悬跨海底管道犁式填埋设备设计

2013-07-08王雷徐兴平王言哲王慧莉

石油矿场机械 2013年8期

王雷，徐兴平，王言哲，王慧莉

（1.中国石油大学机电工程学院，山东青岛 266580；2.胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257000）①

海底管道作为一种高效、经济的运输方式，在现今的海洋工程中已得到广泛应用，是海上油气开发的重要组成部分［1－3］。海底管道所处海洋环境情况复杂，工作条件恶劣，在海流的长期冲刷和海底地质灾害频发的工作条件下，管道周围和承载管道的泥沙很容易被掏空，使海底管道产生悬跨段［4］。悬跨段周围由于海流经过产生的周期性的涡旋发放，引发悬跨段周期性振动。这种周期性振动是引发管道疲劳失效的主要因素之一［5－6］。如果不能尽早对悬跨段进行治理，任由悬空部分不断扩大，很可能使海底管道疲劳断裂，造成巨大的经济损失和海洋污染。

近年来，海底管道悬空治理的措施主要有水下支撑固定法、沙袋填充法、挠性软管跨接法等［7－10］。其中抛填砂袋、水下支撑都属于主动支撑的方法，施工简单快速，但在海流的冲刷下容易形成再次悬空。挠性软管跨接法施工简便，可靠性高，但抵御意外风险能力较弱。

基于施工简单、可靠性高的海底管道治理原则，本文根据海底犁式挖沟机的工作原理，提出了使用犁式原理，进行海底沙土的挖掘及转移，进行管道悬跨段填埋的设想，并设计了用于悬跨段填埋的设备模型。

1 犁式填埋设备设想及总体设计方案

由于海流对海底沉积物的冲刷，埋地一定深度的海底管道会产生部分悬空，海流流经悬空段时产生的涡流会加速悬跨段周围海底的冲蚀，造成悬跨段长度和高度不断增加。为了对悬跨管道进行及时治理，最容易的方法就是对悬跨管道进行二次填埋。

悬跨海底管道填埋设备的设想来自于海底犁式挖沟机。海底犁式挖沟系统是目前国际上一种较为先进的水下挖沟系统。外国公司研制生产的海底挖沟机械已经能够在较大的作业水深、较恶劣的水下环境中进行作业。我国的水下挖沟设备起步较晚，技术相对落后［11－12］。海底犁式开沟的设想于1975年首次提出，并在1977年由瑞士RJBA 公司和英国SMD 公司联合设计制造出了世界上第1台海底犁式挖沟机［13］。这些年来国外公司取得了大量工程设计和研究经验，其研制的犁式设备也越来越先进，作业能力越来越强。犁式挖沟机用于管道铺设时，机器在海底面作业，犁体进行开沟，并将泥土翻于所开沟壑两侧海底面上，然后将管道放于沟内，依靠海流将沟两侧堆积的泥土冲入沟内掩埋管道。根据挖沟机的工作原理，设想对于已埋设的海底管道，在靠近管道悬跨处进行开沟翻土，将翻出的土壤转移至悬跨处便可用于悬跨管道的填埋。由此设想而设计的悬跨管道填埋设备整体结构如图1所示。

设备主要工作方式为：

1）设备由拖船拖至预定位置，通过专用起吊架将设备放置于管道上方，使设备跨于管道上。此过程可由水下ROV 协助定位。

2）前端支撑腿带动滑靴发生位移，使设备前倾，滑靴位移高度为犁体开沟深度。

3）水面牵引船拖拽设备移动，犁体在自重力作用下切入海床中开始切削并翻转泥土。设备移动过程中，由后端的挡板将犁体翻转出的泥土进行归拢，并随设备的移动转移泥土。当设备到达管道悬跨沟槽处时，泥土掉入沟槽，实现悬跨管道的填埋。

4）作业完成后，支撑腿带动滑靴位移至原位，犁体整体脱离海床。

图1 犁式填埋设备整体结构

2 犁体的设计

犁体是悬跨管道填埋设备的最重要部分之一，犁体的设计决定了其碎土、翻土的性能，从而决定了设备的工作性能及效率。

犁体工作面可看作由多个微三面楔组成的曲面［14－15］。定义x 轴正方向为犁体前进方向，每个三面楔包括入土角γ′，翻土角β′，推土角α′，如图2。3个角同时作用，将泥土耕起、切断、翻转。

图2 犁体工作微三面楔原理

犁体曲面形状是空间任意曲面［16－17］。目前，水平直元线法是犁体曲面设计中技术最成熟、应用最为广泛的方法。犁体曲面的形成可以看作是由动线在空间按照一定的规律运动而成。动线为水平直元线，始终平行于水平面，在向上运动的过程中始终与铅垂面N 内的导曲线相贴靠，且与沟壁的水平夹角θ是随直元线的高度变化的，如图3。

导曲线方程可表示为

式中：y′2＝（y＋Acosθ0）2＋（x－Asinθ0）2；A为初始直元线OO′的长度。

通过导曲线的切线角e，切线夹角Δe，高度h 和开度l确定a′，b′，c″，d′。

图3 水平直元线法示意

犁体翻土曲面方程为

式中：Δθ为最大直元线角与初始直元线角的差值；θi、xi、yi分别为高度为zi的第i 条直元线对应的直元线角度及其与导曲线的交点；t为中间变量。

按照犁式填埋设备的设计思想，设备跨于管道上，为了不影响已埋的管道，在尽量远离管道的两侧开沟，将翻转出的土壤转移，填于管道的悬空处。由此，所开沟型如图4所示，在靠近管道一侧，开沟坡度应尽量平缓，远离管道一侧的土壤在海流作用下，向所开沟槽内流动，这样就减小了开沟対管道的影响。

图4 沟型示意

3 滑靴及支撑腿的设计

设备选择滑靴式前进装置，在外力拖动的情况下，由大面积的滑靴底面接触海底，滑动前进。滑靴与海底面接触面积大，减小了设备对海底面的压力，避免设备下陷。支撑腿与液压缸结构便于调节滑靴的高度，并在设备前进时，根据不同海底地貌调节滑靴俯仰角度，起到缓冲减震作用。

滑靴与支撑腿的结构如图5所示。支撑腿采用铰接与机架和滑靴连接，方便调整。液压缸1和液压缸2配合调节，通过液压缸1的驱动，可以调节支撑腿的垂直高度；液压缸2调节滑靴，使滑靴保持水平，并增加支撑点，改善支撑腿的单一受力状态。

图5 滑靴及支撑腿示意

如图6所示，当滑靴位于最大位移处，支撑腿达到上限位置，此时犁体进行最大开沟深度作业；当滑靴位于最小位移处，支撑腿达到下限位置，犁体与海底面刚好分离，不进行开沟作业。

图6 设备状态示意

4 转向装置设计

由于设备设计中采用滑靴式牵引滑动前进方式，设备转向有一定困难，所以在设备前端设计转向辅助装置。在需要转向时，拖船前进方向改变，设备在转向装置的帮助下，由牵引缆绳的牵引，改变前进方向。

图7为与机架相连的转向装置。其中，连杆、液压缸、三角调整架为组成转向装置的主要部件。液压缸两端分别连接牵引吊耳与机架上的三角支架；连杆连接牵引吊耳与三角调整架；三角调整架的一角与机架连接，使之可绕连接点摆动。牵引吊耳如图8，连接拖拽缆绳、机架与转向装置，能够绕其与机架的连接处摆动。当拖船航向发生变化，液压缸调节牵引吊耳，使吊耳的角度随缆绳而变化，同时两端的连杆与三角调整架使两边的吊耳转动角度对称，加强了转向装置的稳定性。