沖噴式柔性管纜挖溝機在海底管纜鋪設挖溝施工中的應用

鄭永峻，季 磊，王道明，饒云松

海洋石油工程股份有限公司 天津 300451

0 引 言

通過對施工區域海底海況與沖噴式柔性管纜挖溝機（以下簡稱“挖溝機”）技術性能的適應性評估，統籌考慮挖溝機動力故障、履帶纏繞故障、船舶動力定位（DP）系統失位的技術風險后［1］，制定了有針對性的沖噴式挖溝施工技術方案［2］，在南海完成了1 500 m級深水挖溝作業，最終順利完成了海底管線和海底電纜的鋪設工作，充分驗證了設備性能和海油工程公司的深水技術能力［3］。

1 挖溝機主要技術參數

挖溝機由結構主體、浮箱、管纜探測系統、管纜追蹤儀、噴射臂系統、壓纜器、推進器、履帶、傳感器等部分組成，如圖1 所示。在水下作業時，只通過一根臍帶纜與船舶建立連接，為其提供電力和傳輸信號，挖溝過程受船舶運動影響小。

圖1 沖噴式柔性管纜挖溝機主要構成Fig.1 Main components of jetting trencher

挖溝機有兩排噴射臂，噴射臂上共有35 個噴嘴，噴嘴根據噴射方向分兩種，即往下噴嘴和往內噴嘴。噴嘴直徑分別為12、17 mm，其中12 mm破土能力更強，主要技術參數如表1 所示。

表1 沖噴式柔性管纜挖溝機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of jetting trencher

2 性能評估

2.1 項目環境基礎信息

海底土質：路由地質鉆孔數據顯示，3 m以內土壤為非常軟到軟的粉質黏土，不排水抗剪強度3～24 kPa，挖溝機最大破土能力100 kPa，施工沒有問題。

海床平整情況：附近有施工痕跡，影響挖溝施工的痕跡為拖痕，深度0.5 m，寬度10 m，長度400 m，對沖噴式挖溝施工影響不大。其余位置海床平整，無影響挖溝施工情況。

海管情況：海管直徑大、剛度大，下沉困難，需多遍挖溝。

2.2 水下能見度評估

挖溝機就位可以通過聲吶和TSS440 輔助，即使水下能見度差時也可以正常施工，但會影響就位效率。就位將增加約0.5 h/次，1～2 h可以完成就位。

2.3 大管徑挖溝評估

挖溝機最大挖溝直徑為726 mm，廠家規格書標注最大為800 mm，而挖溝機噴射臂最大張開950 mm，正常挖溝時，噴射臂兩側最小余量112 mm。這對操作人員控制挖溝機艏向和位置要求很高，否則噴射臂容易接觸到海管，如果接觸力過大，則可能損壞噴射臂，鑒于海管有配重層，損傷海管可能性小。在自動跟隨模式下，海管幾乎處于正中間，但是在海床不平整時，挖溝機將左右傾斜，容易接觸到海管。

通過設置噴射臂接觸壓力報警值、調整挖溝機位置或姿態、采用單臂挖溝等措施，規避噴射臂損壞風險，實現大管徑挖溝。

2.4 挖溝速度評估

由項目預調查鉆孔取樣數據可知，表層土壤強度為2.1～7.8 kPa，屬于非常軟的粉質黏土。挖溝機在黏土上行走可能存在打滑現象（挖溝機前進速度＜履帶轉動速度），導致速度受限。履帶打滑主要分為挖溝機原地不動、挖溝機低速前行2 種情況。

挖溝機前進阻力主要來源于噴射臂插入后土壤對其的摩阻力和履帶行走的阻力。通過改造，加寬、加厚齒履帶，開啟推進器，規避噴射臂損壞風險，實現滿足技術要求的挖溝速度。

2.5 挖溝遍數評估

根據海管懸跨處理施工經驗，海管在自身重力和兩側土壤垮塌作用下，將淹沒在充分擾動的軟泥中。在不使用吸泥裝置和泥土自然逸散的情況下，溝型面積為1.28 m2。

保守考慮，海管剛剛被軟泥淹沒，挖溝后形成溝型為下1 m、上4 m，開挖深度1.5 m，坡角45°，溝型截面面積3.75 m2，如圖2 所示。加上吸泥裝置后（流量1 000 m3/h，含泥量20%，排泥效率200 m3/h），按照300 m/h的挖溝速度，單次挖溝面積將增加0.66 m2，達到1.94 m2，預計2 遍（3.88 m2＞3.75 m2）可以達到1.5 m的挖溝深度，如圖3 所示。

圖2 開挖溝型截面Fig.2 Trench sectional area

圖3 挖溝機水泵特性曲線Fig.3 Water pump characteristic curve

2.6 技術評估情況匯總

根據項目環境基礎信息，綜合水下能見度評估、大管徑挖溝評估、挖溝速度評估、挖溝遍數評估結論，得出技術評估情況匯總表，如表2 所示。

表2 技術評估情況匯總Tab.2 Summary of technical evaluation

3 深水管纜挖溝技術方案

3.1 碼頭動員

根據海管挖溝需要，對挖溝機進行適應性改造：

①增加后抽吸模塊，減少回填［4］；

②更換3 m長噴射臂，適用2 m以上挖溝深度；

③在碼頭進行濕試，驗證設備功能；

④增加聲吶，實時監控溝型。

3.2 施工預調查

船舶航行到目標（惠州油田）海域1 km外進行DP測試和定位系統校準。同時，ROV和挖溝機做下水前檢查，必要時，進行濕試檢查。

在海試之前，需要確定海試的區域，以及挖溝的起點、終點和路由，并用ROV進行挖溝路由預調查，清除妨礙海試的障礙物和垃圾。

3.3 挖溝機下放

挖溝機的下放由其配套的收放系統完成，挖溝機下放的主要操作步驟如下：

①移船至試驗地點附近下放安全區域，確認現場海況；

②檢查并確認各設備狀態良好，檢查通信系統，保證挖溝人員與項目組及船方的良好通信狀態；

③甲板作業人員拆除挖溝機海固，準備下放入水；

④操作提升絞車吊起挖溝機，到達一定高度后，停止提升；

⑤調整A架角度，將挖溝機緩慢移動到舷外的下放位置；

⑥操作提升絞車緩慢下放挖溝機；

⑦挖溝機入水足夠深度（約30 m）后，停止下放，進行挖溝機入水后測試，確保各項功能參數正常。

3.4 自由飛行測試

①下放ROV，在水下找到并監視挖溝機；

②釋放挖溝機，使挖溝機脫離Cursor，將Cursor回收至甲板；

③釋放挖溝機臍帶纜，繼續下放挖溝機至海床以上10 m；

④調節挖溝機上推力，使其處于懸浮狀態；

⑤測試挖溝機6 個自由度的最大飛行速度，如圖4 所示；

圖4 挖溝機自由飛行測試Fig.4 Free flight test of trencher

⑥測試挖溝機正浮狀態的最大轉向速度；

⑦其他飛行測試。

3.5 海床行走測試

①釋放挖溝機臍帶纜，繼續下放挖溝機使其著陸海床；

②測試挖溝機前進和后退最大速度；

③測試挖溝機左右轉向能力，如圖5 所示；

圖5 挖溝機海床行走測試Fig.5 Seabed walking test of trencher

④其他行走測試。

3.6 挖溝機就位

①操作挖溝機至離海床以上10 m，移船使挖溝機處于挖溝起始點位置正上方；

②下放ROV，并在水下找到挖溝機；

③調整挖溝機的位置和艏向，艏向朝向挖溝行進方向，在ROV的協助下，中心線與電纜的中心線對準，如圖6 所示；

圖6 挖溝機就位Fig.6 Jetting trencher in place

④操作挖溝機下降，緩慢著落于海床上。

3.7 挖溝機起始造坡

①調整兩排噴射臂的間距（450 mm）。

②下放噴射臂，使噴射臂尖端緩慢接近海床，同時注意觀察電纜是否位于噴射臂中間，假如不是，則需要及時微調自身左右的位置。

③當噴射臂尖端接觸到海床時，啟動噴射臂的噴頭，挖溝機沿著挖溝方向行進。

④挖溝工程師應根據經驗操作挖溝機噴射臂插入深度，由淺入深進行造坡，造坡距離和造坡深度根據挖溝深度確定，如圖7 所示（挖溝深度2 m，造坡距離20 m；挖溝深度3 m，造坡距離30 m）。

圖7 挖溝機起始造坡Fig.7 Starting slope building of trencher

⑤觀察記錄挖溝造坡過程中噴射臂的入泥深度、挖溝深度、挖溝行進速度等數據。

3.8 挖溝機一次挖溝

①保持造坡結束時的挖溝機前進速度挖溝，主作業船配合挖溝機行進速度沿海管路由移動，確保挖溝過程中臍帶纜處于半松弛狀態；

②挖溝過程中通過挖溝機后面聲吶［5］實時記錄挖溝深度和寬度數據，如圖8 所示；

圖8 挖溝過程控制面板Fig.8 Process control panel

③挖溝機操作人員應根據實時監測結果調整挖溝機的行進速度，確保溝深和溝寬；

④實時監控噴射臂的受力（壓力傳感器）和挖溝機姿態（電羅經），出現異常及時調整。

3.9 挖溝機終止造坡

終止造坡是起始造坡的逆過程，逐漸將噴射臂收回和控制終止造坡的距離。

3.10 挖溝機二次挖溝

根據挖溝策略，海管需要進行二次挖溝。二次挖溝與正常挖溝類似，但為了避免溝型坍塌，需注意以下幾點［6］：

①控制一次挖溝深度不超過1 m，保證一次挖溝溝型寬度≤3 m（目前保守考慮邊坡比45°）；

②挖溝機履帶內邊緣寬度4.3 m，履帶邊距離溝型邊緣0.65 m，單側履帶中心線距離溝型邊緣1.15 m，經計算，不會發生垮塌；

③二次挖溝時，利用前方聲吶觀察已有溝型狀況，提前識別坍塌風險［7］。

3.11 施工后調查

挖溝作業完成后，下放ROV，并攜帶調查工具對挖溝后的管纜路由段進行后調查，確認管溝的埋深和回填狀況［8］。

①利用ROV等設備進行測試，確認挖溝機狀況良好。

②移船至后調查起始點附近，下放ROV入水，根據定位圖上的標識找到后調查起始點（盡量在未埋設電纜時開始調查）。

③調整ROV姿態（盡量位于埋設電纜正上方）和飛行高度（距離海床約0.5 m）。

④完成顯示窗口背景補償，ROV沿著電纜路由飛行進行后調查。

⑤實時采集埋深數據和溝形數據。

4 實踐效果

本次實施的油氣開發項目管纜鋪設水深為1 000～1 500 m，深水沖噴式柔性管纜挖溝機完成收放系統安裝與調試、挖溝機連接與測試、定位系統校準、挖溝機懸浮狀態自由飛行、非挖溝狀態挖溝機海床行走、挖溝機深水功能測試、2 m深挖溝、3 m深挖溝、二次挖溝等一系列動作后，執行挖溝長度56.6 km，滿足管纜鋪設溝型需求，順利完成了本項目深水挖溝作業。■