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(duì)海底管道進(jìn)行保護(hù)，通常需要對(duì)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(xiàng)目海管后挖溝工程中，上海打撈局國(guó)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(duì)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(duì)此次海管挖溝工程進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)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(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，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(yùn)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(xiàng)目海管后挖溝工程中，上海打撈局在國(guó)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(dòng)力定位船舶作為搭載平臺(tái)，采用水下懸吊式、非接觸、大流量泵抽水噴沖除泥原理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管線進(jìn)行挖溝。最大特點(diǎn)就是與現(xiàn)有管線不進(jìn)行直接機(jī)體接觸，不存在挖溝機(jī)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(guó)石油化工股份有限公司和中國(guó)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(xiàng)目已鋪設(shè)完成三條海底12寸水泥配重氣管線，編號(hào)及長(zhǎng)度分別為：

（1）P1管線：長(zhǎng)約16km；

（2）P2管線：長(zhǎng)約20.5km；

（3）P3管線：長(zhǎng)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(shí)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(shí)際鋪管路由，并結(jié)合調(diào)查設(shè)備，確保挖溝作業(yè)不會(huì)對(duì)海管造成損傷。

2 施工資源介紹

2.1 “聚力”號(hào)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(dòng)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(dòng)力定位浮吊船“聚力”號(hào)。搭載挖溝機(jī)后的“聚力”號(hào)見圖2-1。

“聚力”號(hào)船長(zhǎng)132m，寬35m，型深10.5m，具有DP2級(jí)動(dòng)力定位能力，主要作業(yè)參數(shù)如下：

（1）工作水域：我國(guó)近海5～6級(jí)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(jí)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(jī)系統(tǒng)

深水非接觸挖溝機(jī)系統(tǒng)系由上海打撈局設(shè)計(jì)并建造完成的，見圖2-2。本套深水非接觸挖溝機(jī)系統(tǒng)大體可分為水面和水下兩大部分：水面主要是動(dòng)力系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；水下則主要是挖溝機(jī)本體。與ROV的作業(yè)方式相似，挖溝機(jī)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(cè)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(qiáng)度：≤55kPa；

（6）最大流量：40 000m3/h；

（7）最大揚(yáng)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(jī)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(hào)，作業(yè)時(shí)船舶以動(dòng)力定位模式按照順序分別沿P1、P2和P3管線的設(shè)計(jì)路由行進(jìn)挖溝，挖溝起始端的選擇會(huì)影響船舶方位，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)附近，并對(duì)船舶DP性能進(jìn)行測(cè)試，確保施工船舶DP模式下運(yùn)行穩(wěn)定后。隨后在挖溝起始點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行一次完整的吊放、試挖溝、回收過程測(cè)試，監(jiān)測(cè)挖溝機(jī)各項(xiàng)性能是否處于良好運(yùn)行狀態(tài)，并記錄挖溝機(jī)試挖過程中軸流泵、噴射管、控制系統(tǒng)等的各項(xiàng)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(jī)下放

船舶、設(shè)備測(cè)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(shí)際鋪設(shè)路由，將以設(shè)計(jì)路由為參考，使用挖溝機(jī)本身的多波束聲吶系統(tǒng)尋找海管實(shí)際位置。即按照設(shè)計(jì)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(jī)下放時(shí)，船舶先停在距挖溝點(diǎn)外20～30m處，下放挖溝機(jī)至泥面高5m左右的位置，通過挖溝機(jī)自帶多波速聲吶、高度計(jì)、水下羅經(jīng)、USBL、攝像頭等監(jiān)測(cè)設(shè)備，確定挖溝機(jī)相對(duì)海管位置以及距離挖溝點(diǎn)處泥面的高度，從而來調(diào)整船位和挖溝機(jī)高度。挖溝機(jī)作業(yè)示意圖如圖3-1所示。

（3）起始挖溝點(diǎn)造坡

為了保證管道不受較大的彎曲應(yīng)力，后挖溝起始點(diǎn)開始一段需要進(jìn)行造坡，此套非接觸挖溝機(jī)通過逐漸改變挖溝機(jī)與海床面的高度來改變挖溝深度，從而實(shí)現(xiàn)起始端造坡。即在起點(diǎn)處，將挖溝機(jī)的高度適當(dāng)調(diào)整，啟動(dòng)挖溝機(jī)，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(jī)，即減小挖溝機(jī)與海床面的高度來向下造坡。造坡過程中，通過多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)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(jī)距海床面約1～1.5m的高度。沿路由挖溝時(shí)，通過挖溝機(jī)上的監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控海管與挖溝機(jī)的相對(duì)位置，出現(xiàn)偏差及時(shí)通過調(diào)整船位來保證挖溝機(jī)與海管的相對(duì)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(jī)控制屏幕，記錄挖溝過程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，定時(shí)或?qū)χ攸c(diǎn)位置的聲吶掃測(cè)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(cè)設(shè)備中出現(xiàn)疑似挖深不夠的情形時(shí)，應(yīng)及時(shí)通過調(diào)整挖溝機(jī)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(jì)要求。

（5）挖溝終點(diǎn)段造坡

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

（6）挖溝機(jī)回收

挖溝過程中如果遇到惡劣海況不適宜挖溝作業(yè)時(shí)，在滿足海管和挖溝機(jī)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(jī)。回收挖溝機(jī)時(shí)，在挖溝機(jī)出水時(shí)使挖溝機(jī)緊貼船艕，并配備有防撞輪胎和滑槽裝置，使挖溝機(jī)能順利就位于甲板擱架，上述措施能減少母船搖晃對(duì)挖溝機(jī)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(jī)。若出現(xiàn)挖溝中斷，回收挖溝機(jī)前要記錄其挖溝中斷點(diǎn)的精確位置。在重新開始施工時(shí)，施工船舶以中斷點(diǎn)為基點(diǎn)沿海管實(shí)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(diǎn)。

（7）挖溝后調(diào)查

按照設(shè)計(jì)路由完成全部挖溝工作后，由交通船攜帶掃測(cè)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(bǔ)挖。補(bǔ)挖需重點(diǎn)記錄挖溝位置數(shù)據(jù)、聲吶掃測(cè)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(dòng)力定位非接觸式挖溝技術(shù)在我國(guó)得到了首次成功應(yīng)用。本次工程經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)思路總結(jié)如下：

（1）船舶挖溝時(shí)的艏向，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)溝形較寬（約12m）但溝深較淺，平行走時(shí)由于前后噴嘴沖刷兩次，會(huì)使溝深略深，但溝形較窄（3～5m）。

（2）挖溝機(jī)噴嘴距管頂高度安裝設(shè)計(jì)要求需要保持在1.5～2m之間，在遇到較硬泥質(zhì)的情況時(shí)，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(jī)垂蕩，出現(xiàn)較大幅度升沉?xí)r應(yīng)及時(shí)提升挖溝機(jī)高度，以免挖溝機(jī)噴嘴與管線發(fā)生碰撞，造成管道損傷。建議安裝帶有主動(dòng)升沉補(bǔ)償功能的絞車，減小挖溝機(jī)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(shí)，也可適當(dāng)提速。

（4）挖溝機(jī)的水下會(huì)受到水流的很大影響，加上船舶移動(dòng)時(shí)本身的擺動(dòng)，從而產(chǎn)生明顯擺動(dòng)。如果擺動(dòng)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(jī)擺動(dòng)。

（5）用聲吶掃測(cè)挖溝管線存在一定缺陷，因?yàn)樵谕跍线^程中，挖溝機(jī)沖出大量泥沙，在海底水流較小的情況下，懸浮的泥沙會(huì)影響聲吶掃測(cè)效果，造成管線和溝形難以辨識(shí)，對(duì)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(cè)裝置來解決。