水下導向攻泥器應用研究及改進方案

徐永琦

摘 要：本文通過抓住沉船打撈工程中關鍵技術——攻打千斤洞技術面臨的風險、效率、關鍵性這一痛點，結合傳統打撈和現代打撈的實踐經驗，梳理了傳統、陸用、國際國內攻打千斤洞的裝備和作業流程，針對現有裝備、技術的不足，提出了系統的裝備改進方案。

關鍵詞：沉船打撈;水下攻泥器;水下導向攻泥器;改進

中圖分類號：U676.6+2? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）11-0142-05

水下沉船打撈一般包括以下幾個流程：沉船探摸、打撈方案制定、打撈工程船舶進場就位、清防油污、水下卸貨、攻打過底千斤洞、穿引過底千斤、沉船起浮、封艙抽水、調整難船姿態直至自浮。

國內外沉船打撈目前大部分采用工程起重船抬浮打撈法或浮筒抬浮打撈法，攻打千斤洞技術是沉船打撈工程中經常采用的，也是一項非常關鍵的技術，千斤洞攻打的效率、質量和精度往往直接決定了打撈作業的成敗。隨著陸用攻泥器裝備在沉船打撈中的應用，攻打千金洞的效率和安全性得到較大提高，但現有裝備仍然存在明顯不足，難以滿足大深度、大噸位沉船打撈的需要，本文通過對水下導向攻泥器的應用研究，創新性地將現代海工裝備的新技術綜合應用到新一代的水下導向攻泥器上，大大提高了攻泥器的性能、作業效率及施工的安全性，將沉船打撈攻打千斤洞技術提高到了一個新的水平。

1水下攻泥器應用的起源

以往沉船打撈作業主要集中在30m以淺水域，千斤洞的攻打方式有“潛水員水下人工攻打”和“非開挖定向鉆機攻打”兩種方式。

1.1潛水員水下人工攻打

長期以來，救撈系統打撈工程攻打過底千斤洞一直采用由潛水員水下手持分級攻泥管，蹬在預先在沉船舷側開挖的工作井井壁上，利用高壓水完成攻打千斤洞的任務。這是以多級式攻泥管和高壓水槍為主要施工設備，以潛水員為水下作業主體的施工方法。施工方法如圖2所示，施工程序如下：

（1）按照施工方案中預定的過底千斤洞位置，潛水員沿沉船艏艉向，將每道千斤洞位置計量準確，做好標記。

（2）在沉船舷側攻打千斤洞位置先沖出一個深度低于船底，其長、寬便于潛水員作業的工作井，同時在沉船另一側的對稱位置，也沖出一個相似的工作井。

（3）潛水員在工作井中，用攻泥器噴射頭借高壓水的沖力，在船底泥砂中沖出一個孔洞，孔中沖散的泥砂會隨噴射頭上的反射水孔噴出的水流流出洞口，每當潛水員攻過一節管都要探摸攻泥器方向是否準確，以便及時糾偏。

（4）當預計攻泥器管節數已全部攻過船底時，在最后一節原來用封頭封住的短管旁側的接頭上，連接壓縮空氣氣管，并向攻泥器供氣，當空氣從攻泥器前端冒出時，潛水員在沉船的另一舷的工作井中可通過空氣泡尋找到攻泥器前端，并在其上先連接一根細鋼絲，通知對面潛水員回收攻泥器，將細鋼絲牽引過船底，再將較粗的鋼絲繩引過船底。

1.2非開挖定向鉆機攻打

陸上非開挖定向鉆機攻打沉船過底千斤洞技術是將陸地管線施工中所采用的非開挖定向鉆機應用到淺水沉船的過底千斤洞攻打中，是陸地非開挖定向鉆機應用的擴展。由于鉆機是安裝在作業母船的舷側，從鉆機到泥面有較遠的距離，所以為了支承和保護鉆桿，需要專門設計一個導向架直接從鉆機延伸至泥面。

1.2.1鉆桿導向架參數確定及安裝

確定鉆桿導向架技術參數，包括導向架水底端距離沉船的距離、鉆頭與水平面的夾角、鉆桿導管與工程船船舷的夾角以及受鉆桿影響的導管弧度。導向架的相關參數要根據沉船狀況及沉船水域的實際情況預先制定。

1.2.2定向鉆機的安裝

導向架安裝完畢后，按導向架位置安裝定向鉆機，并以定向鉆機首部為支點固定在船舷上，定向鉆機液壓設備將鉆機艉部支起，機身與導向架入水角相等并在同一直線上，鉆機位置調整好后，焊接拉桿將其固定。定向鉆機就位后，將鉆機上的鉆桿與預先放置在導向架中的鉆桿對接。

1.2.3攻打千斤洞、 牽引過底千斤

攻打千斤洞時，定向鉆機驅動鉆桿旋轉，將鉆桿通過導向管架攻入船底，當攻過一節鉆桿后測量一次鉆頭的實際位置，確定位置無誤，鉆機動力頭回轉卸下鉆桿退回原位，工作人員接入另外一根鉆桿，如此反復進行鉆進作業，當預計鉆桿攻過船底后，接入高壓空氣，潛水員在沉船另一舷通過氣泡尋找鉆頭，并在鉆頭上連接一根細鋼纜，操作定向鉆機回拖鉆桿，將細鋼纜引過船底，將較粗鋼絲繩引過船底。

1.3傳統設備的局限性

1.3.1手持分級式攻泥器

潛水員水下人工攻打千斤洞技術已經有幾十年的應用歷史，在30m以淺和海底地質比較理想的情況下，人工攻打千斤洞已是一項比較成熟的技術。人工攻打千斤洞工作量太大，受條件限制較多，水下勞動強度也比較大，施工中往往要花費非常多的時間（其作業時間可能占到整個打撈工期的一半以上）來完成這道工序，對施工造成了不利影響，手持分級式攻泥器都無法滿足目前大型船舶深水打撈及快速打撈的要求。其局限性如下：

（1）工作環境差，危險性高;

（2）水下工作量大，勞動強度高，效率極低;

（3）缺少導向定位，精度不足。

1.3.2陸上非開挖定向鉆機

將陸地非開挖定向鉆機應用到沉船過底千斤洞攻打作業，雖大大降低了人工作業的勞動強度和安全風險，顯著提高了作業效率和施工質量，但也存在著一定的使用局限。

該技術在30米以淺水域中已經得到了非常有效和成熟的應用，但對于更深的水域卻難以調和鉆桿導向架延長所導致的結構強度降低和導向架重量增加的矛盾。隨著作業水深的加大，鋼套管的尺寸和結構強度還要繼續加大，甚至需要加桁架來保護鋼套管。因為鋼套管及保護桁架連接著水面工作母船和水下作業平臺，所以導向管架在海況惡劣的情況下極易發生折損。

2水下導向攻泥器國內外現狀

2.1水下導向攻泥器

水下導向攻泥器（深水非開挖定向鉆機）是用來對沉沒水域水深較大的沉船沉物進行過底千斤洞攻打的設備，該設備采用類似于陸地非開挖定向鉆機的施工原理，不同之處在于鉆機模塊需要放置在海床上，作業環境為水環境。

水下導向攻泥器需要將鉆機的動力系統、集控系統放置于作業船舶的主甲板上，這些系統通過臍帶纜與海床面上的鉆機模塊進行連接，來進行動力、監控、操控等的傳遞。由于施工作業的海床面不同于陸地，鉆機模塊需要放置在具有防沉和錨固功能的水下作業平臺上，以保證鉆機模塊的作業姿態以及為鉆桿推進和回拖提供支持力。為直觀和全面地監控鉆機系統的水下運行情況，鉆機模塊內需要配置全方位的監控功能，包括照明、視頻監控、水下鉆機姿態的三維實時顯示、艏向指示、傳感器信息顯示（鉆進力/回拖力、液壓系統參數、觸地狀態、鉆頭限位等）、鉆桿軌跡顯示（鉆進距離、鉆進速度、鉆頭深度、鉆頭體方位角度等）以及各種應急報警界面等。操作人員通過在集控室內觀察各監控界面的實時狀態，來操作和調整鉆機系統的運行。

當鉆桿從難船的一側貫穿船底到達另一側并露出泥面時，潛水員下水尋找鉆頭位置并將牽引鋼絲連接到鉆頭上，鉆機回拖鉆桿完成牽引鋼絲的過底穿引，再由牽引鋼絲完成沉船沉物起浮千斤的穿引。

2.2國外設備情況

國內外大型打撈公司都開展過水下導向攻泥器的研究，其原理都是基于陸地非開挖定向鉆技術，并且已經將技術成果應用于打撈實踐，對改善水下作業安全和提高施工效率起到了巨大的促進作用。

歐洲SMIT打撈公司與TERRA專業非開挖技術設備公司合作成功開發出了第一套水下導向攻泥器系統，該系統采用典型的陸用非開挖定向鉆機進行水下適用性改造，如圖7所示。

2.2.1技術規格

本套設備是TERRA公司在2000年根據陸地用非開挖設備研制的水下導向攻泥器，最大作業水深50m，每節鉆桿長度1.5m，鉆桿有3200N·m扭矩，能夠自動換桿，自動定位，自動鉆進及回拖。該系統通過水面中央監控站對水下主機進行遙控操作，具備對5萬噸的大型沉船完成水下自動攻泥作業的能力。其主要技術參數如下：

扭矩，3200 N·m;

頂推力，65 kN（6.5tons）;

回拖力，130 kN （13tons）;

鉆進泥漿流量，87 Itr/min;

鉆進液壓力，72 bar;

最大水平鉆進長度，84m;

最大回擴直徑，260mm;

最大作業水深，50m;

臍帶纜長度，130m;

適用土壤條件砂土及粘土;

沉船淤埋最大深度，4m;

千斤洞在沉船下方的深度，4m;

沉船最大寬度，40m。

2.2.2設備組成

整套設備由水面系統、水下系統和臍帶纜系統三部分組成，水面系統用于提供動力和操控，水下系統用于鉆進和回拖，臍帶纜系統用于連接水面系統和水下系統。

水面系統主要包括中央控制單元、鉆桿軌跡實時監視單元、動力單元和臍帶纜絞車單元。水下系統主要由水下鉆機模塊、地錨單元和導向定位單元組成。臍帶纜系統包括動力纜和信號纜，用于為水下系統提供動力、傳輸監視和控制信號等。

SMIT公司的水下導向攻泥器的鉆桿采用節桿形式，需要配備自動換桿單元進行鉆桿的連接和分離。

2.3國內設備情況

目前，我國救撈系統在深水過底千斤洞攻打方面，已經投入使用的有2套設備。

2.3.1“深鰻I”

“深鰻I”也是基于陸地非開挖定向鉆機研制，通過對水下鉆機遙控完成定向鉆孔，穿越沉船、沉物下的泥底，再將牽引鋼絲回拖，達到穿引過底千斤的目的。

該設備鉆機采用2″的連續柔性鉆桿及慣性定位導航技術，鉆頭通過高壓噴沖+液控換向器旋轉實現破土鉆孔，可實現最大100米鉆進距離的千斤洞攻打作業。

“深鰻I”的鉆機模塊尺寸為9.1m（L）×4.1m（W）×4.51m（H），空重約40T，最大設計深度為200m，最大設計鉆進距離為100m。基本技術參數如下：

頂推力，3t;

回拖力，6t;

鉆桿長度，120m;

最大水下工作深度，200m;

外部供電制，380V/50Hz;

適用土壤條件，淤泥、粘土、砂質;

鉆機具有自動鉆具保護功能（報警、自動停機等）;

鉆機遙控作業系統兼有鉆桿推進、回拉等工序;

推送機構角度調節的范圍，縱傾角11°～28°;

結構形式：開敞式，即滑撬和框架相結合的形式;

監控導航系統：綜合水下的傳感器和信息采集設備，具有水下設備遙控功能;具備鉆頭位置測量和導向功能，并提供GPS和超短基線系統接口，當與定位設備連接時，具備攻泥器水下定位能力;

主監控界面：顯示攻泥器的系統狀態和位姿信息;

鉆桿軌跡顯示界面：顯示鉆進軌跡和預定義軌跡;

臍帶纜和臍帶纜絞車：臍帶纜采用3000V鎧裝臍帶，絞車采用帶滑環和排纜機構的液壓絞車，儲纜200m，操作可在控制室進行;

水面控制室：配電、泵控等設備均布置在水面操作控制室內，監控導航、液壓操作、絞車操作和送纜機的操作及數據反饋也在監控室內。

2.3.2“深鰻II”

該設備是在原“深鰻I”的技術基礎上，研制的第二代水下攻泥器系統，適用水深200米，最大頂推力18噸，回拖力36噸，與“深鰻I號” 的3噸頂推力相比，其能力放大6倍，采用了更加先進的鉆具及控制系統，支持海底穿越，高效無人作業。

該水下導向攻泥器主要由水下鉆機模塊、水面支持系統和臍帶纜系統三部分組成，攻泥器鉆桿仍采用柔性連續鉆桿，水下鉆機模塊采用四點錨固形式，可滿足200m水深范圍內的水下導向攻泥作業。其性能要求如下：

水下本體工作水深定為200m以淺;

適應地質：沿海淺地層的淤泥、粘土、砂質，不適宜于較硬地質;

千斤洞穿引長度以沉船寬42m計、沉船埋深5m以內（不含淤泥層），考慮到富有余量，水下導向攻泥器鉆桿長度為120m，可根據需要連接直徑不小于300mm的擴孔器進行回拖擴孔;

水下各系統均采用液壓為動力，鉆機回拖力不小于36t，擠推力不小于18t，扭矩不小于1000N·m;

打撈工作船可監視導向攻泥器的運動軌跡，鋼絲在水底的穿入及穿出點的位置可控;

臍帶纜長度不小于250m;

攻泥器的整機高度不大于4.1m，以便公路運輸。

2.4現有設備存在的問題

（1）接桿式攻泥器的自動換桿、接桿裝置在深水下工作，可靠性、故障處置效率存在較大風險;

（2）“深鰻”系在深水作業投放時，對起重船的深水投放能力要求較高，投放條件受到限制;

（3）現有設備水下鉆機的定位、調向能力欠缺，作業精度和效率受到影響;

（4）攻泥器的頂推力和囘拖力偏小，不適用于較硬地質。

考慮國內外連續管設備制造企業的設計制造能力，以及救撈系統對于水下導向攻泥器的應用需求，提升改進水下導向攻泥器的性能勢在必行，需要在原有技術基礎上結合作業經驗，進一步提高設備的作業能力及可靠性，以滿足更加復雜和困難的作業工況。

3水下導向攻泥器改進方案

3.1功能定位

以“反應快速、處理高效”為目標，提出水下導向攻泥器改進方案，保障大噸位、大深度沉船的快速清除打撈，提高深水沉船打撈效率。

3.2功能要求

攻泥器系統應包括但不限于以下功能：①系統布放回收功能;②鉆機水下固錨功能;③鉆桿自動進退功能;④鉆具遙控導向功能;⑤鉆頭導航定位功能;⑥液壓驅動/控制功能;⑦水下傳感與監視功能;⑧鉆機姿態控制功能;⑨鉆頭自動保護功能;⑩系統冗余保護功能;

水下本體控向功能。

系統作業時，利用專用的水面布放系統將水下攻泥器本體安放到沉船附近的河、海床上，布放期間可通過水下本體自帶的推進器姿態調整系統對攻泥器艏向進行精確控制，確保坐底時鉆具艏向與作業方位保持一致。船上操作人員通過遙控操作將本體進行海底錨固，防止本體在作業過程中移動，并通過遙控操作將鉆機、鉆具等調整到預定的工作位置。工作時，鉆桿在河、海床攻泥鉆孔穿越沉船底部，由潛水員將一根直徑20～25毫米的鋼纜連接在鉆具上，或通過擴孔器將48毫米鋼纜系在鉆具上，攻泥器將該鋼纜回拖至開孔起始處。

3.3性能要求

（1）最大工作水深：為滿足公益轄區范圍內沉船打撈要求，將打撈作業攻泥器最大工作水深設計為200米。

（2）工作海況：4級海況，3節流速。鉆機模塊的固定須能防沖刷和抗沉陷。

（3）適應地質：適應淤泥、粘土、砂質、硬土等地質條件。具備對10萬噸級的大型沉船完成水下攻打過底千斤洞的能力。鋼絲穿越長度以沉船寬50m計、沉船埋深8m以內（不含淤泥層）并富有余量，水下導向攻泥器鉆桿長度150m。

（4）考慮千斤穿引及回擴功能，鉆具出土口可連接直徑48mm的回拖牽引纜，或連接400mm以內擴孔器用于擴孔直接拖引鋼絲繩。

（5）水下運動部件均以液壓動力，鉆機額定回拖力不小于45噸，額定頂推力不小于22.5噸。換向器扭矩達到2000Nm。

（6）打撈工作母船可監視攻泥器的運動軌跡，鉆桿在水底的穿入及穿出點的位置可控。

（7）水下本體艏向控制誤差不大于±1°。

（8）臍帶纜/軟管絞車為恒張力絞車，容繩量不小于250m，配置臍帶纜/軟管長度不小于250m。

（9）系統可拆裝，且拆解后各模塊尺寸應滿足公路運輸的限制要求。

3.4系統組成

根據空間分布，可將水下攻泥器系統分為水面支持系統、水下本體系統和臍纜系統三部分組成。

（1）將“布放回收、配電系統、水面監控監視系統、操縱控制、泥漿混合、臍帶卷筒”等功能單元放在船舶甲板上，形成攻泥器的水上支持系統。

（2）將“水下錨固、鉆桿推進、水下監控系統、液壓系統、導航定位、姿態調控”等功能單元放在水下，形成攻泥器的水下作業系統，工作主機設計成全液壓驅動的水下擠壓鉆機。

（3）水下本體系統和水面監控動力系統由臍帶連接，以完成強電動力、高壓泥漿的輸送，以及各種操縱控制信號、姿態控制信號、攝像監視信號以及姿態傳感信號的實時上下傳輸。

根據功能及系統組成，水下攻泥器系統主要由如下幾個部分組成：①A型架布放系統;②水面監控動力站，包括水面監控系統和高壓供配電系統;③臍帶纜絞車;④泥漿軟管絞車;⑤泥漿混合系統;⑥泥漿泵;⑦甲板泵站;⑧水下攻泥器本體。

系統組成關系如圖9所示。

3.5技術升級內容

通過對現有攻泥器性能及使用情況的研究，結合沉船打撈的經驗，優化升級形成“水下導向攻泥器”改進版。增加的主要性能有：