一種用于柔性軟管后挖溝挖溝工藝介紹

練 斌* 李 劍 徐德平 楊 陽

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 2.海洋石油工程股份有限公司 3.中海油（天津）管道工程技術有限公司）

0 引言

海底管道是海上油氣田開發生產系統的主要組成部分，也是快捷、安全和經濟可靠的海上油氣運輸方式。柔性管具有柔韌性好、安裝方便等優點，多應用于平臺間輸送生產水或氣。為了保障柔性管在海底運行的安全穩定，免受潮流沖擊、大型船舶溜錨剮蹭

或漁網拖拽等外力導致柔性管移位或受損的情況發生，一般在設計時要求軟管需要進行后保護，包括挖溝和放置水泥壓塊防護，目前渤海灣柔性管要求埋于海床面2 m 以下。常規的柔性管鋪設多采用邊鋪邊挖的施工工藝，柔性管埋深受限于船舶鋪設速度以及土壤剪切力，常常存在埋深不足的情況。而鋼管后挖溝已經是常用的海上施工工藝，普遍應用于現場施工，柔性管由于生產材質及應用少等原因，暫未有后挖溝的情況。

本文以渤海灣已服役的柔性管后挖溝項目為例，介紹了柔性管后挖溝的施工工藝、挖溝設備、作業流程、監控方案以及為未來柔性管后挖溝項目應用實施提供借鑒和參考。

1 工程概況

渤海某油田已服役注水柔性管長8.8 km，現場水深約23 m，柔性管設計埋深為2 m，實際埋深為1～1.5 m，為了確保不影響油田平臺生產，需要設計一種柔性管不停產狀態下進行后挖溝的施工工藝。

圖1 為軟管主要結構層情況。各層材料的選擇與使用環境（流體成分、溫度和壓力等）有關，需滿足軟管在壽命期限內的操作和安裝工況下的功能要求。

圖1 軟管主要結構層示意圖

2 柔性管后挖溝技術工藝介紹

2.1 非接觸式柔性管后挖溝技術

柔性管的外表層為聚乙烯材料，其硬度、屈服強度、抗沖擊抗拉伸強度都遠低于碳鋼。而常規梨式挖溝機是在外力牽引作用下，帶動挖溝機前進，通過挖溝機機械梨刃破開土壤成預定溝槽，但已服役的柔性管鋪設路由呈現彎曲狀，且船舶定位存在一定誤差，若采用梨式挖溝技術，就有可能存在梨刃剮蹭柔性管表面的情況。從施工安全角度來考慮，建議采用非接觸式后挖溝技術。

常規非接觸式后挖溝使用大流量軸流泵抽入海水噴沖海床面，通過水流將海底的土壤帶走，形成溝槽。考慮到柔性管服役的土壤環境，土壤剪切力較大，普通的軸流泵射流有可能破不開泥土，因此在常規非接觸式挖溝基礎，本次后挖溝采用高壓水流+空氣氣流+填充水流同軸噴射技術，使得原來的淹沒條件下的射流變為非淹沒條件下的噴射，破土能力提高5～6 倍，同時水氣及時混合極大提高泥沙排除，避免分別噴射造成能量浪費。

本次非接觸式挖溝機[1-2]的優點有：（1）挖溝時與柔性管無接觸，不會對柔性管外表層造成剮蹭或破損，安全性能高；（2）破土能力強，最大破土強度≥100 kPa；（3）挖溝設備組成簡單，可反復多次挖溝。

2.2 挖溝設備參數

挖溝機長5.5 m，寬8.5 m，高2.8 m，攜帶2 臺噴沖泵和破土泵。

噴沖泵（深水軸流泵）安裝在挖溝機上通過電纜與船甲板上連接，噴沖泵流量為3 600 m3/h，揚程為10 m，功率為160 kW。

破土泵（五缸柱塞泵）安裝布置在船甲板上，通過高壓軟管連接到挖溝機上高壓噴沖裝置，負責高壓破土，破土泵流量為100 m3/h，揚程為1 000 m，功率為355 kW，挖溝深度大于等于2.5 m。

管線電纜跟蹤系統（TSS440），采用脈沖感應技術，能夠探測埋藏或暴露與海床的導體材料，最大檢測范圍以線圈為中心水平20 m、垂直10 m，垂直測量精度5 cm 或傾斜5%，取最大值。

水下信標被應用于挖溝機水下定位和調整方位角，安裝在挖溝機首尾中心位置，信標的測量精度為0.25 m。

2.3 施工風險

本次柔性管埋設要求為2 m，土壤剪切力較大，因此在選擇挖溝機時，選用高壓水流+空氣氣流+填充水流同軸噴射技術，噴沖攻略大，而柔性管外表層為高密度聚乙烯，因此需要校核最大噴沖攻略下，對柔性管表層是否產生破壞。

根據挖溝機的工作原理，假設射流噴射至軟管的行程中周圍介質為海水，射流示意圖如圖2 所示。

圖2 挖溝機施工中射流示意圖

取 射 流 截 面 積A=2.16×104m2，射 流 速 度V1=128.8 m/s，海水密度ρ=1 025 kg/m3。

假設沿x軸方向射流與軟管接觸前的速度為V1，接觸后的速度為V2。射流與軟管接觸時，軟管作用在射流上沿x軸的作用力為F。

根據動量定理，在Δt時間內有：

式中：m——Δt時間內射向軟管的射流質量，m=ρAV1Δt；

ρ——射流密度；

A——射流截面積；

g——重力加速度。假設射流接觸軟管后的速度V2= 0，則-ρAV1ΔtV1= (F+ρAV1Δtg) Δt

軟管作用在射流上沿x軸的作用力F與射流作用在軟管上沿x軸的作用力F′互為作用力力與反作用力：F′ = -F=ρAV12。根據設計輸入數據，計算得到：F′ = 3 673 N。

挖溝機射流作用在軟管上的作用力為3 673 N(約0.375 t) 。根據《軟管擠壓試驗報告》可知，試驗管在1.86 t 的擠壓及卸載后的狀態下橢圓度的變化值滿足設計要求。

故在挖溝機射流作用力下，軟管性能完全能夠滿足設計要求，不會產生任何風險。

2.4 工作流程

2.4.1 預挖溝

施工船舶拉航至施工海域后，在正式挖溝前應在甲板上對挖溝機進行調試，檢驗監控系統、水泵及主要部件性能，由于不同海域水文數據和泥土參數不同，挖溝前要進行試挖溝作業。根據試挖溝取得的經驗確定挖溝行進速度、水泵參數和挖溝深度等關鍵數據，待主作業船、拋錨船、挖溝機參數和操作人員完全滿足挖溝條件后方可進行正式挖溝作業。

2.4.2 挖溝機下放

施工船舶在柔性管路由上就位后，通過調整船位，調整主作業船舶中心線與軟管位置方向保持一致，并檢查、確認船舶所有設備可正常使用[3]。設備人員仔細檢查挖溝機各系統狀態，確認無異常后，挖溝機操作人員緩緩下放挖溝機入水，詳見圖3，下放挖溝機至距離海底約3 m（通過聲吶測量）位置時停止下放，通過挖溝機攜帶的管線跟蹤系統、水下信標、聲納確定挖溝機下放位置（通過管線跟蹤系統及軟管路由坐標確定起始點位置在軟管埋深不滿足2 m 范圍以外10 m 位置）。調整船位使挖溝機位于管線正上方，且挖溝機滑靴方向與軟管路由一致。沿路由方向移船，測試管線跟蹤系統狀態，并對軟管路由進行確認，合格后移船至挖溝作業起點位置[4]。

圖3 挖溝機下放示意圖（單位：mm）

2.4.3 后挖溝作業

挖溝機下放至泥面，管線跟蹤系統[5]（TSS 440）保持開啟狀態，實時監測軟管。通知駕駛臺開始移船，主作業船開始沿著路由移動（速度控制在1 m/min），與此同時，操作人員開啟挖溝機噴沖泵，詳見圖4。按照試挖溝總結的操作參數（如水泵壓力及流速、空氣壓力及流速、船舶行走速度等）完成挖溝10 m 后，停止挖溝作業。潛水員下水進行管線確認及挖溝深度檢驗。確認無誤后，進行相關數據記錄，挖溝作業正式開始。

圖4 柔性管挖溝示意圖

挖溝作業過程中根據挖溝深度（溝深應控制在2.5 m 內）控制移船速度。當出現偏差時通過調整船位使挖溝機處于管線的上方。聲納實時數據反映溝深不足位置進行記錄，并進行反復移動噴沖，確保開溝深度滿足要求[6]。

2.4.4 施工問題

（1）埋深不足

挖溝作業過程中，挖溝機聲納圖像受海底浮泥影響，不能完全顯示溝型狀態或者聲吶監控挖溝購型不滿足要求，考慮到局部地區存在土壤剪切力太大的情況，需進行二次挖溝。二次挖溝管線段必須覆蓋所有不滿足埋深要求的區段。同時二次挖溝的位置需要兼顧對已經埋設達到深度段影響，在需要噴沖開挖位置前后挖一定長度。二次挖溝的選取段應盡可能連續，同時比對第一次聲納數據合理的調整參數，避免因為清淤不足造成埋深不足。

（2）挖溝機路由偏差

由于柔性管已服役且埋入海床下，柔性管路由依據聲吶及TSS440 監控采集的數據進行實時判斷，而采集處理數據存在誤差及丟失的可能，造成挖溝機噴沖路由與柔性管路由不一致。因此在施工過程中，要定期修正TSS440 設備誤差，在每次挖溝500 m 后，潛水員對溝型溝深及柔性管路由進行探摸確認，確保柔性管始終保持在溝槽內。

經過后調查掃測，柔性管埋深在2.5～3 m 之間，彎曲滿足設計要求。

3 結語

目前柔性管在國內海上油氣田開發項目上已經得到廣泛應用，柔性管的后保護挖溝問題也是后續關注的重點。本文介紹了一種應用于柔性管后挖溝的挖溝工藝，采用非接觸式挖溝機，對埋深不足的柔性管進行二次補挖溝，這種柔性管挖溝工藝不僅豐富了后續施工的方案選擇，也為今后類似項目柔性管埋深不足處理提供了的借鑒。