專業挖溝船的設計建造關鍵技術

彭秀清, 黃秋云, 蔣勇剛, 徐進初

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著陸地油氣資源的枯竭，油氣開發不斷向海洋擴展，海底管線作為海洋油氣輸送工具，具有安全、高效、連續的優勢，逐漸成為油氣輸送的主載體，是連接海上石油平臺與陸地的重要通道。海底光纜作為國際互聯網的骨架，在國際互聯互通中起著重要作用，增加光纜敷設是大勢所趨。同時，海底電纜作為島礁的能源供給和岸礁通信，相對建設燃料供電站，具有運行成本低、維護簡單、可靠性高的優勢，對于分布有6 000多個沿海島嶼的中國而言，將起到能源輸送的重要作用。上述在國家海洋開發起到重要作用的海底管線、光纜和電纜，若裸露敷設在海床上是極不安全的，易受風浪、潮流、海床滑移、沉積物遷移、海底地貌凹凸不平等自然因素以及船舶錨具、漁船拖網等人為因素的損壞。為保證海底管線、光纜和電纜長期安放于海底，需挖溝埋設，而挖溝船就是該項作業的關鍵工具。

目前國內還沒有專業的挖溝船，主要依賴租賃進口挖溝船或者改裝已建船舶，2015年交付的“海洋石油291”多功能船，具有犁式挖溝作業能力，但存在作業能力弱、不全面等問題。

為改變國內沒有專業挖溝船的現狀，降低挖溝作業風險，提高作業效率,減少對外租船舶的依賴，海油工程總公司經對國內外市場的深入調研和考察，決定建造1艘管道挖溝動力定位工程船。

該船為國內自行設計、建造，擁有自主知識產權，是首艘功能齊全、性能先進的挖溝作業船舶，主要用于海管挖溝、應急搶修、膨脹彎安裝、電纜敷設、遙控無人滑水器(Remote Operated Vehicle, ROV)和飽和潛水支持等作業。

1 主要作業原理和設備需求

中國沒有專業的挖溝船，在設計和建造上都存在空白。在與船舶所有人的充分溝通中了解到，幾種挖溝機[1]各自重約80 t，常見挖溝作業分為犁式挖溝、噴射式挖溝(自行式和拖曳式)和機械式挖溝[2]。本船的作業方式設計為噴射式挖溝，其主要作業需求有：艏部海管挖溝作業、艉部海管挖溝作業、艉部海管膨脹彎安裝、海底埋纜作業、潛水作業和ROV支持。其主要作業原理分別如下。

(1) 艏部海管挖溝作業。挖溝機由鋼絲繩牽引工作，鋼絲繩由艏樓的35 t絞車收放，經艏樓前的4滾輪導纜柱限位，繞過艏柱上的限位凹槽連接挖溝機。挖溝機由艉部門架吊放下水(見圖1)，挖溝機的電源由上建后壁的工作取電箱供電，經100 t吊機配合下發臍帶電纜連接挖溝機。挖溝機騎在海管上由鋼絲繩牽引行走(見圖2)，挖溝機的電纜和提升鋼絲繩由100 t吊機輔助跟隨挖溝機行走。挖溝機由船舶航行拖帶在海管上行走[3]，通過噴管將海管下的泥沙吹松后，由吸管把泥沙抽走排到旁邊，管路下沉進行作業。

圖1 門架吊放挖溝示例

圖2 海管挖溝作業示例

挖溝機的方向應盡量與海管方向一致，防止損壞海管。挖溝機的行走方向由船舶方向決定，因此船舶的方向應盡量與海管方向一致，在作業中應注意修正船舶方向。挖溝機挖溝時不能太快，須控制好速度，才能保證挖溝深度，挖溝機工作時由ROV輔助定位，自帶聲吶掃描確定挖溝深度。由100 t門架和100 t吊放絞車組合將挖溝機吊放入海，緩慢下放騎于海管上方，由水下聲吶進行定位觀察和指導。

(2) 艉部海管挖溝作業。艉部海管挖溝作業類似于艏部海管挖溝作業，都是從艉部吊放挖溝機，只是牽引挖溝機作業的鋼絲繩1個在船首，1個在船尾。

(3) 艉部海管膨脹彎安裝。 安裝膨脹彎是鋪海管的重要一環，是用于平臺管路和海底敷設管路連接的橋梁，有效吸收管路熱脹冷縮，可以有效減少海管和平臺管的損壞。膨脹彎長約40 m，由艉部100 t帶波浪補償的吊機將其吊放到海底對應位置，再由潛水人員配合定位安裝工作。

(4) 清管及試壓。在海管敷設完成后，由于焊接過程會導致海管中存在焊渣等雜物，影響原油輸送安全，為此需要進行清管試驗確保安全。清管工作主要是通過海工吊將清管發射器和接收器吊下海底與海管兩端連接，通過往發射端連接的管路灌注海水，使得帶鋼絲刷的清潔球從一端發射到接收端，將海管內的焊渣等雜物帶走，達到清管目的。試壓與清管類似，需要海工吊將工裝管吊入海里與海管一端連接，另一端用盲板盲死，連接和盲死工作由潛水員完成，之后由船上往工裝管內注水試壓，檢查船上試壓單元壓力表變化。

(5) 應急搶修。應急搶修是在海管發生泄漏時，通過海工吊將檢修器吊入海里定位到海管泄漏位，潛水員將維修器安裝好排水后，人員進入檢修器維修管道，或者直接將管道補漏器用海工吊定位至海管泄漏位，由潛水員擰緊，維修好管路。

對挖溝船主要作業原理進行分析，為實現這些功能，需配備以下設備。

(1) 為膨脹彎安裝、清管試壓、應急搶修等作業支持的100 t海工吊(帶波浪補償)；

(2) 為挖溝機收放服務的100 t門架、110 t吊放絞車；

(3) 為艏部挖溝埋纜等作業支持的拖纜凹槽結構(艏部作業限位)、4滾輪導纜柱、35 t拖曳絞車；

(4) 為艉部挖溝埋纜等作業支持的液壓擋銷(艉部作業限位)、110 t拖曳絞車；

(5) 為挖溝作業、潛水作業、ROV作業等供電支持的對外取電箱、作業配電板和操作站；

(6) 為挖溝和埋纜前行提供拖力的母船推進系統；

(7) 供作業設備擺放用的充足的甲板面積。

2 關鍵設備裝船設計和安裝技術要求

從第1節分析可以看出，挖溝船關鍵設備裝船設計和安裝技術要求如下。

2.1 作業甲板

挖溝船需擁有寬敞的作業甲板，以保證擁有足夠的作業空間，也就要求艉部甲板設備、管路、舾裝件等需集中布置，避開作業區域。由于挖溝船綜合多種作業功能，主要作業區域集中于艉部門架區域(吊放拖曳式和犁式挖溝機)、右舷FR 30～FR 72肋位(收放ROV、潛水鐘、自行式挖溝機)、左舷FR 35～FR 72肋位(吊放膨脹彎、清管試壓收發接收器、應急搶修檢修器)。因此，這些區域不能有阻礙作業的固定件，欄桿也必須做成可拆部件，作業時拆除。此甲板面布置的難點在于將透氣管和通風管集中布置在不影響作業的區域，而且還不影響破艙穩性，這就要求管路布置時采用一定技巧，即管路都要到船中安全區后再往前后穿過水密壁或加水密閥，以避免破壞穩性。

2.2 100 t門架和吊放絞車

這2個設備組合為一套艉部吊放系統[4](見圖3)，用于收放拖曳式和犁式挖溝機。根據常用挖溝機的質量和外形尺寸要求門架吊重100 t，門架吊高15 m，門架內凈寬為12.5 m，外放角度約為50°，回收約23°，不與甲板吊干涉。吊放絞車能力在100 t，配合門架的行程設置導向滑輪，并且不影響挖溝機吊放作業。

圖3 艉部吊放系統甲板布置

吊放系統的關鍵點在于門架和絞車的安裝。門架兩邊須盡量水平，才能保證門架兩側行程同步，確保吊放受力平衡，門架才能可靠耐用。絞車出繩通過滑輪導向后上到門架，須確保排纜器出繩角度與導向滑輪匹配，才能保證鋼絲繩的順暢，確保使用壽命。在建造過程中須注意：其一，廠家對于設備底座安裝要求較高，重點控制左右兩舷1 740 mm×6 290 mm加厚甲板的平面度和粗糙度符合精度要求，必要時進行銑床加工；其二，注意定位準確性,尤其需保證兩側軸承的同軸度和門架兩支腿座的平行度；其三，注意鉆孔攻牙的準確性，避免錯孔滑牙。

2.3 100 t吊機

依托船舶配置的100 t帶波浪補償海工吊作為膨脹彎安裝、清管試壓、應急搶修、門架拆除等作業核心設備，受吊放物件尺寸和質量等作業需求，配備100 t@15 m吊寬，40 t@30 m吊寬、吊高約30 m、最大作業半徑為32 m、作業水深300 m、波浪補償速度80 m/min的吊機。其安裝關鍵在于筒體法蘭平面度的加工精度為0.2 mm[5]以及筒體對接焊，吊機后部不影響門架的使用，再次海上調試波浪補償系統。

2.4 100 t牽引絞車和液壓擋銷

這2個設備組合主要用于挖溝機尾部牽引作業，使得挖溝機順著管道行走挖溝，由牽引絞車產生拖力，液壓擋銷對牽引鋼絲繩限位。其安裝關鍵是絞車的調平和擋銷的焊接。絞車和液壓擋銷的調試重點是完成100 t拖力試驗。

2.5 35 t牽引絞車、拖纜凹槽結構和4滾輪導纜柱

在艏樓船中FR 148肋位處往后10 mm布置35 t牽引絞車、FR 155肋位附近布置4滾輪導纜和FR 148肋位附近布置拖纜凹槽結構柱，組成艏部拖帶系統，主要用于挖溝機艏部牽引作業(見圖4)，由35 t牽引絞車產生拖力，經4滾輪導纜柱限位繞過艏樓，再經拖纜凹槽結構限位，繞過艏柱到船底牽引挖溝機作業。

圖4 艏部拖曳作業圖

其安裝主要關注絞車的調平、拖纜凹槽結構的焊接以及艏部牽引作業的試驗。拖纜凹槽結構呈W型，最厚處為130 mm，最薄為40 mm，形狀沿艏柱線型而變化，承受牽引繩的壓力。同時，拖纜槽長期浸泡在水里，焊接質量非常關鍵，需要對其焊接進行專門攻關。艏部牽引作業的試驗是在水下，下水后很難驗證，為此考慮將試驗提前到塢內，不同作業角度經過拖曳驗證后再下水，可降低驗證難度，減少風險。

2.6 對外作業接線箱

挖溝船對外支持飽和潛水、ROV作業、挖溝機作業及其他水下作業，其中最關鍵的支持是提供外供電源。外供電源需連接至對外作業的取電箱，而對外作業取電箱布置的位置既需方便作業設備的連接，又需保證水密，尤其不能影響作業。為了合理布置對外作業取電箱的數量和位置，結合作業需求和實船結構，與船舶所有人充分溝通，最終確定在左舷煙囪后壁和船中甲板下布置挖溝機取電接線箱，單處容量滿足挖溝機作業需求，在岸電間、折臂吊筒體、煙囪后壁均設有用于輔助設備取電用的取電箱。滿足本船不同的作業模式需求。

2.7 對外作業智能操作站

依托船舶配置2套滿足2 級動力定位系統(DP 2)要求的綜合智能椅，其根據功能分為主、副操作椅。主操作椅負責DP操作，由1把操縱椅、1個控制器箱和3個27英寸外圍顯示器組成，并在椅子扶手上配置2個16∶9觸摸屏，可以對DP自動控制系統、獨立Joystick系統、DP位置參考系統、推進器手柄遙控系統、VHF/UHF無線電通信、DP模式和手柄控制位置轉換、集成監測報警控制系統等進行控制。副椅為作業操作椅子，由1把操縱椅、3個27英寸外圍顯示器組成，并在椅子扶手上配置2個16∶9觸摸屏，可對作業設備前后作業絞車設備等進行全面監控、操作和控制。在副椅的手柄上設置了門吊和3臺絞車的Joystick控制系統，可對絞車和門吊進行控制。

2.8 800 kN推力的動力系統

除了自行式挖溝機外，其他挖溝作業都需母船拖帶挖溝機沿海管前行挖溝作業。由于挖溝機重且在水下作業阻力大，需求的拖力大，其常規作業需求的最大拖力近800 kN。為此，在船舶設計時即要求所選推進器、電機、發電機組等配置能在現有船型下發出800 kN的推力，確保挖溝作業功能。

3 總 結

通過以上分析，掌握了挖溝船的主要作業需求及設計和建造難點(主要有絞車、門架、吊機的布置安裝，推進動力需求，作業供電布置及操作需求等)，不斷創新設計并優化建造流程(艏部拖曳系統、門架的安裝方法等)，自主設計建造交付了國內首艘具有自主知識產權的專業挖溝船。將設計建造中的主要關鍵技術總結如下：

(1) 挖溝機的吊放系統。核心在于布置安裝門架和吊放絞車，設計中控制門架和吊放絞車鋼絲繩行走角度應在要求范圍內，難點是做好門架安裝方法的策劃和安全控制，同時還需注意鋼絲繩繞繩需一定預緊力，才能確保挖溝機的吊放系統可靠好用，為挖溝機的收放提供保障。

(2) 膨脹彎安裝和潛水等水下支持系統。核心在于100 t吊機的設計和安裝，設計中控制門架與吊機的間距，應分別設置防止碰撞限位，起吊能力需滿足水下起吊100 t能力，安裝中注意底座平面度的控制，做好波浪補償的調試工作，才能為膨脹彎安裝和潛水支持系統提供可靠保障。

(3) 艏部和艉部拖曳系統。核心在艏絞車、4滾輪導纜器、拖纜凹槽結構、艉絞車、液壓擋銷等設計布置和安裝，難點在于艏部拖曳系統的4滾輪導纜器、拖纜凹槽結構的設計和安裝，同時還需注意鋼絲繩繞繩需要一定預緊力，才能保障艏部和艉部拖力試驗順利，是保障艏部和艉部挖溝、埋纜作業的關鍵。

(4) 作業支持系統。其核心是合適的甲板區域、充足的動力、配電箱布置、操作站的設置，設計中需合理布置作業甲板、核定好動力系統的配置、確定作業取電位置、配置操作站上操作狀態的需求，只有做好這些才能使作業支持系統發揮設計功效。