国内海底管道后挖沟施工技术

2021-07-15柳宇黄海滨曲有杰陈俊友李晶

机械工程师 2021年7期

柳宇，黄海滨，曲有杰，陈俊友，李晶

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

随着海洋石油的开发向大型化及深水化发展，海底管道遇到越来越复杂的海洋工程环境。近年来，一些海域有发生海管漂移、渔船抛锚拖拉等海管损伤事故，引起了相关各方的高度重视，为保证海管安全，设计单位对海管的挖沟处理提出了较高的要求。

海管挖沟处理可根据挖沟相对于海管铺设的时间分为：1）预挖沟。即先挖沟，再进行海管铺设到管沟，预挖沟法多用于较浅水域，例如过河管线、海管登陆段部分等，对于特殊海床，例如地貌凹凸不平、岩石质海底等部位也常采用预挖沟法。预挖沟挖沟土方量大、开沟宽度大，对管线不存在损伤风险。2）边铺管边挖沟。在管道铺设过程中进行挖沟，使管道落入管沟，此种方法对挖沟设备要求高，适用于海管稳定性不能满足要求，需铺设后立即挖沟的情况。3）后挖沟。在管道铺设完成后，用挖沟机在管道上进行挖沟，后挖沟方法一般多用于较深水域，此种挖沟方法处理土方量少。目前，国内建成的海底管道，除了登陆的管道外，大多采用后挖沟[1]。

本文以海油工程股份有限公司近几年来国内海管后挖沟项目为例，介绍海管后挖沟的工作特点、主要设备参数和作业流程，以为未来海底管道后挖沟项目实施提供借鉴。

1 国内外挖沟机发展现状

1.1 挖沟机分类

挖沟机根据破土形式可分为：1）喷射式挖沟机。喷射式挖沟机根据在挖沟过程中是否与海管接触又可分为接触式挖沟机和非接触式挖沟机。2）犁式挖沟机。3）机械切割挖沟机。机械切割挖沟机根据机械切割形式可分为链式挖沟机、盘状旋削式挖沟机和柱状铣削式挖沟机。挖沟机根据行进方式可分为：1）自行式挖沟机。自行式挖沟机可分为ROV式挖沟机和履带式挖沟机。2）牵引式挖沟机。牵引式挖沟机可分为悬挂式挖沟机、滑靴拖曳式挖沟机和犁式挖沟机[2-3]。

1.2 国外挖沟机现状

国外在海管挖沟技术和设备方面均比较成熟，制造了多种形式的水下挖沟机，包括喷射式、机械切割式、犁式、ROV式等多种形式，基本覆盖了所有的土壤情况，表1为国外主要挖沟机运营商挖沟机参数[2]。

表1 国外挖沟机参数

1.3 国内挖沟机现状

目前，国内的挖沟设备大多为喷射式，可处理剪切强度在80 kPa以下的土壤，平均作业水深为0～120 m，单遍挖沟深度最大可达4.5 m，挖沟速度普遍为1.5～2.0 km/d，可用于浅水及登陆段海管挖沟，表2为国内主要挖沟机运营商挖沟机参数。

表2 国内挖沟机参数

2 海底管道犁式后挖沟技术

犁式挖沟机的工作机理是在外部牵引力的作用下（如图1）采用机械犁刃裂解翻抛土壤成预定沟型。犁式挖沟机特点是：1）需要大系柱拖力DP2支持母船拖曳前进；2）质量大（一般自重约为100～200 t），体积大，需要船舶A吊作为收放系统；3）作业水深可达500 m；4）爬坡能力不小于10°。犁式挖沟的优点是：1）适合土壤剪切强度在30～100 kPa条件下的挖沟作业；2）挖沟成型好；3）作业效率高；4）可进行重复挖沟[2]。以下以乐东22-1/15-1海管挖沟项目为例说明犁式挖沟工作流程。

图1 海管犁式挖沟机

1）项目概况。乐东22-1/15-1项目地处南海西部地区，海管管径为24 in，作业水深为10～95 m，海管挖沟长度约为60 km，挖沟深度为1.8 m；土壤最大剪切强度为120 kPa。

2）APP挖沟犁规格。尺寸为19.5 m×10 m×8 m；质量（空气/水中）为135 t/120 t；破土强度≤300 kPa。

3）工作流程。海管预调查及海管路由障碍物清理；船舶DP测试，挖沟犁收放测试和入水测试，然后船舶挪位至海管起始挖沟点旁50 m处就位；下放挖沟犁至海床上约10 m位置，然后进行功能检查和挖沟犁浮筒充气（如需要）；船舶挪位至挖沟起始点就位，下放挖沟犁至海管上进行就位，然后连接挖沟犁和海管，完成连接后，将挖沟犁从船舶A吊上解开；船舶开始沿挖沟方向进行前进，由船上卷扬机拖缆牵引挖沟犁进行挖沟；完成挖沟作业后，解除挖沟犁与海管的连接，回收挖沟犁至甲板；进行海管挖沟后调查，如沟深未达标，则重复上述步骤进行二次挖沟。

3 海底管道喷射式后挖沟技术

3.1 非接触式海管后挖沟技术

非接触式挖沟机（如图2）的工作机理是使用大流量轴流泵抽水喷冲海床，通过水流将管底土壤泥沙带走，形成沟槽。非接触式挖沟机的特点是：1）挖沟时与海管全程无接触，不存在对海管表面造成接触损坏；2）非接触式挖沟属于低压大流量喷射冲刷式挖沟；3）作业水深可达300 m。非接触式挖沟优点是：1）在土壤剪切强度为40 kPa及以下时效率较高,适合在软泥及粗沙地质条件下挖沟作业；2）挖沟机设备结构简单；3）可进行重复挖沟；4）经济性高、适用面广。以下以黄岩项目海管挖沟项目为例说明非接触式挖沟机工作流程[4-5]。

图2 海管非接触式挖沟机

1）项目概况。黄岩项目地处东海地区，海管管径为12 in，作业水深为94～108 m，海管挖沟长度约为60 km，挖沟深度为1 m；土壤最大剪切强度为26 kPa。

2）非接触式挖沟机规格。尺寸为9 m×5.5 m×6 m；质量（空气中）为40 t；破土强度≤55 kPa；工作水深为0～300 m。

3）工作流程。海管预调查及海管路由障碍物清理；船舶DP测试，挖沟机进行水下试挖沟，通过试挖沟结果选择挖沟机与海管的间距，轴流泵开启功率及船舶移动速度等挖沟参数；待挖沟参数确定后，移动船舶至距离海管挖沟点20～30 m处就位，就位后下放挖沟机至工作水深，挪动船位直至挖沟机位于海管正上方；启动挖沟机轴流泵，开始进行海管挖沟起始点造坡；船舶沿挖沟方向移动，进行挖沟；在挖沟即将接近终止点时，进行挖沟终止点造坡；挖沟终止点造坡完成，关闭挖沟机，回收至甲板；进行海管挖沟后调查，如沟深未达标，则重复上述步骤进行二次挖沟。

3.2 滑靴拖曳喷射式后挖沟技术

滑靴拖曳喷射式挖沟机（如图3）的工作机理是：利用喷射泵通过挖沟机喷射臂上的喷嘴形成高压水柱将海床打散并进行稀释液化，再通过挖沟机抽吸臂将液化的土壤排出沟外，从而形成沟槽。滑靴拖曳喷射式挖沟机的特点是：1）挖沟时为非接触式，对海管损伤较小；2）沟槽相对较窄。滑靴拖曳喷射式挖沟优点是：1）埋深大，最大埋深可达4.5 m；2）结构简单，故障率低；3）经济性高、适用面广。以下以曹妃甸单点维修项目海管挖沟项目为例说明滑靴拖曳喷射式挖沟机工作流程[6-7]。

图3 海管滑靴拖曳式挖沟机

1）项目概况。曹妃甸项目地处渤海地区，海管管径为12 in和16 in，作业水深为25 m，海管挖沟长度约为10 km，挖沟深度为1.5 m；土壤最大剪切强度为30 kPa。

2）滑靴拖曳喷射式挖沟机规格。尺寸为10 m×8.2 m×9 m；质量（空气中）为65 t；破土强度≤40 kPa；工作水深为0～100 m。

3）工作流程。海管预调查及海管路由障碍物清理；船舶抛锚就位；挖沟机入水进行功能测试，待测试合格后，下放挖沟机至海管上就位；启动挖沟机，同时通过挪动船位进行起始造坡；继续挪动船位，进行正常挖沟；在挖沟即将接近终止点时，进行挖沟终止点造坡；挖沟终止点造坡完成，关闭挖沟机，回收至甲板；进行海管挖沟后调查，如沟深未达标，则重复上述步骤进行二次挖沟。

3.3 ROV式后挖沟技术

ROV式挖沟机（如图4）的工作机理与滑靴拖曳喷射式挖沟机一样，均是利用高压水将土壤液化，并通过抽吸臂将液化的土壤排出沟外，从而形成沟槽，不同的是ROV式挖沟机可自行在水下利用推进器行走，无需由船舶拖曳行走。ROV式挖沟机的特点是：1）需要DP2支持母船，依靠挖沟机自身动力前进；2）适用于深水，可达3000 m或更深。ROV式挖沟机的缺点是：1）不适合在浅水海域，比如滩海区作业；2）适合处理剪切强度在100 kPa以内的土壤，超过100 kPa时，效率会大幅降低。以下以荔湾海管挖沟项目为例说明ROV式挖沟机工作流程。

图4 海管ROV式挖沟机

1）项目概况。荔湾项目地处南海东部地区，海管管径为30 in，作业水深为60～190 m，海管挖沟长度约为150 km，挖沟深度为1.0～1.5m；土壤最大剪切强度为70 kPa。

2）滑靴拖曳喷射式挖沟机规格。尺寸为9.4 m×7.8 m×7.57 m；质量（空气中）为63 t；工作水深最大为1500 m。

3）工作流程。海管预调查及海管路由障碍物清理；船舶DP测试，挖沟机进行水下功能测试，然后船舶挪位至海管起始挖沟点旁50 m处就位；下放挖沟机至海床上约10 m位置，然后船舶挪位至挖沟起始点就位；下放挖沟机至海管上进行就位，然后启动挖沟机上的高压喷嘴和抽吸臂，并将高压喷嘴逐渐插入泥中，进行土壤液化和排泥；启动挖沟机推进器进行前行造坡，同时船舶以DP模式沿挖沟方向前行；待造坡结束后，进行正常挖沟；在挖沟即将接近终止点时，挖沟机逐渐将高压喷嘴和抽吸臂拔出泥中，进行终止点造坡；挖沟终止点造坡完成，关闭挖沟机，回收至甲板；进行海管挖沟后调查，如沟深未达标，则重复上述步骤进行二次挖沟。