海底管道挖溝技術的改進

秦衛華

(勝利油田勝利石油化工建設有限責任公司,山東東營 257064)

0 引言

21世紀的來臨,意味著人類對海洋資源的開發進入一個全新的階段,灘海石油的開發建設規模也日趨龐大,由此帶來的海底管道的鋪設也是越來越多。在海底管道施工中,管道線路周圍的地質條件是個重要的影響因素。復雜的地質條件影響了管道的挖溝深度及管溝的成型,降低了施工速度,影響了施工質量。本文就如何解決復雜地質條件下海底管道的挖溝的問題,進行有關的技術分析。

1 海底管道挖溝技術

海底管道挖溝技術常用的挖溝方法主要有 4種類型:機械挖溝法、水利挖溝法、機械和水利結合挖溝法、不挖溝進行海底管道埋設法。

目前國內海底管道挖溝技術主要采用機械和水利結合挖溝法的鉸吸式和射水式。鉸吸式適合海底管道線路周圍沒有雜物的挖溝施工作業,射水式適合海底管道路周圍地質情況比較復雜的施工環境。本文主要介紹射水式挖溝裝置。

1.1 動力配置參數

動力配置參數為:3臺 200kW發電機組,2臺600kW發電機組,總發電功率為 1 800kW;2臺170kW柴油機;6臺 20t錨機,2臺30t錨機,1臺吊重60t門架吊;1臺挖溝機,適用于挖溝管徑Φ219～Φ1 000mm,挖溝速度為 60～100m/h,挖溝深度為1.2～1.8m。

1.2 技術優勢

(1)具有比較先進的 GPS定位導航系統、聲納系統。

(2)具有挖溝機工作狀態的實時監控和數據記錄功能。

(3)臍帶纜絞車應用了大型回轉接頭連接技術。

(4)利用了挖溝機水下液壓驅動技術。

(5)較為合理的滑靴和高壓噴嘴系統,有效地保護了管道的防護層,確保了施工管道的安全性。

1.3 挖溝機工作原理

該挖溝機主要包括水面操縱系統、4組高壓射水泵、臍帶及傳輸系統(臍帶、臍帶絞車等)、水下挖構機機械結構部分。水面操縱系統包括TTS檢測系統、聲納系統、角度壓力傳感器監測系統、挖構機履帶控制系統。

施工時首先將挖溝機落入海中,當彩色圖像聲納頭進入水中時,進行聲納尋管。尋管后,根據彩色圖像聲納的“剖面狀態”得到管道的兩個剖面,利用兩點定一直線的原理將挖溝機定位在管道的正上方。接著在彩色圖像聲納監測引導下,利用吊裝系統將挖溝機就位于海底管道上。點動高壓射水泵,試運各高壓射水泵是否正常。將挖溝機上的前后聲納擺出,進行精確定位工作。在挖溝機離海床 1m時,觀察到管道剖面縱向軸線與挖溝機前后聲納頭軸中心線重合后,將挖溝機騎到管道上,挖溝機底面與海床接觸,啟動所有射、吸排泥水泵。前排 1號和2號滑靴下落深度 1.5m。將牽引錨機拉緊剎車,總控室發出前進信號,起步時按0.5m/min前進。接著后排 3號和 4號滑靴下落到設計施工深度,正常挖溝作業開始,這時所有高壓射水泵、排泥泵,利用高壓水射沖、泥漿泵深排原理挖出“V”型管道溝。前錨機絞錨繩,后錨機連續放繩,駁載體通過牽引繩前移拖動水下挖溝機沿管道行走挖溝,管道隨之靠自重沉入溝底,埋管靠自然回淤。同時啟動 GPS及聲納系統,在挖溝行走過程中每隔 50～100m記錄管道實際走向軌跡及挖溝剖面,并儲存記錄數據。

2 挖溝機的施工環境

渤海灣海域的海底多為泥土質,浮泥軟泥較多;但由于海底不停的被沖刷,導致海底浮泥軟泥均被剝離,剩下的土層為較硬土層,所以使挖溝施工變得比較困難,挖溝成型很不理想。水下液壓驅動能力偏弱的情況下,在較軟的海床施工時,挖溝機有停滯打滑現象,需要船體的拖曳行走,挖溝速度較慢,平均40m/h,遇到泥質太硬的地方施工速度更慢。所以結合施工經驗,更換性能可靠、壓力更高的射水泵是非常必要的解決方案。

3 解決方案

經過多方調研,采用2臺5DWN125-150/3柱塞泥漿泵。此泵出口壓力為 3MPa,考慮到壓力損耗,到達滑靴射水時噴頭壓力能達到2.5MPa。更換此泵,射水出口壓力從原有的0.8～1.0MPa能提高到2.5MPa。對于一般地質,挖溝施工完全可以達到2.5m以上的埋深,挖溝速度也能提升到 60～100 m/h;對于泥質特別硬的土質情況,挖溝埋深也能達到設計要求。挖溝機挖溝施工示意圖如圖 1所示。

圖1 挖溝機挖溝施工示意圖

4 理論分析及計算內容

4.1 滑靴射水噴嘴的理論分析

首先要分析噴嘴的水力特性;噴嘴的射流水功率;噴嘴在滑靴上的分布和噴嘴的射流打擊力。

通過對噴嘴參數的分析,首先,初步確定射流噴嘴的基本結構能為噴嘴流線參數的設計提供理論依據;其次,根據噴嘴射水的出口壓力、噴射速度等參數分析建立噴嘴流線參數數值的優化方程。

4.2 挖溝施工時各種力與挖溝速度的關系

計算分析挖溝施工時,挖溝機受到的牽引力、滑靴阻力及海流的沖刷力對挖溝行進速度的決定關系。

4.3 建立射水對泥土的切割破碎公式

高壓水通過噴嘴噴射切割泥土并使之液化,經排量4 800m3/h的大射水泵沖刷液化后的土壤,從而形成溝型和溝深,海底管道落入溝底。由此明確,當噴嘴射流力大于土壤臨界破壞力的條件下,增大射流流量比增大射流壓力更為有效。

4.4 挖溝施工射水破土及置換土方量計算

4.4.1 1h最大破土的土方量

按海底管道設計埋深 1.5m,考慮管道自身直徑,需要挖溝深最少1.7m。在滑靴下降 45°的情況下,理論溝深1.7m。

式中:V為每小時需破土的土方量,m3;v為挖溝速度,一般按60～1 000h計算,這里取v=100m/h;s為橫截面積,s≈3.15m2。

4.4.2 挖溝機前側射水破土土方量

在前排的 1號、2號滑靴射水噴嘴,由甲板 2臺180m3/h的射水泵分別供水,在單位小時內,1號、2號滑靴的噴嘴在能夠破土的情況下,能夠液化的土方量為 360m3,完全能滿足施工行進的最大破土液化土方量315m3/h。

4.4.3 液化后的土方置換

在挖溝機后側,為滿足挖溝機 4 800m3/h的大排量的需求,成溝需要達到1.7m以上的溝深,1h挖溝100m所需要的 315m3土方置換來說,應該是可行的。

4.5 射水泵工作流程

挖溝機射水管線流程圖如圖 2所示。

圖2 挖溝機射水管線流程圖

流程及功率分配說明:

(1)1號、2號、3號、4號滑靴上分布的噴嘴主要作用為破土開路液化泥土,后置的大排量射水泵為置換液化后的泥土成溝。

(2)1號、2號滑靴由 2臺功率 160kW、排量180m3的離心射水泵,經內徑 Φ100mm軟管通過臍帶纜絞車,然后進入圖 2臍帶籠進入挖溝機,再通過Φ80mm水管分別進入1號、2號滑靴供水。

(3)3號、4號滑靴由 2臺功率 120kW、排量130m3的射水泵,直接連接內徑 Φ100mm軟管分別進入 3號、4號滑靴供水。

(4)后置的4 800m3/h射水泵由2臺170kW動力站帶動,兩個相當于Φ529mm截面積矩形出口。

5 結語

通過對滑靴射水的噴嘴的性能參數分析及理論計算,說明更換的性能可靠、壓力更高的射水泵,能滿足在復雜的地質條件下管道的挖溝深度及管溝的成型質量的要求,從而滿足海底管道的挖溝鋪設施工要求。又由于方案比較科學,不僅加快了施工速度,還提高了施工質量。因此,更換性能可靠、壓力更高的射水泵是一種非常合理技術方案。

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2] 侯凌云.噴嘴技術手冊[M].北京:中國石化出版社,2002.