淺談犁式挖溝機(jī)海底挖溝技術(shù)

李欽朋 李彥曦 楊 昊 姜宇超 劉 野

（1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300000；2．深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

海底管線是海洋油氣輸送的生命線，如果海底管線直接鋪設(shè)在海床上，容易受到惡劣海洋環(huán)境和各種人為因素的影響，導(dǎo)致海管存在各種損傷。海床起伏過大會造成海管懸空及彎曲，惡劣海洋環(huán)境及海流沖刷會導(dǎo)致海管的振動疲勞損失，海底管道交叉及跨越會降低海管的穩(wěn)定性，船舶拋錨拖網(wǎng)會造成海管破裂。海底管線被破壞會給油田帶來經(jīng)濟(jì)損失，流入海洋的油氣會嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，必須對海底管線進(jìn)行保護(hù)。

常用的海管保護(hù)措施有水泥沙包填充、挖溝法、拋石、壓塊覆蓋以及安裝導(dǎo)流板法等。挖溝法是指在海底挖溝填埋管線，是進(jìn)行海管保護(hù)的一種安全有效的方法。海管位于溝槽中，避免了因水質(zhì)點(diǎn)動力作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時溝槽的存在可以防止管道在鋪設(shè)過程中受到機(jī)械損傷。

1 海底挖溝裝備

海底挖溝機(jī)是在海底進(jìn)行挖溝埋管作業(yè)的主要機(jī)械設(shè)備，它隨著海洋工程的發(fā)展而發(fā)展改進(jìn)，在海洋工程中占據(jù)了重要的位置。挖溝機(jī)按破土形式可以分為噴射式挖溝機(jī)、鉸吸式挖溝機(jī)、犁式挖溝機(jī)和機(jī)械式挖溝機(jī)等，按行進(jìn)方式分為牽引式挖溝機(jī)和自行進(jìn)式挖溝機(jī)。目前，國內(nèi)挖溝機(jī)以淺水噴射式為主，適用于50 m～60 m的淺海海域，土壤剪切強(qiáng)度50 kPa的海底挖溝作業(yè)。國外從20世紀(jì)40年代末開始研究挖溝裝備，主要挖溝裝備生產(chǎn)廠家有SMD、IHC以及Perry等，著名挖溝作業(yè)公司如Deep Ocean、Global Marine、Canyon等目前已形成較為成熟的挖溝機(jī)體系，涵蓋噴射式、機(jī)械切割式、ROV式以及犁式等（見表1），作業(yè)水深可達(dá)3 000 m。

表1 國際主要挖溝作業(yè)公司挖溝設(shè)備

1.1 噴射式挖溝機(jī)

水力噴射式挖溝機(jī)是依靠切割臂上的噴嘴產(chǎn)生沖擊力沖蝕切割海底土層，形成一定深度溝壑的挖溝機(jī)，如圖1所示。噴射式挖溝機(jī)的軸流泵抽吸海水，并通過噴射管形成高壓水射流，沖擊破碎土壤，在海底形成一定溝型和溝深的溝槽。噴射式挖溝機(jī)操作簡單，資源易于獲取，適用于淺海黏土及砂土屬性的海床，土壤剪切力一般小于60 kPa，適用于處理管道懸跨的海床修正作業(yè)，是目前應(yīng)用較為廣泛的挖溝裝備。但是該類挖溝機(jī)挖溝速度較慢，在處理高剪切強(qiáng)度土壤時作業(yè)效率較低。

圖1 噴射式挖溝機(jī)

1.2 鉸吸式挖溝機(jī)

鉸吸式挖溝機(jī)是通過切削鏈切削土壤形成溝槽的挖溝裝備。它通過切削鏈將海管兩側(cè)的土壤切削出槽，在底部形成較薄土墻，再通過高壓水射流將管道下方的土墻沖擊破碎液化，并通過抽吸泵將松散泥沙排出溝外[1]。鉸吸式挖溝機(jī)可用于硬質(zhì)海床或巖石的開挖，適用土壤范圍廣，最大破土強(qiáng)度可達(dá)400 kPa，大于采用一般噴射泵時破土能力僅為50 kPa的指標(biāo)，但它不適用于較多礫石的土壤環(huán)境。

1.3 犁式挖溝機(jī)

犁式挖溝機(jī)是通過犁鏵切割破碎海底土層和排泥系統(tǒng)將泥沙排出溝外，在海底形成溝槽的挖溝裝備，如圖2所示。犁式開溝機(jī)適合硬質(zhì)海床，不適合軟泥質(zhì)、松散土壤挖溝作業(yè)，一般土壤剪切力小于300 kPa，單詞挖溝溝深可達(dá)2.5 m，挖溝速度為4.3 km/d～10 km/d。管道開溝犁溝槽截面一般為“V”形，開溝的深度和寬度較大，溝槽邊坡形成較小的坡角，提高管道在溝槽中的穩(wěn)定性。

圖2 犁式挖溝機(jī)

2 海底挖溝技術(shù)

2.1 海底預(yù)挖溝

海底預(yù)挖溝是首先在海底進(jìn)行挖溝作業(yè)，然后將海管鋪設(shè)到溝槽中并進(jìn)行回填掩埋的挖溝工藝。預(yù)挖溝溝槽斷面坡度比好，溝底平整度高，挖溝溝槽較寬，但挖溝精度控制差，土方作業(yè)量大，易產(chǎn)生溝土回淤，需要人工回填溝槽。海底預(yù)挖溝多用于較淺水域的短距離管線，例如過河管線和登陸段部分等。對于特殊海床，例如地貌凹凸不平、巖石質(zhì)海底等部位也常采用預(yù)挖溝法[2]。預(yù)挖溝的挖溝裝備主要是挖泥船，如水路兩用挖掘機(jī)、鏈斗式挖泥船和抓斗式挖泥船等，施工時需要根據(jù)水文環(huán)境、挖溝深度、土壤類型和剪切強(qiáng)度等進(jìn)行選取。

2.2 海底同時挖溝法

同時挖溝法是同步進(jìn)行鋪管與挖溝作業(yè)的挖溝工藝。該方法需要在鋪管船的托管架末端安裝挖溝機(jī)，鋪管船通過拖曳纜連接挖溝機(jī)，由鋪管船拖曳挖溝機(jī)同時進(jìn)行挖溝與鋪管作業(yè)[3]。同時挖溝法節(jié)約了鋪管作業(yè)的時間，減少了作業(yè)成本，但適用范圍小，施工難度大，且易損傷海管。

2.3 海底后挖溝

海底后挖溝是先將海管鋪設(shè)到海底，再沿海管路由進(jìn)行挖溝作業(yè)的挖溝工藝。海底后挖溝一般包括試挖溝、預(yù)調(diào)查、造坡、挖溝施工、回填掩埋和后調(diào)查6個步驟[4]。試挖溝是通過在海管附近進(jìn)行挖溝試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)挖溝機(jī)自身性能，優(yōu)化挖溝機(jī)的作業(yè)參數(shù)。預(yù)調(diào)查是ROV沿海管路由前進(jìn)，調(diào)查海管路由的準(zhǔn)確性及周圍海洋環(huán)境。造坡是在挖溝起始點(diǎn)50 m內(nèi)造坡角，以減少海管在挖溝過程中受到的應(yīng)力，防止海管因重力發(fā)生變形。挖溝施工時作業(yè)船艏向與海管重合，施工母船拖曳挖溝機(jī)前進(jìn)，通過錨纜控制船舶移動，聲納監(jiān)控挖溝深度和寬度，DGPS監(jiān)控挖溝路由?；靥钛诼裥枰鶕?jù)海流及土壤情況選擇自然回填或人工回填。后調(diào)查是采用聲納掃描溝槽剖面，檢驗(yàn)溝型、溝深是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3 犁式挖溝機(jī)海底后挖溝

3.1 土壤分析和地質(zhì)調(diào)查

海底挖溝施工前需要進(jìn)行挖溝路由段的土壤分析和地質(zhì)調(diào)查，確定土壤參數(shù)，根據(jù)土壤類型和剪切強(qiáng)度選用適合的挖溝裝備。一般土壤按照顆粒直徑和單位體積重量進(jìn)行分類，常用土壤及巖石的（普式）分類表。影響土壤剪切強(qiáng)度的因素有土壤礦物成分、含水量、土壤結(jié)構(gòu)以及土壤原始密度等，土壤地質(zhì)勘查的常用實(shí)驗(yàn)方法有粒度分析實(shí)驗(yàn)、土粒比重實(shí)驗(yàn)、含水量實(shí)驗(yàn)以及密度實(shí)驗(yàn)等。

目前國內(nèi)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告多針對于導(dǎo)管架安裝、管線鋪設(shè)等施工作業(yè)，針對挖溝作業(yè)的地質(zhì)調(diào)查較少，無法適應(yīng)挖溝作業(yè)需求。一般海底管道地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查結(jié)果只分析到0 m～10 m的I類和II類土層，范圍過于籠統(tǒng)，無法給挖溝作業(yè)提供依據(jù)。挖溝作業(yè)需要更精確的調(diào)查數(shù)據(jù)，減小取樣間隔，精確識別特殊地質(zhì)；減小取樣深度，將取樣深度控制在5 m以內(nèi)，精確取樣范圍僅限于2 m～3 m的表層土壤；減小土層分析范圍，對1 m以內(nèi)的土壤做更詳細(xì)的土層分析。

3.2 海底挖溝前準(zhǔn)備

挖溝犁與施工支持船通過3條管線連接在一起，分別為拖拽纜、臍帶纜和空氣軟管，其中臍帶纜與空氣軟管通過浮球捆綁在一起，拖曳纜位于最下方，起到了拖拉挖溝犁的作用。挖溝前需要根據(jù)拖曳角度（15 °～25 °）、作業(yè)水深、拖曳力大小等計(jì)算拖曳纜的長度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果使用中間拖纜、短鏈節(jié)和防擦鏈來連接成整個拖曳纜；其中弱鏈接起保護(hù)作用，在拉力超過350 t時會斷裂，保護(hù)船舶和設(shè)備。拖拉纜一般按照挖溝犁拖纜-中間拖纜-短鏈節(jié)-中間拖纜-防擦鏈-絞車拖纜的順序連接（如圖3所示）。挖溝前還需要綜合施工母船與挖溝犁的作業(yè)特點(diǎn)，基于母船的拖曳力懸鏈線，分析拖曳力及溝深對挖溝速度的影響。正式挖溝作業(yè)前，需要在距海管1 km左右進(jìn)行試挖溝，通過進(jìn)行挖溝試驗(yàn)調(diào)整挖溝犁各項(xiàng)參數(shù)，提高挖溝質(zhì)量。試挖溝作業(yè)中要不斷調(diào)整挖溝犁高度、軸流泵流量等，通過聲納掃描溝型溝深，調(diào)整確定挖溝犁主要參數(shù)。

圖3 拖曳纜連接順序

3.3 海底挖溝作業(yè)

挖溝犁海底挖溝作業(yè)分為下放和就位、挖溝犁挖溝、挖溝犁回收3個步驟。

挖溝犁下放就位是指作業(yè)船（如圖4所示）在指定施工區(qū)域?qū)⑼跍蠙C(jī)座落在管線上。挖溝犁下放入水時，不能直接在海管上方進(jìn)行下放作業(yè)。應(yīng)在水平距離海管5m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)整挖溝犁的位置，使其處于海管正上方，挖溝犁就位完成后水下機(jī)器人（ROV）解勾，進(jìn)行挖溝作業(yè)。在挖溝犁下放過程中，絞車在開始階段采用主動升沉補(bǔ)償模式，便于控制挖溝犁精確就位，在接近海底管線時改為被動升沉補(bǔ)償模式，防止由于船舶起伏導(dǎo)致鋼絲繩松弛，減小挖溝犁接觸海床時造成的沖擊。

圖4 加裝挖溝犁的船舶圖片

在挖溝犁到達(dá)指定位置后，挖溝犁提管器閉合進(jìn)行抱管，調(diào)整排泥管的角度，根據(jù)挖溝深度調(diào)整滑靴高度。根據(jù)噴射泵的轉(zhuǎn)速、壓力決定挖掘溝壑的寬度和深度，要及時對挖溝犁噴射泵的壓力數(shù)值以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，保證挖溝的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)的管線挖溝需求[5]。

挖溝犁回收時首先調(diào)整滑靴高度結(jié)束挖溝作業(yè)，回收排泥板，打開犁鏵，打開托管滾輪將海管下放至海床，在挖溝犁上連接提升鎖具。然后將作業(yè)船移至遠(yuǎn)離海管等設(shè)施的安全區(qū)域，打開空氣浮箱排氣孔，同步回收提升鋼絲繩、拖拉鋼絲繩、臍帶纜和空氣軟管，最后回收A吊，將挖溝犁回收至甲板固定。

3.4 挖溝犁應(yīng)急處理

挖溝犁在海上進(jìn)行作業(yè)過程中可能發(fā)生各種緊急情況，如拖曳纜拖力過大，導(dǎo)致拖曳纜中弱連接斷裂，挖溝犁水下失去液壓動力，ROV操作失效等，在施工之前做好各種應(yīng)急預(yù)案至關(guān)重要。

施工母船拖曳挖溝犁前進(jìn)過程中，如果船舶拖力突然增大，當(dāng)拖曳力超過弱連接的許用應(yīng)力時，“弱連接”（WEAK LINK）會斷裂，保護(hù)船舶和挖溝犁設(shè)備安全。此時挖溝犁和部分拖曳纜位于海底，需要ROV將斷裂的拖曳纜打撈至甲板，并重新連接拖曳纜。

挖溝犁在水下自身失去液壓動力后，需要船舶甲板液壓動力站（HPU）提供應(yīng)急液壓，由ROV將應(yīng)急絞車液壓管連接到挖溝犁上，應(yīng)急操作面板上有ROV操作閥手柄，可使用ROV機(jī)械臂操作其旋轉(zhuǎn)，控制液壓閥實(shí)現(xiàn)挖溝機(jī)油缸動作，完成回收作業(yè)。

如果HPU提供的應(yīng)急液壓仍無法恢復(fù)挖溝機(jī)動力，則需要ROV攜帶液壓剪，依次切割挖溝犁上相應(yīng)油缸的液壓管，使用吊機(jī)回收挖溝犁，依靠吊機(jī)和管道自身重力使抱管架和犁鏵與海管脫開，實(shí)現(xiàn)挖溝機(jī)回收。首先調(diào)整船舶艏向，確認(rèn)連接挖溝犁提升索具，ROV連接應(yīng)急纜到犁鏵卸扣；切割托輥架液壓缸回路液壓管，托輥架將在管道自重下下降；切割托輥液壓缸回路液壓管，托輥將在管道自重下打開；切割犁鏵液壓缸回路液壓管；切割排泥板液壓缸回路液壓管；提升挖溝犁至離開泥面，利用船舶吊機(jī)打開犁鏵、提起排泥板；海管由于自重安全釋放至海床，移船至安全區(qū)域，回收挖溝犁至甲板。

4 結(jié)語

海底挖溝是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的海管保護(hù)方法之一，是最理想的海管保護(hù)方案。在挖溝前，應(yīng)用海底淺層取樣技術(shù)進(jìn)行挖溝判斷，挖溝管道分析技術(shù)進(jìn)行挖溝分析；在挖溝過程中，通過挖溝設(shè)計(jì)體驗(yàn)優(yōu)化挖溝機(jī)的性能，通過挖溝方案設(shè)計(jì)優(yōu)化挖溝方案；挖溝完成后，通過挖溝機(jī)軟硬件及配套工具的開發(fā)提升挖溝裝備的協(xié)同作業(yè)能力。研究海底挖溝技術(shù)，進(jìn)行挖溝團(tuán)隊(duì)建設(shè)和技術(shù)能力建設(shè)，掌握一定的挖溝能力，對于保障海底油氣輸送，實(shí)現(xiàn)增儲上產(chǎn)具有重要的意義。