株洲中车时代电气股份有限公司 张向阳 郭园园

海底管道和电缆为维持其自身安全和在位稳定性，免遭拖网渔具等的免遭损害，必须埋设到合理的深度。海底开沟机是埋设海底管道和电缆的重要设备。根据开沟成型方式，常用的开沟机技术主要有四种类型：机械开沟法、水利开沟法（喷冲式）、机械和水利结合开沟法、不开沟（管道自埋）进行海底管道埋设法。根据开沟顺序分类，主要有三种，预开沟法：挖泥船开沟和爆破开挖；后开沟法：水力喷冲开沟机，机械式开沟机，开沟犁；同时开沟：开沟机或者开沟犁边挖边埋。

欧美国家在海底开沟方面研究较早，积累了大量的工程经验，已经形成丰富的开沟设备产业，主要有SMD公司、IHC公司、FORUMPerry等。

我国在海底开沟设备方面起步晚，主要以简易的开沟犁和喷冲式开沟机为主，并且开沟机本身无动力，靠母船拖拽行走，适应水深有限，无法完成深水区域硬质海底的开沟任务。随着海洋强国战略的推进，我国在海上油气管道和海底电缆铺设以及深海采矿等方面将迎来巨大的机遇和挑战。

海底开沟机的设计和作业需要大量的工程师经验。张国光、顾林生等人对国外海底开沟机资料进行了调研和评价，并对海底管道开沟机的技术性和经济性做出了分析。张新明、刘春光、张树森等人对比总结国内外目前常用的一些开沟机种类，海底开沟机更加多样化和定制化。海底开沟机成本高，为了满足更多的作业需求，一机多用逐渐受到客户青睐。将开沟机分成主体机身和工具模块两大部分。主体机身作为水下作业平台。针对不同的需求，开发出不同的模块，包括射流喷冲，机械链据，射流抽吸，岩石钻取等模块。主体机身搭配不同的工具模块，实现功能多样化，一机多用。

海底多功能开沟机的开沟方式有多种，本 文搜集了目前国外最新的几款开沟机，分为ROV型开沟机和重型开沟机两类，总结了海底多功能开沟机的研究现状，对海底开沟机设计、研究有重要的参考意义。

1 ROV型开沟机

ROV型开沟机，亦称埋缆ROV，外形类似ROV。顶部有浮力材料，在水中重量轻，接地压强小，最大工作水深在1500m～3000m，在水中可以自由飞行，自动化程度高，适合在海底软粘度地区埋设电缆。对海况要求较低，可以实现不连续作业。

英国土壤机械动力有限公司（SMD）生产的QT系列的多功能ROV型开沟机，从QT300到QT2800均可以搭载多种作业工具包，例如，滑靴底座、射流工具、切割链（单链和多链）、切割盘、压缆器、切削疏浚、岩心钻取和勾缆器等。

英国Forum Subsea Technologies公司旗下的Perry™ XT系列的ROV型开沟机，从XT300到XT1500系列。其中XT300适用于电缆维护作业，XT750到XT1500适用于坚硬土壤下开沟埋缆，可以自由飞行、履带前进开沟、巡航检测等。

1.1 QT500开沟机

QT500是SMD公司在2018研发一种ROV型电缆维护开沟机，既可以检测和维护电缆，也能开沟埋缆。适应水深5m到2500m，开沟深度为2m和3m，埋缆直径40mm到100mm（图1）。

图1 QT500开沟机（履带行走模式）

通过切换滑靴和履带，开沟机有两种工作模式。

自由飞行模式：底部可安装滑靴，适应软土海床。长4.1m（TSS收回），宽3.2m，高2.8m；空气中重12t，水中为零浮力，可以在埋缆前后探测海底电缆的状况。

履带行走模式：底部安装一组履带，适应硬土海床。长4.3m（TSS收回），宽3.7m，高3.0m；空气中重11t，水中1t。

可搭载的工具模块有多种：

主喷冲工具：配备一组2m喷冲臂和一组3m的喷冲臂，变速液压喷冲动力高达450hp，喷冲压力6bar到8bar。前列喷嘴和后置喷嘴能够有效地液化土壤。两条喷冲臂跨坐在电缆上，可以多次埋缆。3m深度需要多次埋缆。主喷冲臂的间距可远程调节，宽度为50mm到400mm。

压缆器：压缆器位于主喷冲臂中间，独立布放和回收。端部有电缆检测传感器，有效地检测电缆位置，判断埋设深度。

前置喷冲器：可以辅助敷埋直径很小的缆。

后置抽吸系统：用于清理沟槽，形成更宽的沟槽，有助于埋设缆直径更大的缆；

其他工具：根据作业需要可以搭载机械臂、手持喷冲器、切割器、抓取器、电缆检测工具等。

1.2 XT1200开沟机

图2 XT1200开沟机（履带模式）

图3 CTC UT-1开沟机

Perry XT1200适用水深3000m，主喷冲工具和压缆器有1m、2m和3m三种规格，埋缆直径150mm到915mm。最大埋缆深度为3m。长9m，宽6m，高3.9m。有滑靴模式和履带模式两种。在滑靴模式下可以自由飞行，前向速度2.5节，侧向速度2节。履带模式下，在空气中总重32t。水平和竖直方向各配置5个推进器。履带模式下前进速度为2500m/h。可以选配电缆剪、电缆夹持器、抽泥泵等工具（图2）。

1.3 UT-1开沟机

CTC MARINE公司的UT-1射流喷冲ROV型开沟机，额定功率2.1MW，输出功率可达1.5MW，能够在1500m深的海底开沟深度3m，可以多次冲埋，埋管的最大直径为1.1m。开沟机总长9.4m，宽7.8m，高7.6m。空气中总重63t。配备4个水平推进器，4个竖直推进器，尾部2个推进器，尾部推进器用于平衡机身。喷冲臂在0.75m到3m沟深下，可以以恒定角度喷冲海床。喷冲臂上部的喷嘴可以远程打开和关闭。

开沟机的滑靴间距可以远程调节，宽度为250mm到1200mm，满足不同管径的管道埋设。可选配搭载的工具有吸泥泵、喷冲臂端部回填喷嘴、压缆器等。开沟机尾部的两组吸泥泵和吸泥管，可以及时吸走泥沙，使沟槽更大更宽。主喷冲臂端部的后向喷嘴，可以进一步液化土壤，有效抵将管线埋到既定深度，还可以回填沟槽。压缆器上有电缆检测传感器（图3）。

2 重型开沟机

重型开沟机没有浮力材料，通常比ROV型开沟机功率更高，体积和重量也更大，不能在海底自由飞行。用于硬土和岩石地质下的开沟埋缆工作，自动化程度高，可以实现不连续作业。

2.1 CBT2400开沟机

CBT2400是SMD公司2019年设计生产的一款适应崎岖地形的履带式重型开沟机，可搭载多种开沟工具，包括链式切割，轮式切割和水力喷冲等。配备多个液压动力单元，具有良好的兼容性，能够在切割工具、抽吸工具和喷冲工具之间共享功率分配。每一台电机都可以从地面供电、控制和监控。该开沟机分为主体机身和两套可更换的工具系统。

图4 CBT2400主机身和工具系统

图5 Hi-Traq开沟机

主体机身：

主框架采用采用高强度钢。工作水深在4m到1000m。当水深小于4m时，可以从水面供水，进行射流开沟。主体机身长8.5m，宽8.3m，高6.4m。配备两个推进器，用于辅助调整姿态。前后2个特制机械臂，由4功能机械手，和末端一个3功能抓斗组成，用于抓举和提升海缆。可以360回转，最大抓举载荷2t，最大伸展距离7m。前置2个抽吸泵，用于抽吸碎土碎石等，排泄到开沟机两侧。前置TSS框架，用于寻找和跟随海缆。前置小型喷冲器，可以将海缆埋到沙土中。顶部有100SWL的吊点，适用于5级海况回收。配备4组450kW水下电机。水下监控系统包括8个相机，12只灯，5个云台，4个声呐，2组应答器，高度计，水听器，水下惯导等。履带系统为塑料履带板，两条履带由独立的液压齿轮马达驱动，并由单独的闭环泵控制。轨道速度能实时监控并显示在操作员图形屏幕上。

开沟机系统配置链式切割和后喷冲臂，链式切割工具安装在开沟机腹部下方的摆动支架上，开沟状态时，切割工具和海缆通道摆动到开沟机中央位置，非开沟状态时，则回收到一侧。切割工具通过一组液压缸下放到合适的开沟深度，并且通过液压缸的位置反馈，监测开沟深度。切割链上配备截齿，能够在中等强度的土壤中快速开沟。切割链上还有一组小喷嘴，用于清洁切割链。切割链挖出的碎土，通过开沟机前面的两个抽吸泵排到开沟机两侧（图4）。

开沟机降落在海缆正上方，前后两个机械臂抓举海缆到喇叭口和海缆通道上，然后切割链工具摆动到正下方，喇叭口和海缆通道闭合，切割链开始转动，并下放到合适的深度，抽吸泵将切割链带出来的碎石吸到开沟机两侧，后面的喷冲臂进一步喷冲沟型，并将海缆压倒沟内。

可以开沟的土壤剪切强度为100kPa到40MPa。开沟机总长15.7m，宽4.4m，高6.4m，空气中重80t。开沟深度3.3m，适用于海缆直径500mm，最小弯曲半径5m。开沟机前后有喇叭口，前置喇叭口上有海缆感应器，检测海缆或者管道的上下和左右的偏移角度。后喷冲臂由两个600kW的水泵驱动，集成了压缆器，喷冲臂可伸缩，最大深度可达3.8m。

2.2 Hi-Traq开沟机

荷兰ROYAL IHC公司设计和生产的Hi-Traq开沟机是专注于海底复杂工况下开沟埋缆设备，可以在恶劣海流和波浪的工况下工作，独特的四点履带驱动，在海底跨越复杂地形和转向上具有优势。分为主体机身和可更换的工具包。

主体机身：

长9.7m，宽8.5m，高6.2m。空气中重43t。功率1200kW。海底最大爬坡角度±20°，越障高度0.75m。降落时有自动朝向功能，牵引力控制调节履带功率分配，自调平功能，实现最佳开沟和入坡和出坡方向。

喷冲工具包：

两腿式喷冲臂，900kW喷冲功率，变速驱动，开沟深度为1.0m到3.3m，在空气中总重61t（包括主体机身），喷冲臂间距为200mm到600mm，可以适应最大缆径450mm，可拆卸式压缆器，弯曲半径为3m。

切割链工具包：

切割链功率600kW，抽吸功率300kW，在空气中总重63t（包括主体机身），开沟深度2.3m，开沟宽度0.5m，可埋设最大缆径400mm，弯曲半径5m。可拆卸式压缆器，弯曲半径3m。前后配置两个3t的电缆抓举臂，适应弯曲半径5m。适应土壤剪切强度15kPa，开沟回转半径15m（图5）。

3 技术发展趋势

国外海底开沟机新技术在不断发展提高，呈现出以下发展趋势：

（1）功能多样化。开沟机价值高，维护成本高，一机多用逐渐受到市场青睐。轻型ROV开沟机一方面可以在海底自由飞行，检测电缆和地形等，另一方面可以安装合适的小型喷冲工具，在软泥土或者黏土等开沟铺缆，还可以进行疏浚和钻探等作业；重型开沟机配置不同的作业模块，在沙土和岩石地质中开沟铺缆。

（2）模块化。开沟机被划分成越来越标准的模块系列，例如标准系列的主体框架模块、履带模块、水利喷冲模块、切割链模块、抽吸模块、压缆模块、机械臂模块等，通过不同模块之间的拼搭，快速地组合出一套定制化的开沟机，响应市场需求。

（3）适应性宽。开沟机作业深度从几米的浅水到三千米深水。通过增减浮力材料，搭载滑靴或者履带，可以满足软土、硬土和岩石等多种地质条件，一台开沟机完成多段路由的开沟任务，降低施工成本。

（4）智能化。开沟机可以自动定深和定向，自动跟随海缆路由检测海缆或者埋缆，减少人为干预。