新型深水非接觸式海管后挖溝技術(shù)應(yīng)用

劉雨

摘要：為了對海底管道進(jìn)行保護(hù)，通常需要對鋪設(shè)的海管進(jìn)行挖溝埋設(shè)處理。在東海某氣田開發(fā)項目海管后挖溝工程中，上海打撈局國內(nèi)首次使用了新型深水非接觸式海管后挖溝技術(shù)。本文主要對本次工程的新型挖溝設(shè)備和施工工藝進(jìn)行了介紹，并對此次海管挖溝工程進(jìn)行了經(jīng)驗總結(jié)，為以后開展類似的挖溝業(yè)務(wù)及相關(guān)延伸業(yè)務(wù)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：海管 非接觸式 挖溝

0 引 言

海底管道作為海上油氣運輸?shù)拇髣用}，已經(jīng)成為海洋石油開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，而海底管道的挖溝與埋設(shè)是管道工程建設(shè)中的重要一環(huán)。海底管道的挖溝埋設(shè)，是為了保護(hù)鋪設(shè)的管道免受外力損壞，使海底管道在其安裝和運行期內(nèi)不出意外事故，保證管道安全。近幾年來，隨著海底管道的管徑不斷增大，管道水深也不斷增加，原有的施工技術(shù)已很難滿足要求。

在2015年東海某氣田開發(fā)項目海管后挖溝工程中，上海打撈局在國內(nèi)首次應(yīng)用了新型深水非接觸式挖溝技術(shù)。此套挖溝系統(tǒng)以動力定位船舶作為搭載平臺，采用水下懸吊式、非接觸、大流量泵抽水噴沖除泥原理，來實現(xiàn)對海底管線進(jìn)行挖溝。最大特點就是與現(xiàn)有管線不進(jìn)行直接機體接觸，不存在挖溝機本體與管線之間硬性摩擦和擠壓工況，有效保護(hù)被挖溝作業(yè)的海底管線。

1 概 況

作業(yè)氣田群位于上海市東南向420km的東海大陸架上，由中國石油化工股份有限公司和中國海洋石油股份有限公司所有，平均工作水深約94.4～108.3m。氣田分布如圖1-1所示。

該項目已鋪設(shè)完成三條海底12寸水泥配重氣管線，編號及長度分別為：

（1）P1管線：長約16km；

（2）P2管線：長約20.5km；

（3）P3管線：長約22.9km。

本次施工上海打撈局主要負(fù)責(zé)P1、P2、P3三條海管管線共約59.4km的后挖溝。海上施工期間保證海管埋設(shè)深度達(dá)到1m，即海管頂部距離海床泥面達(dá)到1m，同時在挖溝期間海管受力滿足應(yīng)力要求。后挖溝施工完成后進(jìn)行后調(diào)查，如不滿足埋深要求，需再次進(jìn)行處理直到滿足1m埋深為止。后挖溝使用業(yè)主提供實際鋪管路由，并結(jié)合調(diào)查設(shè)備，確保挖溝作業(yè)不會對海管造成損傷。

2 施工資源介紹

2.1 “聚力”號700噸浮吊船

考慮到東海海況較為復(fù)雜，且海底管線較多，使用動力定位船而非拋錨船。本次管線后挖溝使用的施工母船為上海打撈局的700T全回轉(zhuǎn)動力定位浮吊船“聚力”號。搭載挖溝機后的“聚力”號見圖2-1。

“聚力”號船長132m，寬35m，型深10.5m，具有DP2級動力定位能力，主要作業(yè)參數(shù)如下：

（1）工作水域：我國近海5～6級海況水域；

（2）調(diào)遣水域：無限航區(qū)；

（3）施工條件： 風(fēng)力小于6級或浪高小于2.5m或流速小于3節(jié)；

（4）船舶條件： 船舶最大橫傾角3.5°，船舶最大縱傾角3°。

2.2 非接觸挖溝機系統(tǒng)

深水非接觸挖溝機系統(tǒng)系由上海打撈局設(shè)計并建造完成的，見圖2-2。本套深水非接觸挖溝機系統(tǒng)大體可分為水面和水下兩大部分：水面主要是動力系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；水下則主要是挖溝機本體。與ROV的作業(yè)方式相似，挖溝機作業(yè)主要是通過水面遙控操作完成，水面監(jiān)控站內(nèi)可以監(jiān)測水下本體的所有傳感器信息及挖溝情況。其主要性能參數(shù)如下：

（1）作業(yè)水深：300m；

（2）最大挖溝深度：5m@25kPa，3m@40kPa，1m@55kPa；

（3）最大總功率：1600kW（含臍帶纜絞車）；

（4）出口流速：0～10m/s；

（5）破土強度：≤55kPa；

（6）最大流量：40 000m3/h；

（7）最大揚程：6.5m （@34400m3/h）；

（8）適應(yīng)地質(zhì)土壤：軟泥、砂土、沙礫；

（9）挖溝方式：垂直懸吊非接觸式；

（10）挖溝機抗縱、橫能力：±10°；

（11）平均浪高：≤1.5m，作業(yè)風(fēng)速：≤6grade，流速：200m水深內(nèi)2節(jié)流。

3 主要施工流程

施工母船為我局的700噸DP2浮吊船“聚力”號，作業(yè)時船舶以動力定位模式按照順序分別沿P1、P2和P3管線的設(shè)計路由行進(jìn)挖溝，挖溝起始端的選擇會影響船舶方位，需要根據(jù)現(xiàn)場的海況條件決定。根據(jù)挖溝規(guī)格書和海管資料編制的施工流程方案如下：

（1）準(zhǔn)備工作

施工船舶駛抵挖溝起始點附近，并對船舶DP性能進(jìn)行測試，確保施工船舶DP模式下運行穩(wěn)定后。隨后在挖溝起始點附近區(qū)域進(jìn)行一次完整的吊放、試挖溝、回收過程測試，監(jiān)測挖溝機各項性能是否處于良好運行狀態(tài)，并記錄挖溝機試挖過程中軸流泵、噴射管、控制系統(tǒng)等的各項參數(shù)，由ROV下水檢查試挖溝的溝型、溝深、溝寬等數(shù)據(jù)，經(jīng)過檢查確認(rèn)合格后，進(jìn)行正常的后挖溝施工。

（2）挖溝路由及挖溝機下放

船舶、設(shè)備測試完成后，開始進(jìn)行挖溝作業(yè)。由于本次挖溝業(yè)主未提供管道的實際鋪設(shè)路由，將以設(shè)計路由為參考，使用挖溝機本身的多波束聲吶系統(tǒng)尋找海管實際位置。即按照設(shè)計路由進(jìn)行移船，邊挖溝便根據(jù)聲吶圖像進(jìn)行挖溝路由微調(diào)。

挖溝機下放時，船舶先停在距挖溝點外20～30m處，下放挖溝機至泥面高5m左右的位置，通過挖溝機自帶多波速聲吶、高度計、水下羅經(jīng)、USBL、攝像頭等監(jiān)測設(shè)備，確定挖溝機相對海管位置以及距離挖溝點處泥面的高度，從而來調(diào)整船位和挖溝機高度。挖溝機作業(yè)示意圖如圖3-1所示。

（3）起始挖溝點造坡

為了保證管道不受較大的彎曲應(yīng)力，后挖溝起始點開始一段需要進(jìn)行造坡，此套非接觸挖溝機通過逐漸改變挖溝機與海床面的高度來改變挖溝深度，從而實現(xiàn)起始端造坡。即在起點處，將挖溝機的高度適當(dāng)調(diào)整，啟動挖溝機，開始吹泥挖溝。作業(yè)母船沿海管路由前進(jìn)，通過逐漸下放挖溝機，即減小挖溝機與海床面的高度來向下造坡。造坡過程中，通過多種監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測造坡過程，造坡距離約50m。

（4）正常挖溝過程

造坡結(jié)束后，進(jìn)入正常挖溝模式，即保持挖溝機距海床面約1～1.5m的高度。沿路由挖溝時，通過挖溝機上的監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)控海管與挖溝機的相對位置，出現(xiàn)偏差及時通過調(diào)整船位來保證挖溝機與海管的相對位置不變，以保證挖溝效果。正常挖溝過程中，安排專人監(jiān)視挖溝機控制屏幕，記錄挖溝過程的各項數(shù)據(jù)，定時或?qū)χ攸c位置的聲吶掃測圖像進(jìn)行截屏和攝像頭視頻進(jìn)行截屏記錄，作為施工過程記錄。正常挖溝過程中，若在監(jiān)測設(shè)備中出現(xiàn)疑似挖深不夠的情形時，應(yīng)及時通過調(diào)整挖溝機的高度或減慢作業(yè)母船行進(jìn)速度，來使挖溝深度滿足設(shè)計要求。

（5）挖溝終點段造坡

到達(dá)挖溝終點前50m，開始向上造坡，原理與起點造坡一致，即移船前進(jìn)的同時，逐漸提高挖溝機，從而減小挖溝深度，形成造坡，并通過挖溝機的監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測造坡過程。

（6）挖溝機回收

挖溝過程中如果遇到惡劣海況不適宜挖溝作業(yè)時，在滿足海管和挖溝機安全的前提下，盡量向上造坡作業(yè)30～50米距離。在海況非常惡劣的情況下，應(yīng)立即中斷挖溝，緊急回收挖溝機?；厥胀跍蠙C時，在挖溝機出水時使挖溝機緊貼船艕，并配備有防撞輪胎和滑槽裝置，使挖溝機能順利就位于甲板擱架，上述措施能減少母船搖晃對挖溝機的損壞。若遇設(shè)備故障引起的施工中斷，也應(yīng)中斷挖溝，回收挖溝機。若出現(xiàn)挖溝中斷，回收挖溝機前要記錄其挖溝中斷點的精確位置。在重新開始施工時，施工船舶以中斷點為基點沿海管實際路由后退100m，重新開始挖溝作業(yè)，以保證挖溝路由中不出現(xiàn)挖深不夠的遺留點。

（7）挖溝后調(diào)查

按照設(shè)計路由完成全部挖溝工作后，由交通船攜帶掃測設(shè)備進(jìn)行挖溝后調(diào)查，如果有不滿足工程要求的區(qū)段，還需要進(jìn)行補挖。補挖需重點記錄挖溝位置數(shù)據(jù)、聲吶掃測圖像和水下攝像頭視頻圖像資料，直至溝深達(dá)到技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)。

4 工程總結(jié)

本次挖溝工程使用了新設(shè)備、新工藝，又面臨這作業(yè)海域環(huán)境復(fù)雜，水深較大的困難。但是經(jīng)過前期充分的施工準(zhǔn)備、合理有效的組織施工，施工人員以精準(zhǔn)到位的指揮和施工配合，安全、高效、優(yōu)質(zhì)地完成了此次難度較高的挖溝任務(wù)，新型動力定位非接觸式挖溝技術(shù)在我國得到了首次成功應(yīng)用。本次工程經(jīng)驗及改進(jìn)思路總結(jié)如下：

（1）船舶挖溝時的艏向，需要根據(jù)現(xiàn)場海況環(huán)境而定，一般盡量選為與管線平行或垂直。兩者的區(qū)別在于垂直走時溝形較寬（約12m）但溝深較淺，平行走時由于前后噴嘴沖刷兩次，會使溝深略深，但溝形較窄（3～5m）。

（2）挖溝機噴嘴距管頂高度安裝設(shè)計要求需要保持在1.5～2m之間，在遇到較硬泥質(zhì)的情況時，也可以視情況適當(dāng)降低至0.8～1m高度，但要密切關(guān)注挖溝機垂蕩，出現(xiàn)較大幅度升沉?xí)r應(yīng)及時提升挖溝機高度，以免挖溝機噴嘴與管線發(fā)生碰撞，造成管道損傷。建議安裝帶有主動升沉補償功能的絞車，減小挖溝機的垂蕩幅度。

（3）挖溝速度視泥質(zhì)情況一般選為0.02～0.05m/s，遇到非常松軟的泥質(zhì)時，也可適當(dāng)提速。

（4）挖溝機的水下會受到水流的很大影響，加上船舶移動時本身的擺動，從而產(chǎn)生明顯擺動。如果擺動較大的話，非常不便于挖溝狀態(tài)的監(jiān)控，往往造成挖溝路由偏離管線?？赏ㄟ^適當(dāng)調(diào)整兩根牽拉鋼絲來減小挖溝機擺動。

（5）用聲吶掃測挖溝管線存在一定缺陷，因為在挖溝過程中，挖溝機沖出大量泥沙，在海底水流較小的情況下，懸浮的泥沙會影響聲吶掃測效果，造成管線和溝形難以辨識，對挖溝過程的監(jiān)控造成很大干擾，可通過安裝更先進(jìn)的TSS磁力探測裝置來解決。