非接触式挖沟机在海管后挖沟中的应用

宋春娜， 林守强， 崔宁， 齐兵兵， 田丛

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067）

非接触式挖沟机在海管后挖沟中的应用

宋春娜， 林守强， 崔宁， 齐兵兵， 田丛

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067）

海底管线是海上油气田的生命线，一旦发生事故，不仅会污染海洋环境，而且会造成重大经济损失。挖沟掩埋作为一种经济且高效的海管保护措施，受到工程各方青睐。文中以实际工程为例，介绍非接触式挖沟机结构及工作原理，重点阐述了非接触式挖沟机在海管后挖沟中的应用。

海底管道；非接触式；挖沟机；后挖沟

0 引言

海底管道是海上油气田与陆地终端之间实现油气运输的主要形式，是海上油气田的生命线。随着海洋石油工业的迅速发展，对海洋石油管道的需求水涨船高，海底管道的重要性与日俱增。一旦海底管道发生事故，不仅会严重污染海洋环境，而且会造成重大经济损失。因此，需要对海管进行保护处理，降低海管受外力损伤的可能性。

挖沟是一种非常经济且高效的保护海管措施，其一可以保护海管免受海底水流影响，增加海管稳定性；其二大大降低了工程船抛锚时锚链对海管引起损伤的可能性；其三保护海管不受渔船的影响。因挖沟过程施工简单、成本较低、时间较短且对海管的保护作用非常显著，如今已成为海上油田建设过程中不可或缺的步骤。海管挖沟作业用到的主要设备是挖沟机。挖沟机的选用及操作对挖沟工作的效率与质量有着重要的影响。

本文结合黄岩海管挖沟项目，阐述非接触式挖沟机工作原理、结构以及在海管后挖沟中的应用。

1 项目概况

黄岩项目地处东海，位于上海东南约420 km，宁波东南约360 km，水深在94.4～108.3 m之间。项目挖沟海管长度为16.2 km，直径12in，附带40 mm厚水泥配重层。挖沟深度为管顶距海床垂直距离1 m。土质以软泥、沙土为主，土壤最大剪切力26 kPa。

2 项目资源

本项目用来挖沟的项目资源主要有施工船舶、ROV系统以及挖沟机。

2.1 施工船舶

选用上海打捞局“聚力号”DP船。DP船在挖沟作业时比抛锚船具有更大的优势。可以根据海上风浪的大小及方向改变艏向，最大程度上减少风浪的影响，提高挖沟效率。因为挖沟机本身没有动力，主要是靠船舶拖曳前行进行挖沟作业。船舶的航行速度与灵活性在一定程度上就代表了挖沟机的挖沟速度与灵活性。

“聚力号”DP船：DP等级2级，船长133.62m，宽35m，吃水6.8 m。甲板面积2 500 m2，可供ROV与挖沟机以及其他辅助工具同时摆放，满足项目要求。

2.2 ROV系统

选用75马力观察级ROV。此项目主要是靠挖沟机进行工作，ROV主要工作是调查管线路由以及查看沿途状况。从成本上考虑，观察级ROV可满足项目要求，不需要150马力的工作级ROV。

ROV外形尺寸：长2.4 m，宽1.3 m，高1.4 m。重量1.85 t，工作水深1 000 m，可负载160 kg。附带设备：摄像机、声纳、深度计、高度计、机械手等。

2.3 非接触式挖沟机

根据项目要求，选用的是上海打捞局设计制造的非接触式挖沟机。非接触式挖沟机就是挖沟时与海管并无接触，不存在挖沟机本体与海管管线之间硬性摩擦和挤压情况，不会对海管表面涂层造成破坏，在实现挖沟功能的同时，有效保护海管的安全。

挖沟机外形尺寸长9 m、宽5.5 m，高6 m；重量约50 t；最大功率1 300 kW；工作水深：0～300m；适用管径：0～1 m；最大剪切力40 kPa。如图1所示。

图1 非接触式挖沟

1）非接触式挖沟机工作原理。由甲板收放系统控制挖沟机悬浮于海管正上方，使用大流量轴流泵抽水喷冲海管底部土壤，将管底土壤液化稀释，并通过水流将土壤泥沙带走，海管底部出现沟槽，让管道利用自身重力而缓慢下沉，最终稳定在沟槽内。沟槽两边的松软泥沙在海水作用下，回填至沟槽内，对海管完成掩埋。

2）非接触式挖沟机结构。非接触式挖沟机主要由水面动力站、水面控制中心、收放系统、脐带缆、挖沟机本体组成。其中，动力站由发电机和配电箱组成，主要提供交流电给控制中心、收放系统和挖沟机；控制中心主要负责控制挖沟机的运行；脐带缆是信号和电源传输的媒介；挖沟机本体包括轴流泵、声纳、TSS440、摄像头、液压源、变压器等部分。

3 非接触式挖沟机在后挖沟中的应用

应用非接触式挖沟机进行后挖沟作业时，挖沟机在甲板上的布局、挖沟机的操作使用，以及挖沟作业流程都非常重要。只有每一步都做好了，才能提高整体的施工效率。

3.1 甲板布局

如图2所示，挖沟机在施工船舶上的布局，主要考虑两方面的因素：一是考虑到安全问题，挖沟机从甲板下放至海底，要尽可能地避开船舶的推进器；二是考虑到挖沟效率问题，挖沟机是通过船舶拖曳前进来实现挖沟的，甲板布置时要考虑到船舶在调整航向时也能挖沟。根据施工船舶“聚力号”实际情况，非接触式挖沟机布置在甲板中间右舷位置上。“聚力号”根据海上风浪调整船舶艏向时，挖沟机可以继续进行挖沟作业，减少因天气待机的时间。

图2 挖沟机甲板布局

牵引钢缆布置在甲板的左舷，通过船底牵引挖沟机前进。2条牵引钢缆既可以给挖沟机提供前进动力，同时又可以根据船舶艏向，调整2条缆的长度使挖沟机始终“骑”在海管上，保证挖沟质量。如图3所示。

图3 牵引钢缆

3.2 挖沟作业

挖沟作业共分为7个步骤：试挖沟、预调查、起始端造坡、海管挖沟、终端造坡、回填掩埋、后调查。

1）试挖沟。试挖沟是在正式挖沟作业前，在海管附近1 km范围内对挖沟机进行一次完整的下放、挖沟、回收的挖沟试验。试挖沟的目的主要有两个：一是试验挖沟机本身的性能，是否能满足项目要求；二是确定挖沟机的各项参数，提高挖沟质量与效率。非接触式挖沟机是悬浮在海管上方进行作业的，许多参数需要根据现场的海况进行调整，例如挖沟机与海管之间的距离、挖沟机泵的流量大小、挖沟速度等等。调整这些参数最有效直接的方法就是在海管附近进行挖沟试验，因为海管附近的海底环境与海管路由上的基本一致，试挖沟得到的参数相对可靠。

试挖沟步骤：（1）下放挖沟机前对挖沟机进行严格检查；（2）通过收放系统缓慢下放挖沟机；（3）下放挖沟机离海床3m时，停止下放；（4）打开轴流泵，进行吹泥试验；（5）施工母船沿挖沟机艏向前进；（6）前进一段距离后，沿原路由返回；（7）声纳扫描检查挖沟效果；（8）调整挖沟机高度，继续进行试验；（9）调整轴流泵流量，继续进行试验；（10）调整船舶航行速度，继续进行试验。

通过试验，最终得到的挖沟机主要参数：挖沟机距海床1.5m，同时开启2台泵，流量调整为20000m3/h，挖沟速度90m/h。挖沟机在该参数条件下，能够满足项目要求的挖沟效率和质量。试验效果如图4所示。

图4 试挖沟声纳扫描图

2）预调查。预调查通常是由ROV完成的。ROV携带定位信标，“骑”在海管上方并沿其路由前进。每行走10 m，对海管定位打点。ROV沿海管预调查时，除了准确定位海管的路由以外，还要沿途查看海管所处状况，例如海管上方是否有渔网，海管是否有悬跨等等。遇到特殊情况，重点打点记录并汇报项目组，制定出相应处理措施。预调查结果显示，海管实际路由与设计路由偏差7 m左右。

3）起始端造坡。海管进行正式挖沟阶段，首尾两端要进行造坡。最大程度上减少海管在挖沟过程中所受到的应力，降低海管损伤的可能性。若起始端没有造坡，则海管会变成“S”形状，受到海管自身的重力而产生变形，影响海管寿命，如图5所示。

图5 挖沟示意图（未造坡）

根据海管技术要求，挖沟起始点要预留50 m海管，方便后续膨胀弯安装工作。海管起始点为KP0.050，造坡长度50 m。造坡有两种方法：一种是保持挖沟机与海管距离不变，通过逐渐调大泵的流量实现；一种是保持泵的流量不变，逐渐下放挖沟机的高度来实现。本项目选择调整挖沟机的高度来实现造坡。在挖沟起始点上，调整挖沟机与海管垂直距离为3 m，然后打开轴流泵，调整挖沟速度为72 m/h，逐渐地下放挖沟机，下放速度约为每前进10 m，下放0.3 m。前行50 m后，挖沟机下放1.5 m，造坡结束。造坡后，海管与海床紧紧贴在一起，减少所受应力影响。如图6所示。

图6 挖沟示意图（造坡后）

4）海管挖沟。海管挖沟时，根据之前试挖沟确定的各项参数，调整挖沟机处于海管正上方1.5m处，开启泵的流量为20000m3/h，挖沟速度为90 m/h，艏向与海管重合。由施工母船拖曳挖沟机沿着海管前进，进行挖沟作业。当有侧流影响挖沟机时，开启挖沟机两侧的喷嘴，抵消侧流的影响。若侧流过大，则需要调整母船的位置通过牵引绳来调整挖沟机的位置，使挖沟机保持在海管上方。挖沟过程中，对前期预调查所发现的问题，及时作出相应处理，使海管紧贴沟槽底部，减少海管悬跨的发生。

挖沟过程中，可能会有暂停挖沟的情况发生。停止挖沟前，应逐渐减小泵的流量继续挖沟一段时间，使海管在挖沟前后形成一段坡度，长度50 m为宜，减小受力影响。挖沟机再次下放入水时，切记不要直接在海管上方进行下放作业。应在水平距离海管5 m的地方下放，至距海床1.5 m的位置，停止下放。稳定后，移船调整挖沟机位置，使其处于海管正上方，再进行挖沟作业。

再次进行挖沟作业时，沿海管路由后退100 m，开启轴流泵至20 000 m3/h，继续挖沟。挖沟效果如图7所示。

图7 挖沟声纳扫描图

5）终端造坡。在距海管终端100 m的时候，需进行造坡作业，造坡长度50 m。造坡方法与起始端造坡一样，只是过程相反。通过逐渐提高挖沟机的高度来完成造坡，大约每前进10m，提高挖沟机高度0.3 m，至50 m处结束。造坡结束以后，停泵回收挖沟机至甲板。

6）回填掩埋。后挖沟结束以后，通常要对海管进行回填掩埋。挖沟机旋转90°，即可进行回填作业。回填时，注意回填的土壤里尽量不要含有较大石块等容易损伤海管的物料。本项目中，海管路由区域土质非常松软，根据海底水流情况，选择自然回填，不进行回填掩埋作业。

7）后调查。挖沟结束以后，由第三方进行后调查处理，提交调查报告。后调查是由工程船携带剖面声纳，沿海管路由进行扫描，并定位打点。对海管管顶距海床不满足1 m的地方，进行标记，并及时提交给项目组。项目组安排挖沟机进行第二遍挖沟，直至满足要求为止。由于前期准备工作较为充分，挖沟过程非常顺利。调查结果显示，合格率在95%以上。

4 结 论

挖沟作为保护海管的重要措施，是工程项目中不可或缺的一步。非接触式挖沟机因为其安全、高效、经济的特点，越来越受到工程各方的青睐，在未来的海上施工项目中，其应用必将越来越广泛。

［1］ 熊海荣.海底管道后挖沟分析［J］.中国造船，2009，50：645-650.

［2］ 李文涛，葛彤.挖沟机相关技术进展［J］.航海工程，2010，39（4）：146-150.

［3］ 涂国才，祁尧飞，勒奕，等.海底管线挖沟机效率提升方法［J］.中国造船，2012，53：408-412.

（编辑：立 明）

Application of Non-contact Trencher on Subsea Pipeline Post-Trenching

SONG Chunna， LIN Shouqiang， CUI Ning， QI Bingbing， TIAN Cong
（COOEC Shenzhen Subsea Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China）

Pipeline is the lifeblood of offshore oil and gas fields.Once the subsea pipeline accident happened,it would not only pollute the ocean environment,but also cause significant economic disaster.Trenching and burying is one kind of economical and high-efficiency method to protect subsea pipeline,which is got everyone appreciation in offshore project.Taking the practical pipeline engineering as an example,the non-contact trencher structure and principle are described,the application of non-contact trencher on subsea pipeline post-trenching is introduced.

subsea pipeline;non-contact;trencher;post-trenching

TE 54

A

1002－2333（2014）04－0083－03

宋春娜（1981—），女，工程师，从事水下生产设施安装与维修技术研究及技术管理工作。

2014-02-08