海底管道挖沟技术的改进

秦卫华

(胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司,山东东营 257064)

0 引言

21世纪的来临,意味着人类对海洋资源的开发进入一个全新的阶段,滩海石油的开发建设规模也日趋庞大,由此带来的海底管道的铺设也是越来越多。在海底管道施工中,管道线路周围的地质条件是个重要的影响因素。复杂的地质条件影响了管道的挖沟深度及管沟的成型,降低了施工速度,影响了施工质量。本文就如何解决复杂地质条件下海底管道的挖沟的问题,进行有关的技术分析。

1 海底管道挖沟技术

海底管道挖沟技术常用的挖沟方法主要有 4种类型:机械挖沟法、水利挖沟法、机械和水利结合挖沟法、不挖沟进行海底管道埋设法。

目前国内海底管道挖沟技术主要采用机械和水利结合挖沟法的铰吸式和射水式。铰吸式适合海底管道线路周围没有杂物的挖沟施工作业,射水式适合海底管道路周围地质情况比较复杂的施工环境。本文主要介绍射水式挖沟装置。

1.1 动力配置参数

动力配置参数为:3台 200kW发电机组,2台600kW发电机组,总发电功率为 1 800kW;2台170kW柴油机;6台 20t锚机,2台30t锚机,1台吊重60t门架吊;1台挖沟机,适用于挖沟管径Φ219～Φ1 000mm,挖沟速度为 60～100m/h,挖沟深度为1.2～1.8m。

1.2 技术优势

(1)具有比较先进的 GPS定位导航系统、声纳系统。

(2)具有挖沟机工作状态的实时监控和数据记录功能。

(3)脐带缆绞车应用了大型回转接头连接技术。

(4)利用了挖沟机水下液压驱动技术。

(5)较为合理的滑靴和高压喷嘴系统,有效地保护了管道的防护层,确保了施工管道的安全性。

1.3 挖沟机工作原理

该挖沟机主要包括水面操纵系统、4组高压射水泵、脐带及传输系统(脐带、脐带绞车等)、水下挖构机机械结构部分。水面操纵系统包括TTS检测系统、声纳系统、角度压力传感器监测系统、挖构机履带控制系统。

施工时首先将挖沟机落入海中,当彩色图像声纳头进入水中时,进行声纳寻管。寻管后,根据彩色图像声纳的“剖面状态”得到管道的两个剖面,利用两点定一直线的原理将挖沟机定位在管道的正上方。接着在彩色图像声纳监测引导下,利用吊装系统将挖沟机就位于海底管道上。点动高压射水泵,试运各高压射水泵是否正常。将挖沟机上的前后声纳摆出,进行精确定位工作。在挖沟机离海床 1m时,观察到管道剖面纵向轴线与挖沟机前后声纳头轴中心线重合后,将挖沟机骑到管道上,挖沟机底面与海床接触,启动所有射、吸排泥水泵。前排 1号和2号滑靴下落深度 1.5m。将牵引锚机拉紧刹车,总控室发出前进信号,起步时按0.5m/min前进。接着后排 3号和 4号滑靴下落到设计施工深度,正常挖沟作业开始,这时所有高压射水泵、排泥泵,利用高压水射冲、泥浆泵深排原理挖出“V”型管道沟。前锚机绞锚绳,后锚机连续放绳,驳载体通过牵引绳前移拖动水下挖沟机沿管道行走挖沟,管道随之靠自重沉入沟底,埋管靠自然回淤。同时启动 GPS及声纳系统,在挖沟行走过程中每隔 50～100m记录管道实际走向轨迹及挖沟剖面,并储存记录数据。

2 挖沟机的施工环境

渤海湾海域的海底多为泥土质,浮泥软泥较多;但由于海底不停的被冲刷,导致海底浮泥软泥均被剥离,剩下的土层为较硬土层,所以使挖沟施工变得比较困难,挖沟成型很不理想。水下液压驱动能力偏弱的情况下,在较软的海床施工时,挖沟机有停滞打滑现象,需要船体的拖曳行走,挖沟速度较慢,平均40m/h,遇到泥质太硬的地方施工速度更慢。所以结合施工经验,更换性能可靠、压力更高的射水泵是非常必要的解决方案。

3 解决方案

经过多方调研,采用2台5DWN125-150/3柱塞泥浆泵。此泵出口压力为 3MPa,考虑到压力损耗,到达滑靴射水时喷头压力能达到2.5MPa。更换此泵,射水出口压力从原有的0.8～1.0MPa能提高到2.5MPa。对于一般地质,挖沟施工完全可以达到2.5m以上的埋深,挖沟速度也能提升到 60～100 m/h;对于泥质特别硬的土质情况,挖沟埋深也能达到设计要求。挖沟机挖沟施工示意图如图 1所示。

图1 挖沟机挖沟施工示意图

4 理论分析及计算内容

4.1 滑靴射水喷嘴的理论分析

首先要分析喷嘴的水力特性;喷嘴的射流水功率;喷嘴在滑靴上的分布和喷嘴的射流打击力。

通过对喷嘴参数的分析,首先,初步确定射流喷嘴的基本结构能为喷嘴流线参数的设计提供理论依据;其次,根据喷嘴射水的出口压力、喷射速度等参数分析建立喷嘴流线参数数值的优化方程。

4.2 挖沟施工时各种力与挖沟速度的关系

计算分析挖沟施工时,挖沟机受到的牵引力、滑靴阻力及海流的冲刷力对挖沟行进速度的决定关系。

4.3 建立射水对泥土的切割破碎公式

高压水通过喷嘴喷射切割泥土并使之液化,经排量4 800m3/h的大射水泵冲刷液化后的土壤,从而形成沟型和沟深,海底管道落入沟底。由此明确,当喷嘴射流力大于土壤临界破坏力的条件下,增大射流流量比增大射流压力更为有效。

4.4 挖沟施工射水破土及置换土方量计算

4.4.1 1h最大破土的土方量

按海底管道设计埋深 1.5m,考虑管道自身直径,需要挖沟深最少1.7m。在滑靴下降 45°的情况下,理论沟深1.7m。

式中:V为每小时需破土的土方量,m3;v为挖沟速度,一般按60～1 000h计算,这里取v=100m/h;s为横截面积,s≈3.15m2。

4.4.2 挖沟机前侧射水破土土方量

在前排的 1号、2号滑靴射水喷嘴,由甲板 2台180m3/h的射水泵分别供水,在单位小时内,1号、2号滑靴的喷嘴在能够破土的情况下,能够液化的土方量为 360m3,完全能满足施工行进的最大破土液化土方量315m3/h。

4.4.3 液化后的土方置换

在挖沟机后侧,为满足挖沟机 4 800m3/h的大排量的需求,成沟需要达到1.7m以上的沟深,1h挖沟100m所需要的 315m3土方置换来说,应该是可行的。

4.5 射水泵工作流程

挖沟机射水管线流程图如图 2所示。

图2 挖沟机射水管线流程图

流程及功率分配说明:

(1)1号、2号、3号、4号滑靴上分布的喷嘴主要作用为破土开路液化泥土,后置的大排量射水泵为置换液化后的泥土成沟。

(2)1号、2号滑靴由 2台功率 160kW、排量180m3的离心射水泵,经内径 Φ100mm软管通过脐带缆绞车,然后进入图 2脐带笼进入挖沟机,再通过Φ80mm水管分别进入1号、2号滑靴供水。

(3)3号、4号滑靴由 2台功率 120kW、排量130m3的射水泵,直接连接内径 Φ100mm软管分别进入 3号、4号滑靴供水。

(4)后置的4 800m3/h射水泵由2台170kW动力站带动,两个相当于Φ529mm截面积矩形出口。

5 结语

通过对滑靴射水的喷嘴的性能参数分析及理论计算,说明更换的性能可靠、压力更高的射水泵,能满足在复杂的地质条件下管道的挖沟深度及管沟的成型质量的要求,从而满足海底管道的挖沟铺设施工要求。又由于方案比较科学,不仅加快了施工速度,还提高了施工质量。因此,更换性能可靠、压力更高的射水泵是一种非常合理技术方案。

[1] 徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 侯凌云.喷嘴技术手册[M].北京:中国石化出版社,2002.