海底管道挖溝技術與設備的分類及適用范圍

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海底管道挖溝技術與設備的分類及適用范圍

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

為了保證海底管道的穩(wěn)定性并降低其受第三方破壞的風險，通常對淺海海底管道采用挖溝埋設方式進行保護。介紹了海底管道挖溝埋設法的技術特點及其設備。對海洋工程常用的挖溝設備及其性能和優(yōu)缺點進行了詳細闡述，同時對水下挖溝方法及其施工機具的選取進行了論述。相關原理和技術可為埋設海底管道挖溝施工方案的前期研究提供參考。

海底管道；挖溝技術；施工設備；土壤

0 引 言

海底管道是連接油井與平臺及平臺與陸上儲運設施的油氣輸送工具。為防止海底管道遭受破壞，工程上會采取多種保護方案和措施，最為常見的施工工序是開設溝槽對管道進行埋設[1]。這種既經(jīng)濟又有效的工程措施不僅能使管道免于因水質點動力作用而發(fā)生失穩(wěn)，還具有保護管道防止受到機械損傷、消除或減小自由懸跨、抑制管道的隆起屈曲、增加管道的熱保溫效應等效果。

目前，我國海底管道鋪設普遍采用S型鋪管法，一些水深較淺的項目會采用拖拉法或浮拖法。根據(jù)項目的設計及施工要求，海底管道某些關鍵路由段需要預開溝后鋪管，如登陸段(潮差帶)或航道(水道)段。而對于無特殊設計要求的一般路由段，通常都會在正常鋪管之后執(zhí)行挖溝。海底管道的埋設方法分為預挖溝埋設、后挖溝埋設及自埋式，對應的常見挖溝設備有挖泥船、噴射式挖溝機、挖溝犁等。選取海底管道挖溝埋設方法及設備，一般要根據(jù)海域水文環(huán)境、路由地質條件、設計要求及工程經(jīng)濟性來統(tǒng)籌考慮。本文將重點針對海底管道挖溝技術及其相應設備的性能和優(yōu)缺點進行論述。

1 挖溝埋設法

按照鋪管的順序，海底管道埋設方法可分為預挖溝埋設和后挖溝埋設法。預開溝埋設法為機械式挖溝，而后開溝埋設法可分為機械式開溝和自挖溝。自挖溝技術，即自埋法，是海底管道一種比較特殊的后開溝方式。下面將逐一介紹各種挖溝埋設方法的特性及所使用的施工設備。

1.1 預挖溝埋設法

預挖溝埋設法，是在管道預定埋設位置，使用水下有關的機具設備，在管道鋪設之前把管道的海底溝槽按照規(guī)定要求開挖出來，隨后再鋪設管道并進行回填埋設的方法。該方法目前在海底管道登陸段(潮差地帶)、后挖溝船舶無法進入的地帶及特殊保護段經(jīng)常采用。此法通常需要開挖較大土方量，且需要工程回填。預開挖溝槽斷面具有較好的坡度比，溝底平整度高，如圖1所示。

預開溝按照使用設備的不同可分為抓斗式挖泥船開挖、吸揚式挖泥船開挖、鏈斗式挖泥船開挖、水下鏟斗式挖泥船開挖和爆破方法開挖。幾種不同的挖泥船如圖2～4所示。

圖1 預開溝溝槽斷面圖Fig.1 Pre-trenching section

圖2 抓斗式挖泥船F(xiàn)ig.2 Grab dredger

圖3 吸揚式挖泥船F(xiàn)ig.3 Pipeline dredger

圖4 鏈斗式挖泥船F(xiàn)ig.4 Bucket dredger

對于普遍的預開溝作業(yè)，抓斗式挖泥船是一種最為常用的設備。該方法通過抓斗的自重切土挖泥，將裝滿疏浚土的泥斗提升至水面，開斗卸泥。由于土方量較大，因此為防止抓斗內懸浮物污染環(huán)境，應在作業(yè)區(qū)域內設置淤泥屏障，限制渾濁水大范圍擴散。

1.2 后挖溝埋設法

后挖溝埋設法是在管道鋪設以后或鋪設的同時，將管道埋置在海床面以下要求的深度。由于該方法效率高，因此在沒有預開溝特殊要求的區(qū)域，通常會優(yōu)先考慮使用。根據(jù)挖溝的方式，后開溝埋設方法可分為水力(噴射)式、機械式和犁式三種。水力(噴射)式挖溝機的基本原理是應用高壓水把海床上的土壤沖開吸走，機械式挖溝機是采用通常的挖掘方式把海床上的土壤挖走，而犁式挖溝機的工作方式與犁地類似。

水力(噴射)式挖溝裝置的結構較為簡單，安裝有一排垂直噴嘴，噴射泵將高壓水從噴嘴噴出，從而沖動海底管道下方及周圍的土體。裝置上的吸泥泵同時會將沖動后懸浮的泥漿吸走，管子靠自重沉入沖出的溝槽。挖溝機如圖5所示。

犁式挖溝裝置下方安裝類似于犁的機械挖掘機構，由水面挖溝船或拖輪牽引前進。該挖溝機會將海床土壤翻轉到溝的兩側，使管道靠自重沉入溝底。該裝置可通過改變犁的形狀而控制溝的型面，也可用于回填作業(yè)。犁式挖溝機如圖6所示。

圖5 水力(噴射)挖溝機Fig.5 Hydraulic jet trencher

圖6 犁式挖溝機Fig.6 Ploughing trencher

機械切割式挖溝裝置下方安裝有絞刀(具)，水下作業(yè)時對土壤實施機械式切割，使其剪切破壞，管道靠自重沉入溝底。該挖溝設備可在水面拖船的作用下通過夾緊管道前進或是啟動機械履帶在海底自我行走，其結構如圖7所示。

圖7 機械切割式挖溝機Fig.7 Mechanical cutting trencher

1.3 管道自埋技術

海底管道自埋技術是一種經(jīng)濟實用的埋設方法。目前，阻流器代表了海底管道自埋法中最新的技術成果。如圖8所示，該裝置類似于固定在管道上的“鰭”，通過金屬鋼帶綁定在管道頂部。其工作原理是“鰭”片使管道的周圍產(chǎn)生渦流，反復沖刷管道底部的土壤，當管道下方土壤逐漸出現(xiàn)孔洞時，管道會在自重和“鰭”動力的共同作用下，逐步沉入海床。如管道埋設深度不足或海床表面出現(xiàn)沖刷，則該裝置會繼續(xù)發(fā)揮作用，自動調節(jié)管道的埋設深度。該技術不僅比傳統(tǒng)的機械開溝所需的施工費用低，而且在管道運營期間，避免了由于海床變化而造成管道懸空或裸露帶來的危險。

圖8 阻流器Fig.8 Spoiler

2 挖溝設備的選擇

海底管道開溝機械設備眾多，但目前還沒有一種在任何水深、管徑、海底土質條件下都能經(jīng)濟地進行施工作業(yè)的萬能型海底開溝機械[2]。應充分結合地域條件及工程經(jīng)濟性等因素合理選擇預開溝設備和后開溝設備。

2.1 預開溝設備

此類施工機具應根據(jù)海底土質和水深等條件，選取合適的溝槽開挖方法。各種開挖方法適用的土壤范圍如表1所示。對于堅硬底層，要預先爆破炸松后再用適當?shù)臋C具在水下清理成要求的溝槽。

表1 預開溝設備的選擇Table 1 Comparison of pre-trenching tools

2.2 后開溝設備

噴射式挖溝機應用較為廣泛，分為接觸式和非接觸式。常用于淺海(近海)海域及一般黏土及砂土屬性的海床。理論上可處理土壤剪切力在80 kPa以下的海床。平均作業(yè)水深為0～90 m，單遍挖溝深度最大可達3 m，挖溝速度普遍為1.5～2 km/d，可以處理管道懸跨的海床修正作業(yè)。

犁式挖溝機適合深海硬質海床的挖溝作業(yè)，能有效防止土壤重新落回溝內。理論上可處理土壤剪切力在300 kPa以下的海床。同時，由于挖溝犁通常較重，在松軟的土壤極易沉降，因此不適合軟泥質、松散土壤的挖溝作業(yè)。對于硬質土質，溝深可達2.5 m，挖溝速度為4.3～10 km/d。一般不用于處理懸跨作業(yè)。

機械切割式挖溝機[3]作業(yè)水深范圍大，功率消耗低，適應性強，且操作方便。按工作裝置作業(yè)原理，分為鏈式、盤狀旋削式和柱狀銑削式挖溝機。理論上可處理硬質海床，尤其是巖石質海床。不適合較軟的黏土。對砂質土壤或硬質黏土工作效率低。溝深可達3 m，挖溝速度為7.2～13 km/d。一般不用于處理懸跨作業(yè)，且僅適用于處理小尺寸管道的挖溝作業(yè)。

2.3 自埋式挖溝設備

由于無需機構作業(yè)，故自埋式挖溝設備[4]可節(jié)省大量人工和海上作業(yè)費用。能減小海底管道所需的混凝土層厚度，制作費用低，安裝方便，且能抑制管道的渦激震動，有助于防止高溫高壓管道發(fā)生隆起屈曲。相比機械挖溝，該挖溝埋設過程對海底環(huán)境影響較小。適用于砂質土壤海床或是海底沖刷比較嚴重的區(qū)域，理論上不適用于較硬土質的海床。

綜上所述，無論選擇哪種挖溝機都應重點考慮海床土壤情況，同時需要結合周邊管道分布、海上作業(yè)效率及施工難度等，全面考慮后才能做出合理選擇。

3 結 語

對于埋設海底管道，選擇挖溝作業(yè)方法及相應的施工機具，除應考慮土壤屬性、設計要求、海床平整度、海上施工作業(yè)效率、對其他資源及環(huán)境保護的影響等技術上的因素外，還需結合施工成本及工期、施工的質量及安全等因素綜合考慮。對于預挖溝埋設管線，由于開溝方量較大，而且常需要拋石保護，從工程經(jīng)濟性考慮，應合理選擇管線路由，避開不良地質條件及海洋功能區(qū)劃，盡量優(yōu)化挖溝段的長度和埋設深度。對于后挖溝埋設管線，若海床地質情況良好，應盡量選擇作業(yè)效率高且成本低廉的施工機具，如噴射式挖溝機。通過對海底管線挖溝方法及其設備的研究，本文認為海管路由的土質屬性應作為選擇挖溝作業(yè)方式的首要因素。

[1] 余志兵，陳海龍. 海底管道在位強度分析[J].中國造船，2007，48(增刊):591.

[2] 遲令寶. 海底犁式挖溝機總體結構研究[D] .哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

[3] 張國光. 世界著名水下開溝機械設計施工公司與機型介紹[J].海洋技術，1996(2)：53.

[4] 陳國祥，李春，唐海燕. 采用阻流板的海底管道自埋技術[J].中國造船，2005，46(增刊):365.

ClassificationandApplicationofOffshorePipelineTrenchingTechnologyandEquipment

GAO Song

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

To assure the stability of offshore pipeline and avoid hazard from the external environment, normally the pipelines are protected by trenching in the shallow sea. The pipeline trenching methods and installation tools are presented, and their function and characteristics are described. Furthermore, the selection of trenching methods and tools are studied. This research can provide the solution to trenching method of offshore burial pipeline in the earlier stage of engineering design.

offshore pipeline; trenching technology; installation tools; soil

2015-03-10

高嵩(1980—)，女，工程師，主要從事海洋工程結構方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2015)03-0205-04