海底沖射式開溝機技術進展

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(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

1 已有沖射式開溝機

1.1 沖射式開溝滑撬

1946年Samy Collins 制造了世界上第一臺高壓水沖射開溝滑撬，并在墨西哥灣埋設了第一條海底石油管線。從此沖射式開溝滑撬蓬勃發展，得到廣泛應用。此種類型的開溝機主要由噴沖系統、抽吸系統、機架組成。最初的沖射式開溝滑撬動力單元全部安裝在母船甲板上，包括高壓水泵和空氣壓縮機，滑撬的行走主要靠母船的拖動。其主要工作原理是預先將管道鋪設在海底，沖射式滑撬騎跨在管道上，開溝機本身的重量主要通過兩側的滑撬傳遞到海底，管道不對滑撬提供支撐力。開溝時，母船通過鋼纜拖動滑撬沿著管道前進，并通過橡膠軟管將高壓水輸送到滑撬上的噴沖臂上，用高壓水射流將海底土質破碎或者液化，然后同樣利用橡膠軟管將壓縮空氣輸入到抽吸臂中，利用氣體上升的浮力帶動泥漿，從而將泥漿排出溝外形成溝槽。

隨著石油開采進入更深的水域，埋設管線時需要的高壓水和壓縮空氣的輸送軟管長度越來越長，尤其是輸送高壓空氣需要首先克服海水的壓力，效率大大降低[3]。此時工程師們對沖射式滑撬進行了較大的改進，采用潛水泵代替了甲板上的水泵，射流抽吸泵排泥代替氣舉排泥，而母船僅僅提供電力和拖力，從而形成了目前沖射式滑撬的形式，具體結構見圖1。

圖1 沖射式滑撬結構示意

沖射式開溝滑撬結構簡單容易制造，成本相對低廉，適合在水深小于300 m區域作業，目前在世界上很多國家仍然在使用。

1.2 自推進爬行開溝機

石油管線埋設進入深水區后，沖射式開溝滑撬需要的纜繩越來越長，給施工作業帶來很大不便，此時出現自推進爬行開溝機。它自身安裝履帶，通過液壓系統驅動履帶推動開溝機前進，目前應用的深水開溝機，大多采用此種形式。此類開溝機構造相對復雜，自身重量也較大，除水面動力與控制系統外，它主要由履帶行走系統、噴沖系統、抽吸系統、開溝機底盤、動力單元以及各類傳感器組成，通過安裝機械式破碎工具，還可以開鑿堅硬的海底地層。目前具有代表性的產品主要有以下幾種。

總部位于巴黎的Nexans公司生產的Spider系列開溝機發展早，技術成熟，目前已經埋設了超過6 000 km的管線。Spider 系列開溝機是從瑞士叢林機械改造而來，它結構靈巧而具有很高的強度，基于這種底盤，Nexans開發了多種開溝機，包括 Spider terrain dredger system(地形平整系統)和Spider Capjet。見圖2。

圖2 Nexans公司Spider系列開溝機

地形平整系統由操控集裝箱、發電機、變壓器、裝載箱、臍帶絞車和Spider本身組成，主要用于水下清障和場地整平。從外形看它類似于一臺挖掘機，由底盤和可繞底盤旋轉的上部結構組成。底盤裝有4個支腿，每個支腿上帶有履帶，可以單獨活動，非常靈巧，這使得機器可以在崎嶇不平的海床上工作。上部結構主要由射流鏟斗和抽吸系統組成。鏟斗邊緣上帶有整排的噴嘴，挖土時，主要通過射流將土體破碎和液化，鏟斗本身受力很小，而抽吸系統的入口正好安裝在鏟斗內，當土體破碎后即將其抽走排到一邊。它裝有4套動力單元，2個液壓泵站，2個高壓水泵。其中驅動螺旋槳的泵站100 kW，驅動鏟斗臂和支腿的泵站55 kW，供給鏟斗噴嘴的水泵功率420 kW,抽吸泵125 kW。它長5 m、寬4 m、高2.5 m、重11 t，最大開挖深度6 m，可以開挖抗剪強度達300 kPa的土體，最大工作水深2 000 m。它還裝有眾多的傳感器，彩色攝像頭6只，聲吶2只及壓力傳感器、深度計、沉積物傳感器等。此外它還具有強大的數據傳輸能力，上行傳輸能力達27 Gbit，下行傳輸為Rs232接口5個，Rs485/422接口5個，此外還有3×10 M的以太網。

它的運動是由一個特殊的布放和回收系統(LARS)控制，臍帶用來提供電力和控制信號，在剛下水時，操縱者可以通過水下相機監控Spider的動作，當開始工作后水下能見度變低，則通過一個3D軟件操縱，傳感器被安裝在各個傳感器關節上，聲學傳感器網絡安裝在海底，海底的3D模型不斷在人機交互界面上顯示。

2004年地形平整系統在挪威Ormen Lange氣田投入使用，它在30°的陡坡上工作，最多每天開鑿多達100 m3的土體，溝槽的最大深度4 m。

Spider Capjet主要用于埋纜，長8 m、寬4 m、高2.5 m，總重14.5 t，主要靠螺旋槳推動。Capjet 功率強勁，110 kW的液壓泵站2臺，4.4 kW的液壓泵站1臺，以驅動10只螺旋槳。噴沖系統配有兩臺420 kW的水泵，噴射壓力1.0～1.6 MPa，它帶有前后2個噴沖臂，前噴沖臂主要是2個噴管，為電纜進行預開溝，再由后面的噴沖臂將溝槽開到預定深度。最早它是被用來在淺水區埋設電纜，后來經過不斷改進，1999年形成了現在的Capjet開溝機。

圖3 SMD公司海底爬行開溝機

SMD(Soil Machine Dynamics Ltd.)公司位于英國沃爾森德市，在30年中它生產了超過100臺的水下開溝機，目前在產的開溝機多達11個型號，主要包括BT系列(見圖3)和QT系列開溝機。此外SMD公司還在水下開礦、重型ROV研發方面有著雄厚的實力。它開發的BT系列開溝機是一種海底爬行式開溝機，重量和功率都很大，重量上從30～180 t，功率從588～2 400 kW不等。它通過液壓泵站帶動履帶驅動開溝機前進。它有兩種開溝方式，射流開溝和鏈式齒條開溝，開溝深度能達到2～3 m，在利用鏈式齒條開溝時，可以切割40～80 MPa的巖石。同時也配備抽吸系統，最大抽吸速度600 m3/h。埋纜直徑最大0.3 m，埋管直徑1.5 m，工作水深1 000 m。由于開溝機本身重量大，考慮到海底巖土體的承載力，還配備了浮力材料以減小履帶的接地比壓，使其可以在較軟的泥面上行走，最低可以行走于抗剪強度10 kPa的泥面。其結構采用高強度鋼，以承受本身巨大的重量。各海底爬行式開溝機參數見表1。

表1 海底爬行式開溝機參數

自推進爬行式開溝機自重和功率都很大，不需要母船的拖動，開溝能力強，能夠在堅硬的土質條件下開鑿寬大的溝槽，同時受水深限制小，可以在1 000～2 000 m深的水域工作，更適合深海的海底管道埋設。

1.3 開溝型ROV

開溝型ROV(remotely operated vehicle)，即開溝型遙控潛水器，顧名思義它是一臺具有開溝功能的ROV，它既能像ROV一樣在水中自由的運動，又可以完成水底開溝埋設管線的工作。目前的開溝ROV一般同時裝備螺旋槳和履帶，履帶由液壓泵站驅動。它一般被設計為有一定的負浮力，以保證在海底開溝時的穩定性。

在生產開溝型ROV中，以1974年成立于英國約克的Perry Slingsby公司最為久負盛名，2007年被Forum Energy Technologies Inc. 收購。迄今為止，已經生產了數以百計的開溝型ROV。Trition 系列開溝機是Perry 公司仍在生產的開溝型ROV，以Triton?XT600為例，它具有自由飛行和循線兩種工作模式，由一個73 kW的液壓泵站驅動4個水平推進器，3個垂向推進器。除螺旋槳外，它還裝備有液壓驅動履帶2條，可行走于最小3.5 kPa的土層上。它的總功率達到367 kW，最大開溝深度3 m，自由飛行模式時總重11 900 kg，循線模式時11 800 kg。具體結構見圖4a)。圖4b)展示了另一個型號XT1200。此外它還裝有智能化系統和眾多的傳感器，操作簡便。它具有兩種作業模式，自動模式和手動模式。在自動作業模式下可以對航向、深度、距離海底距離、電纜跟蹤進行自動控制。其中航向控制精度±2°，深度控制精度±150 mm，高度控制精度±150 mm。最大噴射壓力1 MPa,流量1 146m m3/h，最大開溝深度3 m。

圖4 Perry公司開溝型ROV

Trition帶有復雜的控制系統以實現ROV的精準控制。包括：基于奔騰 PC的ROV水面控制、基于STD-32的ROV水下控制系統以及數據庫驅動軟件和實時操作系統。它還帶有完善的數據傳輸系統，包括單模式光纖視頻和數據多路復用器、8個實時視頻傳輸通道、4個全雙工RS232數據通道(115 kb/s)、4個全雙工/半雙工 RS485/422/232數據通道(115 kb/s)。

SMD公司也生產多種開溝型ROV，它生產的Q-Trencher 系列開溝型ROV是基于高強度底盤的電纜、管道埋設ROV，能夠開挖寬度達3 m的溝槽，其中QT-2800(見圖5)是世界上功率最大的開溝型ROV，重達63 t，它主要由機架、噴沖系統、抽吸系統、推進器、管道對中系統以及滑撬組成，在工作時通過推進器推動滑撬在泥面上前進，為保證開溝機工作時的穩定性，在水中有5 000 N的負浮力。它配有375 kW水泵4臺，總功率高達2.1 MW，其中1.5 MW的功率用于噴沖系統。共有推進器10臺，其中垂向推進器4臺，直徑750 mm，臍帶纜長度1 800 m、直徑62.5 mm。此外上面還裝有眾多的傳感器，彩色攝像頭兩只，單色攝像頭6只，聲吶1臺，多普勒測速計1臺，陀螺儀1臺。它帶有2個可裝卸的噴沖臂，開溝寬度可調，最窄0.25 m，最寬1.2 m，開溝深度0～3 m，可以在軟粘土和砂土中開溝。

圖5 SMD公司開溝型ROV

各開溝型ROV的參數見表2。

表2 開溝型ROV參數

開溝型ROV在水中的重量輕，接地壓強小，最大工作深度大(1 500～3 000 m),自動化程度高，適合在深海區或者海底軟粘土地區埋設電纜或者管道。

1.4 非接觸式控流開溝機

非接觸式控流開溝機是進一步簡化的水下射流開溝設備，它在工作中與管道和海底土體均不接觸。與以往的開溝設備有明顯不同，它主要由螺旋槳和噴管組成，無推進器或者支架，質量大大減小, 這也使得所有的功率消耗都用于開溝，效率得到提高。目前主要有AGR公司和Reotech兩家公司生產。

位于英國阿伯丁的AGR公司是世界上少數具有深海開溝作業經驗的公司，他們推出兩款非接觸式控流開溝機，分別是SeaVator和ClayCutter X。SeaVator是用大流量、低壓力的射流來沖散海底松散的沉積物，它主要由一個垂直向下的導管螺旋槳組成，見圖6a)。工作時SeaVater懸于管線上方，不與海底或者管線以及其他結構物相互接觸，通過母船帶動前進，適用于抗剪強度為50 kPa及以下的土體，當遇到強度較高的土體時，母船上配有水泵噴射系統與其協同工作，水泵功率高達2 205 kW。從1990年代中期起就被廣泛用于開溝和海底場地整平。

ClayCutter X 主要由螺旋槳和重型射流橫梁組成，螺旋槳用來產生大流量、低壓力的射流，以沖刷海底沉積物，高壓射流由母船上的泵組提供，通過軟管連接到射流橫梁上，見圖6b)。其上共有24個噴嘴，噴嘴直徑7 mm，分為3組安裝在射流橫梁上，每組都有閥門控制。ClayCutter X母船上配備的3臺泵組，每臺的功率2 205 kW，產生的高壓射流高達200 MPa, 適用于從軟土到極堅硬粘土海底開溝作業，最大可以切割抗剪強度高達500 kPa的粘土[4]。2008年夏季它被用于挪威北部 Ormen Lange的氣田管道埋設，此地的粘土抗剪強度高達400 kPa, 水深870 m，在工作中共開鑿了3 368 m3的土壤，平均23.8 m3/h。

圖6 AGR非接觸式控流開溝機

圖7 Rotech非接觸式控流開溝機

位于英國的Reotech公司在2010年推出了海底沖射式開溝機史上劃時代的產品,它由2個螺旋槳和一個匯流管組成，無推進器或者行走機構，結構極其簡單，見圖7。工作時它懸掛于母船下方，隨母船一起前進。與其它類型的開溝機相比，它具有下列特點：大流量，比已有開溝機的流量都大一個數量級，達到每小時10 000 m3的級別；低壓力，壓力低于所有開溝機的壓力，水頭只有5 m左右；非接觸，噴管與海底土質、海底管線以及其它海底構筑物均不接觸，它工作時懸掛于海底管線的上方，由母船帶動前進；寬適應性，可用于除基巖外的任何土質，包括淤泥、沙土、礫石、硬粘土等，目前已經發展出多個型號。Retech的開溝機利用電力驅動的液壓泵可以使得作業深度達到3 000 m，最小作業水深1.4 m，其上還配備成像聲納，用來觀測溝槽的開鑿狀況。Retech 公司聲稱在全世界范圍內完成了280個工程項目。2011年3月，T4000 在蘇格蘭東北部海域埋設了1 268 m長的電纜，全程僅用15 h，平均84.5 m/h。2011年2月，在荷蘭進行電纜開挖作業，當地海底沉積物為砂土和軟土，300 m長的電纜僅僅用1.5 h即完全揭露出來。它們不僅可以用來進行管線埋設，還可以進行海洋平臺樁腿安裝，通過噴沖將海底土壤開鑿到樁腿的持力層，最大開鑿深度達到28 m。

目前已經生產使用的非接觸式控流開溝機的參數見表3。

表3 非接觸式控流開溝機參數列表

從上述幾種類型的產品分析可知，非接觸式控流開溝機的特點是自身重量輕、結構簡單、適應性強、效率高，但是它本身不具有移動的能力，需要依賴母船的動力定位功能(DP)。目前動力定位母船已經廣泛應用，它的應用會得到更進一步的推廣。

2 海底沖射式開溝機關鍵技術

2.1 射流破土技術

沖射式開溝機都是通過射流來破碎土體，然后利用射流泵或者泥漿泵將破碎后的土體抽吸到溝外。因此射流系統與抽吸系統的效率對開溝機的影響很大。從表1和表2可以得出，噴沖系統與抽吸系統所占的功率消耗占到總功率的60%～80%，所以提高噴沖系統和抽吸系統的效率對開溝機極為重要。

影響噴沖臂射流開溝的因素主要包括：噴嘴直徑、噴沖壓力、土體抗剪強度和開溝機前進速度等;影響破土效率的因素還包括土體的抗拉強度以及塑性指數[5-6]。

射流破土是流體與土體耦合作用的過程，射流對巖土體破壞的主要作用有[7-9]：①沖擊作用，即射流連續錘擊巖土體產生錘擊力，促使巖土體發生破壞；②水楔作用，當射流充滿巖土體時，由于射流的反作用力而產生水楔，在垂直射流軸線方向上，射流楔入巖體裂隙的薄弱部位，射流的靜壓變成動壓，使巖土體剝落，裂隙加寬；③擠壓作用，在射流的末端，能量衰減很大，不能直接沖擊土體顆粒剝落，但能對有效射程的邊界土體產生擠壓力，對四周土體有壓密作用；④空化破壞作用，射流在打擊巖土體時壓力梯度大的部位將產生空泡，空泡的崩潰將對打擊面上的巖土體產生很大的破壞力。在實際的水射流過程中，有可能上述作用中的一種或者幾種起主導作用，其它處于次要地位。由此可見，射流破土的機理尚未完全清楚，還需要做大量的研究。

2.2 海底履帶推進技術

海底自推進式爬行開溝機大都由履帶驅動，由于大部分海底表層都是軟質的粘土或者淤泥，抗剪強度很低，多在3～10 kPa。根據車輛動力學，履帶能夠提供的承載力和推動力都與土體的抗剪強度成正比[10]，因此低抗剪強度的粘土一方面承載力很低，會造成履帶車輛的沉陷;另一方面，履帶在其上行走時推進力很小，有可能使開溝機不能前進。

Neil Morgan[11]等根據工程經驗提出，在設計自推進履帶開溝機時參考的土體抗剪強度值應該是表面淺層土的抗剪強度，在作業過程中一定要避免海底土壤承載力失效，因為一旦承載力失效會導致開溝機完全不能行走。由于開溝機履帶在行走時會破壞土體的強度，使得承載力和推進力都降低，所以建議盡量避免開溝機在相同路線上行走多次。此外還建議，在海底操作履帶車輛進行滑動轉向時，要進行多次小角度的轉向操作，而不是大角度的轉向操作，否則會造成履帶推進力的降低和開溝機系統不穩定。

3 發展方向

1)智能化。開溝機具有智能的操作方式，可以定深作業，或者定方向作業，可以大大減少人為干預。

2)大型化。開溝機的重量和功率都很大，自身結構強度高，可以在堅硬的土體中開鑿溝槽，埋設直徑較大的油氣管道。

3)寬適應性。寬適應性不僅表現在工作對象的適應，還表現在工作環境的適應。一臺開溝機可以完成多種作業，既可以埋設管道也可以埋設電纜，或者即可以在粘土中又可以在砂土中開溝作業，還可以通過更換工作套件變成機械式開溝機。

4)高效率。以非接觸式控流開溝機為代表，通過自動定位船舶的定位功能，省去了開溝機的行走機構和抽吸機構，使其結構得到簡化，整個開溝機消耗的功率全部用于開溝，開溝效率大大提高。

[1] 李文濤，葛 彤.挖溝機相關技術進展[J].船海工程，2010,39(4):146-149.

[2] 張國光.水下開溝機的監測技術與應用[J].海洋工程，1999，17(1):87-9.

[3] 張國光.海底水力沖射開溝機械及影響作業的效率的因素[J].海洋技術，1989，8(4)：48-58.

[4] Det Norske Veritas.Foundations,classification notes No.30.4[M].Hovig,Norway,1992.

[5] Machin J,Messina F,Mangal J,et al.Recent Research on Stiff Clay Jetting[C]∥Offshore Technology Conference.2001.

[6] Machin J,Allan P A.State-of-the-art jet trenching analysis in stiff clays[C]∥Frontiers in Offshore Geotechnics,2010:871-876.

[7] 沈忠厚.水射流理論與技術[M].東營:石油大學出版社，1998.

[8] 易 燦，李根生，胡永堂.淹沒條件下錐形噴嘴射流破巖效率試驗研究[J].石油鉆進技術，2001，29(1):10.

[9] 胡壽根，朱美洲.淹沒水射流沖蝕性能試驗研究[J].機械工程學報,1997,33(3):44-48.

[10] Schulte E,Handschuh R,Schwarz W.Transferability of soil mechanical parameters to traction potential calculation of a tracked vehicle [C]∥The Proceedings of the Fifth ISOPE Ocean Mining Symposium. Tsukuba,Japan.2003:121-131.

[11] Morgan N,Cathie D,Pyrah J,et al.Tracked subsea trencher mobility and operation in soft clays [C]∥Proceedings of the 7th ISOPE Conference.Cupertino,California,USA:ISOPE.2007:1366-1373.