大管径海管后挖沟技术应用与创新

2020-10-27吕伟俊王磊卢正超王亮

石油和化工设备 2020年10期

吕伟俊，王磊，卢正超，王亮

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海管后挖沟是一种常用的海管后保护施工工艺，主要目的是防止船舶抛锚、渔业活动等直接损伤海底管道。近年来，对海管后挖沟技术研究形成了一定成果[1-5]，但主要研究成果局限在常规海管的后挖沟技术研究。大管径海管一般指管径为30英寸以上的海管，这种大管径海管主要用于外输海管，而且由于管径大，管线浮力大，不容易下沉，因而后挖沟难度较大。对这种大管径海管的后挖沟技术研究分析非常有必要。

某项目工作内容包括建造一座石化炼油厂和一个单点系泊系统，然后新铺一条海底管道连接单点系泊系统和炼油厂。该海管直径为44英寸，有2.9公里海管需要进行后挖沟，埋深要求为1m（埋深指海管顶部距离海床面的高度不小于1m）。管线基本信息如表1所示：

本项目海管路由所处的海床土壤地质条件为淤泥，比较适合挖沟作业。水深变化比较大，2.9公里海管路由所处水深从32m变化到13m，对挖沟施工是一个挑战。

现针对该管线的后挖沟施工技术进行介绍，主要分析怎样选取挖沟机，并对挖沟机工作原理、挖沟方案等进行重点介绍。

1 挖沟机选取

表1 海管基本参数

对大管径海管后挖沟施工首先要选择合适的挖沟机，以该项目海管为例，其海管外径达到1.3m，因此为了便于挖沟机水下就位，挖沟机前后导向距离不能小于1.7m。由于海管管径大，因此要求挖沟沟深也比较大，这就不光要考虑挖沟机向下喷冲的喷嘴，也要考虑在挖沟机上增加向前喷射的喷嘴以增大其破土能力。同时由于管径大，为防止挖沟作业过程中产生回淤导致海管不易下沉，因此要考虑增强挖沟机的抽吸能力。

公司自有挖沟机结构如图1所示：

图1 挖沟机原结构图

从图1可以看出公司原有的挖沟机结构较为简单，挖沟机前后两个导向用于挖沟机就位时骑跨在海管上，挖沟机本体上两台5000方轴流泵用于挖沟作业的水源供应。该挖沟机可以用于小管径海管后挖沟作业，不能满足本项目44英寸海管的后挖沟需求，所以需要对挖沟机进行适应性改造。

首先通过扩宽本体结构，增加挖沟机前后导向臂之间的距离，然后将前导向改造为水面供源形式，增加供水软管接口和喷嘴，将后导向改造为抽吸臂形式，增强挖沟机的抽吸能力。

改造后的挖沟机结构如图2所示：

图2 改造后挖沟机结构图

2 挖沟工作原理

2.1 水面供源系统

针对本项目海管管径比较大的特点，决定采用水面供源方案以增加挖沟机向前的喷冲能力。公司自有清管泵抽吸能力可满足船舶干舷高度最大为4m时的作业要求，而本项目挖沟作业船的干舷高度达9m，所以先需要使用海水提升泵将海水提升到水箱，然后使用2台300方清管泵从水箱提水并通过软管连接到挖沟机前端辅助喷冲臂，这样在挖沟时通过辅助喷冲臂上的喷嘴实现破土，减轻挖沟机行进前方的阻力。

施工时将1台800方潜水泵（作用是提升海水）固定在船舷一侧入水，连接潜水泵与水箱、2台300方清管泵、挖沟机前端辅助喷冲臂之间的软管。潜水泵固定和连接如图3所示：

图3 水面供源管线连接示意图

在施工中首次使用玻纤软管作为水面供源管线，新材料助力挖沟效率提升。玻纤软管作为一种新型的输送管道，具有强度高、柔性大、抗腐蚀性强等特点。此次在挖沟作业中应用该管线不仅是对新型管道的创新应用，更节省大量前期准备时间，提升后挖沟作业整体效率。

图4 玻纤软管应用情况

玻纤软管相比于传统的橡胶软管更加轻便，连接时无需吊机配合，且耐压更高，施工时极大地节省了软管连接时间，节省了工期。

表2 玻纤管线性能情况

2.2 大流量喷冲泵

挖沟机本体上搭载两台大流量轴流泵，轴流泵单台功率为240kW，单台流量5000m3/h，扬程为10m。在安装轴流泵喷嘴时，为了便于开沟，两边喷嘴布置时向中间有一定角度，这样可以保证开沟沟型，利于管线下沉。

2.3 气举抽吸

将挖沟机抽吸臂与两台32m3/h的空压机连接使用，通过气举抽吸原理，有效将沟内淤泥排出，提升挖沟机排泥能力。

气举排泥原理为：当喷射泵和轴流泵产生的高压水将海管附近土壤冲成泥浆进入气举臂后，在气举臂内泥浆、海水、空气组成了一种混合物，由于混合物中空气的体积比较大，所以混合物的密度小于1.03g/cm3（气举臂外海水的密度），这样在气举臂内外产生了压力差，在这个压力差的作用下混合物被压出气举臂外，达到排泥的目的。

表3 气举臂排泥量计算表

3 挖沟方案

3.1 总体挖沟方案

本项目海管后挖沟作业船通过定位系统在管线路由方向的正上方就位。作业船就位时严格按照设计的作业锚位抛锚，并在定位系统上进行校准；一般在挖沟作业船的四周抛8个锚，位于船首4根锚缆尽可能长，位于船尾的4根锚缆最大限度放短。这样可以保证一个锚位船舶移动距离尽可能远一些，挖沟长度尽可能大一些，有利于提高挖沟效率。

挖沟船舶就位完成后，解除挖沟机的固定，通过船上吊机提起挖沟机旋转到船尾，在船尾连接挖沟机牵引缆，连接挖沟机的水面供源管线和气举管线，连接完成后慢慢将挖沟机放入水中。

当挖沟机到达距离海床面2-3m时，潜水员下水辅助挖沟机就位，潜水员出水后，启动挖沟机，通过回收位于船首的4根锚缆及释放位于船尾的4根锚缆，实现船舶的移动，进行海管挖沟作业。当一个锚位锚缆收、放到位后，通过交替更换锚位的方法移锚，实现连续走船，进行后挖沟作业。

挖沟船工作示意图如图5所示：

图5 挖沟施工示意图

本项目由于海管管径大，因此挖沟沟深比较大。考虑到挖沟机作业能力，计划两遍挖沟成型。第一遍挖沟结束后，通过声纳和潜水员检查的沟深效果，调整第二次挖沟时挖沟机的导向下放高度，并增加轴流泵喷冲臂短节0.5m长度。本项目海管埋深要求1m，考虑到海管管径和施工余量，沟深要求2.5m左右。根据以往施工经验，第一次挖沟计划达到沟深1.5m，第二次挖沟计划达到沟深2.5m。

在挖沟过程中通过声纳监控和潜水员下水检查，及时掌握挖沟效果，及时调整挖沟方案。每一遍挖沟速度控制在1m/min，挖沟操作人员密切监测挖沟机姿态、牵引拉力大小及挖沟机上声纳显示的沟型沟深等数据，及时调整走船速度、挖沟机离地高度，必要时停船检查。挖沟结束后根据后调查结果对局部不合格点进行补挖作业。

3.2 本项目挖沟难点

3.2.1 海管起始法兰KP0位置挖沟

常规海管后挖沟时，从海管起始法兰位置预留25m左右不挖沟，采用放置水泥压块的形式进行海管后保护。这样对挖沟的好处是挖沟机就位比较方便，挖沟机就位时无需考虑海管起始法兰的影响。本项目和一般海管挖沟要求不同，KP0（即海管起始法兰位置）也要求挖沟。为了避免挖沟时对海管法兰造成损伤，在挖沟时首先避开KP0位置海管，在挖沟机就位时保持挖沟机后面导向位置距离海管起始法兰5m左右，即挖沟机就位位置在KP0.005。这样先从KP0.005开始对海管进行挖沟，待这段海管路由挖沟结束后，再对KP0-KP0.005这段海管路由采用挖沟机悬空吹扫的方式进行挖沟。这样就有效避免挖沟机就位时对海管起始法兰造成损伤。

3.2.2 海管路由水深变化大

上文提到2.9km海管路由水深变化范围达20m，因此在挖沟时要实时调整管线入水长度以保证挖沟作业正常进行，这一点要特别注意。现场施工中采用的方法是每个锚位开始挖沟前计算管线入水长度，该锚位挖沟结束后计算下一个锚位水深变化和管线入水长度变化并及时调整管线长度，确保挖沟正常作业。在挖沟过程中，随着水深的变化，施工人员实时调整水面供源和气举管线的入水长度，以保持挖沟作业正常进行。以本项目为例，通过在AUTO CAD软件上模拟，不同水深对应的水面供源管线长度和气举管线长度如表4所示（该长度指从船尾至挖沟机的管线长度，数据供参考）：