懸跨海底管道犁式填埋設備設計

王雷，徐興平，王言哲，王慧莉

（1.中國石油大學機電工程學院，山東青島 266580；2.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000）①

海底管道作為一種高效、經濟的運輸方式，在現今的海洋工程中已得到廣泛應用，是海上油氣開發的重要組成部分［1－3］。海底管道所處海洋環境情況復雜，工作條件惡劣，在海流的長期沖刷和海底地質災害頻發的工作條件下，管道周圍和承載管道的泥沙很容易被掏空，使海底管道產生懸跨段［4］。懸跨段周圍由于海流經過產生的周期性的渦旋發放，引發懸跨段周期性振動。這種周期性振動是引發管道疲勞失效的主要因素之一［5－6］。如果不能盡早對懸跨段進行治理，任由懸空部分不斷擴大，很可能使海底管道疲勞斷裂，造成巨大的經濟損失和海洋污染。

近年來，海底管道懸空治理的措施主要有水下支撐固定法、沙袋填充法、撓性軟管跨接法等［7－10］。其中拋填砂袋、水下支撐都屬于主動支撐的方法，施工簡單快速，但在海流的沖刷下容易形成再次懸空。撓性軟管跨接法施工簡便，可靠性高，但抵御意外風險能力較弱。

基于施工簡單、可靠性高的海底管道治理原則，本文根據海底犁式挖溝機的工作原理，提出了使用犁式原理，進行海底沙土的挖掘及轉移，進行管道懸跨段填埋的設想，并設計了用于懸跨段填埋的設備模型。

1 犁式填埋設備設想及總體設計方案

由于海流對海底沉積物的沖刷，埋地一定深度的海底管道會產生部分懸空，海流流經懸空段時產生的渦流會加速懸跨段周圍海底的沖蝕，造成懸跨段長度和高度不斷增加。為了對懸跨管道進行及時治理，最容易的方法就是對懸跨管道進行二次填埋。

懸跨海底管道填埋設備的設想來自于海底犁式挖溝機。海底犁式挖溝系統是目前國際上一種較為先進的水下挖溝系統。外國公司研制生產的海底挖溝機械已經能夠在較大的作業水深、較惡劣的水下環境中進行作業。我國的水下挖溝設備起步較晚，技術相對落后［11－12］。海底犁式開溝的設想于1975年首次提出，并在1977年由瑞士RJBA 公司和英國SMD 公司聯合設計制造出了世界上第1臺海底犁式挖溝機［13］。這些年來國外公司取得了大量工程設計和研究經驗，其研制的犁式設備也越來越先進，作業能力越來越強。犁式挖溝機用于管道鋪設時，機器在海底面作業，犁體進行開溝，并將泥土翻于所開溝壑兩側海底面上，然后將管道放于溝內，依靠海流將溝兩側堆積的泥土沖入溝內掩埋管道。根據挖溝機的工作原理，設想對于已埋設的海底管道，在靠近管道懸跨處進行開溝翻土，將翻出的土壤轉移至懸跨處便可用于懸跨管道的填埋。由此設想而設計的懸跨管道填埋設備整體結構如圖1所示。

設備主要工作方式為：

1）設備由拖船拖至預定位置，通過專用起吊架將設備放置于管道上方，使設備跨于管道上。此過程可由水下ROV 協助定位。

2）前端支撐腿帶動滑靴發生位移，使設備前傾，滑靴位移高度為犁體開溝深度。

3）水面牽引船拖拽設備移動，犁體在自重力作用下切入海床中開始切削并翻轉泥土。設備移動過程中，由后端的擋板將犁體翻轉出的泥土進行歸攏，并隨設備的移動轉移泥土。當設備到達管道懸跨溝槽處時，泥土掉入溝槽，實現懸跨管道的填埋。

4）作業完成后，支撐腿帶動滑靴位移至原位，犁體整體脫離海床。

圖1 犁式填埋設備整體結構

2 犁體的設計

犁體是懸跨管道填埋設備的最重要部分之一，犁體的設計決定了其碎土、翻土的性能，從而決定了設備的工作性能及效率。

犁體工作面可看作由多個微三面楔組成的曲面［14－15］。定義x 軸正方向為犁體前進方向，每個三面楔包括入土角γ′，翻土角β′，推土角α′，如圖2。3個角同時作用，將泥土耕起、切斷、翻轉。

圖2 犁體工作微三面楔原理

犁體曲面形狀是空間任意曲面［16－17］。目前，水平直元線法是犁體曲面設計中技術最成熟、應用最為廣泛的方法。犁體曲面的形成可以看作是由動線在空間按照一定的規律運動而成。動線為水平直元線，始終平行于水平面，在向上運動的過程中始終與鉛垂面N 內的導曲線相貼靠，且與溝壁的水平夾角θ是隨直元線的高度變化的，如圖3。

導曲線方程可表示為

式中：y′2＝（y＋Acosθ0）2＋（x－Asinθ0）2；A為初始直元線OO′的長度。

通過導曲線的切線角e，切線夾角Δe，高度h 和開度l確定a′，b′，c″，d′。

圖3 水平直元線法示意

犁體翻土曲面方程為

式中：Δθ為最大直元線角與初始直元線角的差值；θi、xi、yi分別為高度為zi的第i 條直元線對應的直元線角度及其與導曲線的交點；t為中間變量。

按照犁式填埋設備的設計思想，設備跨于管道上，為了不影響已埋的管道，在盡量遠離管道的兩側開溝，將翻轉出的土壤轉移，填于管道的懸空處。由此，所開溝型如圖4所示，在靠近管道一側，開溝坡度應盡量平緩，遠離管道一側的土壤在海流作用下，向所開溝槽內流動，這樣就減小了開溝対管道的影響。

圖4 溝型示意

3 滑靴及支撐腿的設計

設備選擇滑靴式前進裝置，在外力拖動的情況下，由大面積的滑靴底面接觸海底，滑動前進。滑靴與海底面接觸面積大，減小了設備對海底面的壓力，避免設備下陷。支撐腿與液壓缸結構便于調節滑靴的高度，并在設備前進時，根據不同海底地貌調節滑靴俯仰角度，起到緩沖減震作用。

滑靴與支撐腿的結構如圖5所示。支撐腿采用鉸接與機架和滑靴連接，方便調整。液壓缸1和液壓缸2配合調節，通過液壓缸1的驅動，可以調節支撐腿的垂直高度；液壓缸2調節滑靴，使滑靴保持水平，并增加支撐點，改善支撐腿的單一受力狀態。

圖5 滑靴及支撐腿示意

如圖6所示，當滑靴位于最大位移處，支撐腿達到上限位置，此時犁體進行最大開溝深度作業；當滑靴位于最小位移處，支撐腿達到下限位置，犁體與海底面剛好分離，不進行開溝作業。

圖6 設備狀態示意

4 轉向裝置設計

由于設備設計中采用滑靴式牽引滑動前進方式，設備轉向有一定困難，所以在設備前端設計轉向輔助裝置。在需要轉向時，拖船前進方向改變，設備在轉向裝置的幫助下，由牽引纜繩的牽引，改變前進方向。

圖7為與機架相連的轉向裝置。其中，連桿、液壓缸、三角調整架為組成轉向裝置的主要部件。液壓缸兩端分別連接牽引吊耳與機架上的三角支架；連桿連接牽引吊耳與三角調整架；三角調整架的一角與機架連接，使之可繞連接點擺動。牽引吊耳如圖8，連接拖拽纜繩、機架與轉向裝置，能夠繞其與機架的連接處擺動。當拖船航向發生變化，液壓缸調節牽引吊耳，使吊耳的角度隨纜繩而變化，同時兩端的連桿與三角調整架使兩邊的吊耳轉動角度對稱，加強了轉向裝置的穩定性。

圖7 與機架相連的轉向裝置

圖8 牽引吊耳

5 結論

1）提出了利用犁式開溝技術的海底管道懸空段填埋的設想，并初步設計出進行懸空填埋的設備。對犁體、滑靴和支腿進行了分析和研究，并給出了設計方案。

2）犁式填埋設備用于海底管道懸空段填埋，理論上可行，并且施工方便。需要進一步對設備整體進行功能的完善及細化。對主要受力部件進行承載能力計算及分析，提高可靠性。通過試驗進行改進，提高可用性。最終實現利用犁式技術對懸跨海底管道進行填埋的設想，為海底管道的安全運行服務。

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