壓纜器上有電纜檢測傳感器（圖3）。

2 重型開溝機

重型開溝機沒有浮力材料，通常比ROV型開溝機功率更高，體積和重量也更大，不能在海底自由飛行。用于硬土和巖石地質(zhì)下的開溝埋纜工作，自動化程度高，可以實現(xiàn)不連續(xù)作業(yè)。

2.1 CBT2400開溝機

CBT2400是SMD公司2019年設計生產(chǎn)的一款適應崎嶇地形的履帶式重型開溝機，可搭載多種開溝工具，包括鏈式切割，輪式切割和水力噴沖等。配備多個液壓動力單元，具有良好的兼容性，能夠在切割工具、抽吸工具和噴沖工具之間共享功率分配。每一臺電機都可以從地面供電、控制和監(jiān)控。該開溝機分為主體機身和兩套可更換的工具系統(tǒng)。

圖4 CBT2400主機身和工具系統(tǒng)

圖5 Hi-Traq開溝機

主體機身：

主框架采用采用高強度鋼。工作水深在4m到1000m。當水深小于4m時，可以從水面供水，進行射流開溝。主體機身長8.5m，寬8.3m，高6.4m。配備兩個推進器，用于輔助調(diào)整姿態(tài)。前后2個特制機械臂，由4功能機械手，和末端一個3功能抓斗組成，用于抓舉和提升海纜?？梢?60回轉(zhuǎn)，最大抓舉載荷2t，最大伸展距離7m。前置2個抽吸泵，用于抽吸碎土碎石等，排泄到開溝機兩側(cè)。前置TSS框架，用于尋找和跟隨海纜。前置小型噴沖器，可以將海纜埋到沙土中。頂部有100SWL的吊點，適用于5級海況回收。配備4組450kW水下電機。水下監(jiān)控系統(tǒng)包括8個相機，12只燈，5個云臺，4個聲吶，2組應答器，高度計，水聽器，水下慣導等。履帶系統(tǒng)為塑料履帶板，兩條履帶由獨立的液壓齒輪馬達驅(qū)動，并由單獨的閉環(huán)泵控制。軌道速度能實時監(jiān)控并顯示在操作員圖形屏幕上。

開溝機系統(tǒng)配置鏈式切割和后噴沖臂，鏈式切割工具安裝在開溝機腹部下方的擺動支架上，開溝狀態(tài)時，切割工具和海纜通道擺動到開溝機中央位置，非開溝狀態(tài)時，則回收到一側(cè)。切割工具通過一組液壓缸下放到合適的開溝深度，并且通過液壓缸的位置反饋，監(jiān)測開溝深度。切割鏈上配備截齒，能夠在中等強度的土壤中快速開溝。切割鏈上還有一組小噴嘴，用于清潔切割鏈。切割鏈挖出的碎土，通過開溝機前面的兩個抽吸泵排到開溝機兩側(cè)（圖4）。

開溝機降落在海纜正上方，前后兩個機械臂抓舉海纜到喇叭口和海纜通道上，然后切割鏈工具擺動到正下方，喇叭口和海纜通道閉合，切割鏈開始轉(zhuǎn)動，并下放到合適的深度，抽吸泵將切割鏈帶出來的碎石吸到開溝機兩側(cè)，后面的噴沖臂進一步噴沖溝型，并將海纜壓倒溝內(nèi)。

可以開溝的土壤剪切強度為100kPa到40MPa。開溝機總長15.7m，寬4.4m，高6.4m，空氣中重80t。開溝深度3.3m，適用于海纜直徑500mm，最小彎曲半徑5m。開溝機前后有喇叭口，前置喇叭口上有海纜感應器，檢測海纜或者管道的上下和左右的偏移角度。后噴沖臂由兩個600kW的水泵驅(qū)動，集成了壓纜器，噴沖臂可伸縮，最大深度可達3.8m。

2.2 Hi-Traq開溝機

荷蘭ROYAL IHC公司設計和生產(chǎn)的Hi-Traq開溝機是專注于海底復雜工況下開溝埋纜設備，可以在惡劣海流和波浪的工況下工作，獨特的四點履帶驅(qū)動，在海底跨越復雜地形和轉(zhuǎn)向上具有優(yōu)勢。分為主體機身和可更換的工具包。

主體機身：

長9.7m，寬8.5m，高6.2m?？諝庵兄?3t。功率1200kW。海底最大爬坡角度±20°，越障高度0.75m。降落時有自動朝向功能，牽引力控制調(diào)節(jié)履帶功率分配，自調(diào)平功能，實現(xiàn)最佳開溝和入坡和出坡方向。

噴沖工具包：

兩腿式噴沖臂，900kW噴沖功率，變速驅(qū)動，開溝深度為1.0m到3.3m，在空氣中總重61t（包括主體機身），噴沖臂間距為200mm到600mm，可以適應最大纜徑450mm，可拆卸式壓纜器，彎曲半徑為3m。

切割鏈工具包：

切割鏈功率600kW，抽吸功率300kW，在空氣中總重63t（包括主體機身），開溝深度2.3m，開溝寬度0.5m，可埋設最大纜徑400mm，彎曲半徑5m?？刹鹦妒綁豪|器，彎曲半徑3m。前后配置兩個3t的電纜抓舉臂，適應彎曲半徑5m。適應土壤剪切強度15kPa，開溝回轉(zhuǎn)半徑15m（圖5）。

3 技術發(fā)展趨勢

國外海底開溝機新技術在不斷發(fā)展提高，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

（1）功能多樣化。開溝機價值高，維護成本高，一機多用逐漸受到市場青睞。輕型ROV開溝機一方面可以在海底自由飛行，檢測電纜和地形等，另一方面可以安裝合適的小型噴沖工具，在軟泥土或者黏土等開溝鋪纜，還可以進行疏浚和鉆探等作業(yè)；重型開溝機配置不同的作業(yè)模塊，在沙土和巖石地質(zhì)中開溝鋪纜。

（2）模塊化。開溝機被劃分成越來越標準的模塊系列，例如標準系列的主體框架模塊、履帶模塊、水利噴沖模塊、切割鏈模塊、抽吸模塊、壓纜模塊、機械臂模塊等，通過不同模塊之間的拼搭，快速地組合出一套定制化的開溝機，響應市場需求。

（3）適應性寬。開溝機作業(yè)深度從幾米的淺水到三千米深水。通過增減浮力材料，搭載滑靴或者履帶，可以滿足軟土、硬土和巖石等多種地質(zhì)條件，一臺開溝機完成多段路由的開溝任務，降低施工成本。

（4）智能化。開溝機可以自動定深和定向，自動跟隨海纜路由檢測海纜或者埋纜，減少人為干預。