大管徑海管后挖溝技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新

呂偉俊，王磊，盧正超，王亮

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海管后挖溝是一種常用的海管后保護(hù)施工工藝，主要目的是防止船舶拋錨、漁業(yè)活動(dòng)等直接損傷海底管道。近年來，對(duì)海管后挖溝技術(shù)研究形成了一定成果[1-5]，但主要研究成果局限在常規(guī)海管的后挖溝技術(shù)研究。大管徑海管一般指管徑為30英寸以上的海管，這種大管徑海管主要用于外輸海管，而且由于管徑大，管線浮力大，不容易下沉，因而后挖溝難度較大。對(duì)這種大管徑海管的后挖溝技術(shù)研究分析非常有必要。

某項(xiàng)目工作內(nèi)容包括建造一座石化煉油廠和一個(gè)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，然后新鋪一條海底管道連接單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和煉油廠。該海管直徑為44英寸，有2.9公里海管需要進(jìn)行后挖溝，埋深要求為1m（埋深指海管頂部距離海床面的高度不小于1m）。管線基本信息如表1所示：

本項(xiàng)目海管路由所處的海床土壤地質(zhì)條件為淤泥，比較適合挖溝作業(yè)。水深變化比較大，2.9公里海管路由所處水深從32m變化到13m，對(duì)挖溝施工是一個(gè)挑戰(zhàn)。

現(xiàn)針對(duì)該管線的后挖溝施工技術(shù)進(jìn)行介紹，主要分析怎樣選取挖溝機(jī)，并對(duì)挖溝機(jī)工作原理、挖溝方案等進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1 挖溝機(jī)選取

表1 海管基本參數(shù)

對(duì)大管徑海管后挖溝施工首先要選擇合適的挖溝機(jī)，以該項(xiàng)目海管為例，其海管外徑達(dá)到1.3m，因此為了便于挖溝機(jī)水下就位，挖溝機(jī)前后導(dǎo)向距離不能小于1.7m。由于海管管徑大，因此要求挖溝溝深也比較大，這就不光要考慮挖溝機(jī)向下噴沖的噴嘴，也要考慮在挖溝機(jī)上增加向前噴射的噴嘴以增大其破土能力。同時(shí)由于管徑大，為防止挖溝作業(yè)過程中產(chǎn)生回淤導(dǎo)致海管不易下沉，因此要考慮增強(qiáng)挖溝機(jī)的抽吸能力。

公司自有挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 挖溝機(jī)原結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出公司原有的挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，挖溝機(jī)前后兩個(gè)導(dǎo)向用于挖溝機(jī)就位時(shí)騎跨在海管上，挖溝機(jī)本體上兩臺(tái)5000方軸流泵用于挖溝作業(yè)的水源供應(yīng)。該挖溝機(jī)可以用于小管徑海管后挖溝作業(yè)，不能滿足本項(xiàng)目44英寸海管的后挖溝需求，所以需要對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造。

首先通過擴(kuò)寬本體結(jié)構(gòu)，增加挖溝機(jī)前后導(dǎo)向臂之間的距離，然后將前導(dǎo)向改造為水面供源形式，增加供水軟管接口和噴嘴，將后導(dǎo)向改造為抽吸臂形式，增強(qiáng)挖溝機(jī)的抽吸能力。

改造后的挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 改造后挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 挖溝工作原理

2.1 水面供源系統(tǒng)

針對(duì)本項(xiàng)目海管管徑比較大的特點(diǎn)，決定采用水面供源方案以增加挖溝機(jī)向前的噴沖能力。公司自有清管泵抽吸能力可滿足船舶干舷高度最大為4m時(shí)的作業(yè)要求，而本項(xiàng)目挖溝作業(yè)船的干舷高度達(dá)9m，所以先需要使用海水提升泵將海水提升到水箱，然后使用2臺(tái)300方清管泵從水箱提水并通過軟管連接到挖溝機(jī)前端輔助噴沖臂，這樣在挖溝時(shí)通過輔助噴沖臂上的噴嘴實(shí)現(xiàn)破土，減輕挖溝機(jī)行進(jìn)前方的阻力。

施工時(shí)將1臺(tái)800方潛水泵（作用是提升海水）固定在船舷一側(cè)入水，連接潛水泵與水箱、2臺(tái)300方清管泵、挖溝機(jī)前端輔助噴沖臂之間的軟管。潛水泵固定和連接如圖3所示：

圖3 水面供源管線連接示意圖

在施工中首次使用玻纖軟管作為水面供源管線，新材料助力挖溝效率提升。玻纖軟管作為一種新型的輸送管道，具有強(qiáng)度高、柔性大、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。此次在挖溝作業(yè)中應(yīng)用該管線不僅是對(duì)新型管道的創(chuàng)新應(yīng)用，更節(jié)省大量前期準(zhǔn)備時(shí)間，提升后挖溝作業(yè)整體效率。

圖4 玻纖軟管應(yīng)用情況

玻纖軟管相比于傳統(tǒng)的橡膠軟管更加輕便，連接時(shí)無需吊機(jī)配合，且耐壓更高，施工時(shí)極大地節(jié)省了軟管連接時(shí)間，節(jié)省了工期。

表2 玻纖管線性能情況

2.2 大流量噴沖泵

挖溝機(jī)本體上搭載兩臺(tái)大流量軸流泵，軸流泵單臺(tái)功率為240kW，單臺(tái)流量5000m3/h，揚(yáng)程為10m。在安裝軸流泵噴嘴時(shí)，為了便于開溝，兩邊噴嘴布置時(shí)向中間有一定角度，這樣可以保證開溝溝型，利于管線下沉。

2.3 氣舉抽吸

將挖溝機(jī)抽吸臂與兩臺(tái)32m3/h的空壓機(jī)連接使用，通過氣舉抽吸原理，有效將溝內(nèi)淤泥排出，提升挖溝機(jī)排泥能力。

氣舉排泥原理為：當(dāng)噴射泵和軸流泵產(chǎn)生的高壓水將海管附近土壤沖成泥漿進(jìn)入氣舉臂后，在氣舉臂內(nèi)泥漿、海水、空氣組成了一種混合物，由于混合物中空氣的體積比較大，所以混合物的密度小于1.03g/cm3（氣舉臂外海水的密度），這樣在氣舉臂內(nèi)外產(chǎn)生了壓力差，在這個(gè)壓力差的作用下混合物被壓出氣舉臂外，達(dá)到排泥的目的。

表3 氣舉臂排泥量計(jì)算表

3 挖溝方案

3.1 總體挖溝方案

本項(xiàng)目海管后挖溝作業(yè)船通過定位系統(tǒng)在管線路由方向的正上方就位。作業(yè)船就位時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的作業(yè)錨位拋錨，并在定位系統(tǒng)上進(jìn)行校準(zhǔn)；一般在挖溝作業(yè)船的四周拋8個(gè)錨，位于船首4根錨纜盡可能長(zhǎng)，位于船尾的4根錨纜最大限度放短。這樣可以保證一個(gè)錨位船舶移動(dòng)距離盡可能遠(yuǎn)一些，挖溝長(zhǎng)度盡可能大一些，有利于提高挖溝效率。

挖溝船舶就位完成后，解除挖溝機(jī)的固定，通過船上吊機(jī)提起挖溝機(jī)旋轉(zhuǎn)到船尾，在船尾連接挖溝機(jī)牽引纜，連接挖溝機(jī)的水面供源管線和氣舉管線，連接完成后慢慢將挖溝機(jī)放入水中。

當(dāng)挖溝機(jī)到達(dá)距離海床面2-3m時(shí)，潛水員下水輔助挖溝機(jī)就位，潛水員出水后，啟動(dòng)挖溝機(jī)，通過回收位于船首的4根錨纜及釋放位于船尾的4根錨纜，實(shí)現(xiàn)船舶的移動(dòng)，進(jìn)行海管挖溝作業(yè)。當(dāng)一個(gè)錨位錨纜收、放到位后，通過交替更換錨位的方法移錨，實(shí)現(xiàn)連續(xù)走船，進(jìn)行后挖溝作業(yè)。

挖溝船工作示意圖如圖5所示：

圖5 挖溝施工示意圖

本項(xiàng)目由于海管管徑大，因此挖溝溝深比較大?？紤]到挖溝機(jī)作業(yè)能力，計(jì)劃兩遍挖溝成型。第一遍挖溝結(jié)束后，通過聲納和潛水員檢查的溝深效果，調(diào)整第二次挖溝時(shí)挖溝機(jī)的導(dǎo)向下放高度，并增加軸流泵噴沖臂短節(jié)0.5m長(zhǎng)度。本項(xiàng)目海管埋深要求1m，考慮到海管管徑和施工余量，溝深要求2.5m左右。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，第一次挖溝計(jì)劃達(dá)到溝深1.5m，第二次挖溝計(jì)劃達(dá)到溝深2.5m。

在挖溝過程中通過聲納監(jiān)控和潛水員下水檢查，及時(shí)掌握挖溝效果，及時(shí)調(diào)整挖溝方案。每一遍挖溝速度控制在1m/min，挖溝操作人員密切監(jiān)測(cè)挖溝機(jī)姿態(tài)、牽引拉力大小及挖溝機(jī)上聲納顯示的溝型溝深等數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整走船速度、挖溝機(jī)離地高度，必要時(shí)停船檢查。挖溝結(jié)束后根據(jù)后調(diào)查結(jié)果對(duì)局部不合格點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)挖作業(yè)。

3.2 本項(xiàng)目挖溝難點(diǎn)

3.2.1 海管起始法蘭KP0位置挖溝

常規(guī)海管后挖溝時(shí)，從海管起始法蘭位置預(yù)留25m左右不挖溝，采用放置水泥壓塊的形式進(jìn)行海管后保護(hù)。這樣對(duì)挖溝的好處是挖溝機(jī)就位比較方便，挖溝機(jī)就位時(shí)無需考慮海管起始法蘭的影響。本項(xiàng)目和一般海管挖溝要求不同，KP0（即海管起始法蘭位置）也要求挖溝。為了避免挖溝時(shí)對(duì)海管法蘭造成損傷，在挖溝時(shí)首先避開KP0位置海管，在挖溝機(jī)就位時(shí)保持挖溝機(jī)后面導(dǎo)向位置距離海管起始法蘭5m左右，即挖溝機(jī)就位位置在KP0.005。這樣先從KP0.005開始對(duì)海管進(jìn)行挖溝，待這段海管路由挖溝結(jié)束后，再對(duì)KP0-KP0.005這段海管路由采用挖溝機(jī)懸空吹掃的方式進(jìn)行挖溝。這樣就有效避免挖溝機(jī)就位時(shí)對(duì)海管起始法蘭造成損傷。

3.2.2 海管路由水深變化大

上文提到2.9km海管路由水深變化范圍達(dá)20m，因此在挖溝時(shí)要實(shí)時(shí)調(diào)整管線入水長(zhǎng)度以保證挖溝作業(yè)正常進(jìn)行，這一點(diǎn)要特別注意。現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的方法是每個(gè)錨位開始挖溝前計(jì)算管線入水長(zhǎng)度，該錨位挖溝結(jié)束后計(jì)算下一個(gè)錨位水深變化和管線入水長(zhǎng)度變化并及時(shí)調(diào)整管線長(zhǎng)度，確保挖溝正常作業(yè)。在挖溝過程中，隨著水深的變化，施工人員實(shí)時(shí)調(diào)整水面供源和氣舉管線的入水長(zhǎng)度，以保持挖溝作業(yè)正常進(jìn)行。以本項(xiàng)目為例，通過在AUTO CAD軟件上模擬，不同水深對(duì)應(yīng)的水面供源管線長(zhǎng)度和氣舉管線長(zhǎng)度如表4所示（該長(zhǎng)度指從船尾至挖溝機(jī)的管線長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)供參考）：

表4 不同水深對(duì)應(yīng)的水面供源管線長(zhǎng)度和氣舉管線長(zhǎng)度

4 結(jié)語

本文以某44英寸大管徑海管后挖溝項(xiàng)目為例，對(duì)挖溝機(jī)選取、挖溝機(jī)工作原理、挖溝方案等進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)選擇合適的挖溝機(jī)非常重要，如自有挖溝機(jī)無法滿足要求，需要對(duì)挖溝機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造。

(2)對(duì)于大管徑海管挖溝要增強(qiáng)挖溝機(jī)向前破土能力和抽吸能力，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)溝深要求。

(3)大管徑海管一般需要兩遍甚至多遍挖溝才能達(dá)到溝深，這樣每一遍挖溝過程監(jiān)控非常重要，針對(duì)每一遍挖溝效果進(jìn)行挖溝方案適當(dāng)調(diào)整。

(4)大管徑海管一般為外輸?shù)顷懞９?，這樣海管路由所處水深變化范圍較大，挖溝作業(yè)過程中需要針對(duì)水深變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以順利完成挖溝施工。

實(shí)踐表明，超大管徑海管后挖溝技術(shù)可以應(yīng)用于30英寸以上海管后挖溝施工，且施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

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