冲喷式柔性管缆挖沟机在海底管缆铺设挖沟施工中的应用

郑永峻，季 磊，王道明，饶云松

海洋石油工程股份有限公司 天津 300451

0 引 言

通过对施工区域海底海况与冲喷式柔性管缆挖沟机（以下简称“挖沟机”）技术性能的适应性评估，统筹考虑挖沟机动力故障、履带缠绕故障、船舶动力定位（DP）系统失位的技术风险后［1］，制定了有针对性的冲喷式挖沟施工技术方案［2］，在南海完成了1 500 m级深水挖沟作业，最终顺利完成了海底管线和海底电缆的铺设工作，充分验证了设备性能和海油工程公司的深水技术能力［3］。

1 挖沟机主要技术参数

挖沟机由结构主体、浮箱、管缆探测系统、管缆追踪仪、喷射臂系统、压缆器、推进器、履带、传感器等部分组成，如图1 所示。在水下作业时，只通过一根脐带缆与船舶建立连接，为其提供电力和传输信号，挖沟过程受船舶运动影响小。

图1 冲喷式柔性管缆挖沟机主要构成Fig.1 Main components of jetting trencher

挖沟机有两排喷射臂，喷射臂上共有35 个喷嘴，喷嘴根据喷射方向分两种，即往下喷嘴和往内喷嘴。喷嘴直径分别为12、17 mm，其中12 mm破土能力更强，主要技术参数如表1 所示。

表1 冲喷式柔性管缆挖沟机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of jetting trencher

2 性能评估

2.1 项目环境基础信息

海底土质：路由地质钻孔数据显示，3 m以内土壤为非常软到软的粉质黏土，不排水抗剪强度3～24 kPa，挖沟机最大破土能力100 kPa，施工没有问题。

海床平整情况：附近有施工痕迹，影响挖沟施工的痕迹为拖痕，深度0.5 m，宽度10 m，长度400 m，对冲喷式挖沟施工影响不大。其余位置海床平整，无影响挖沟施工情况。

海管情况：海管直径大、刚度大，下沉困难，需多遍挖沟。

2.2 水下能见度评估

挖沟机就位可以通过声呐和TSS440 辅助，即使水下能见度差时也可以正常施工，但会影响就位效率。就位将增加约0.5 h/次，1～2 h可以完成就位。

2.3 大管径挖沟评估

挖沟机最大挖沟直径为726 mm，厂家规格书标注最大为800 mm，而挖沟机喷射臂最大张开950 mm，正常挖沟时，喷射臂两侧最小余量112 mm。这对操作人员控制挖沟机艏向和位置要求很高，否则喷射臂容易接触到海管，如果接触力过大，则可能损坏喷射臂，鉴于海管有配重层，损伤海管可能性小。在自动跟随模式下，海管几乎处于正中间，但是在海床不平整时，挖沟机将左右倾斜，容易接触到海管。

通过设置喷射臂接触压力报警值、调整挖沟机位置或姿态、采用单臂挖沟等措施，规避喷射臂损坏风险，实现大管径挖沟。

2.4 挖沟速度评估

由项目预调查钻孔取样数据可知，表层土壤强度为2.1～7.8 kPa，属于非常软的粉质黏土。挖沟机在黏土上行走可能存在打滑现象（挖沟机前进速度＜履带转动速度），导致速度受限。履带打滑主要分为挖沟机原地不动、挖沟机低速前行2 种情况。

挖沟机前进阻力主要来源于喷射臂插入后土壤对其的摩阻力和履带行走的阻力。通过改造，加宽、加厚齿履带，开启推进器，规避喷射臂损坏风险，实现满足技术要求的挖沟速度。

2.5 挖沟遍数评估

根据海管悬跨处理施工经验，海管在自身重力和两侧土壤垮塌作用下，将淹没在充分扰动的软泥中。在不使用吸泥装置和泥土自然逸散的情况下，沟型面积为1.28 m²。

保守考虑，海管刚刚被软泥淹没，挖沟后形成沟型为下1 m、上4 m，开挖深度1.5 m，坡角45°，沟型截面面积3.75 m²，如图2 所示。加上吸泥装置后（流量1 000 m³/h，含泥量20%，排泥效率200 m³/h），按照300 m/h的挖沟速度，单次挖沟面积将增加0.66 m²，达到1.94 m²，预计2 遍（3.88 m²＞3.75 m²）可以达到1.5 m的挖沟深度，如图3 所示。

图2 开挖沟型截面Fig.2 Trench sectional area

图3 挖沟机水泵特性曲线Fig.3 Water pump characteristic curve

2.6 技术评估情况汇总

根据项目环境基础信息，综合水下能见度评估、大管径挖沟评估、挖沟速度评估、挖沟遍数评估结论，得出技术评估情况汇总表，如表2 所示。

表2 技术评估情况汇总Tab.2 Summary of technical evaluation

3 深水管缆挖沟技术方案

3.1 码头动员

根据海管挖沟需要，对挖沟机进行适应性改造：

①增加后抽吸模块，减少回填［4］；

②更换3 m长喷射臂，适用2 m以上挖沟深度；

③在码头进行湿试，验证设备功能；

④增加声呐，实时监控沟型。

3.2 施工预调查

船舶航行到目标（惠州油田）海域1 km外进行DP测试和定位系统校准。同时，ROV和挖沟机做下水前检查，必要时，进行湿试检查。

在海试之前，需要确定海试的区域，以及挖沟的起点、终点和路由，并用ROV进行挖沟路由预调查，清除妨碍海试的障碍物和垃圾。

3.3 挖沟机下放

挖沟机的下放由其配套的收放系统完成，挖沟机下放的主要操作步骤如下：

①移船至试验地点附近下放安全区域，确认现场海况；

②检查并确认各设备状态良好，检查通信系统，保证挖沟人员与项目组及船方的良好通信状态；

③甲板作业人员拆除挖沟机海固，准备下放入水；

④操作提升绞车吊起挖沟机，到达一定高度后，停止提升；

⑤调整A架角度，将挖沟机缓慢移动到舷外的下放位置；

⑥操作提升绞车缓慢下放挖沟机；

⑦挖沟机入水足够深度（约30 m）后，停止下放，进行挖沟机入水后测试，确保各项功能参数正常。

3.4 自由飞行测试

①下放ROV，在水下找到并监视挖沟机；

②释放挖沟机，使挖沟机脱离Cursor，将Cursor回收至甲板；

③释放挖沟机脐带缆，继续下放挖沟机至海床以上10 m；

④调节挖沟机上推力，使其处于悬浮状态；

⑤测试挖沟机6 个自由度的最大飞行速度，如图4 所示；

图4 挖沟机自由飞行测试Fig.4 Free flight test of trencher

⑥测试挖沟机正浮状态的最大转向速度；

⑦其他飞行测试。

3.5 海床行走测试

①释放挖沟机脐带缆，继续下放挖沟机使其着陆海床；

②测试挖沟机前进和后退最大速度；

③测试挖沟机左右转向能力，如图5 所示；

图5 挖沟机海床行走测试Fig.5 Seabed walking test of trencher

④其他行走测试。

3.6 挖沟机就位

①操作挖沟机至离海床以上10 m，移船使挖沟机处于挖沟起始点位置正上方；

②下放ROV，并在水下找到挖沟机；

③调整挖沟机的位置和艏向，艏向朝向挖沟行进方向，在ROV的协助下，中心线与电缆的中心线对准，如图6 所示；

图6 挖沟机就位Fig.6 Jetting trencher in place

④操作挖沟机下降，缓慢着落于海床上。

3.7 挖沟机起始造坡

①调整两排喷射臂的间距（450 mm）。

②下放喷射臂，使喷射臂尖端缓慢接近海床，同时注意观察电缆是否位于喷射臂中间，假如不是，则需要及时微调自身左右的位置。

③当喷射臂尖端接触到海床时，启动喷射臂的喷头，挖沟机沿着挖沟方向行进。

④挖沟工程师应根据经验操作挖沟机喷射臂插入深度，由浅入深进行造坡，造坡距离和造坡深度根据挖沟深度确定，如图7 所示（挖沟深度2 m，造坡距离20 m；挖沟深度3 m，造坡距离30 m）。

图7 挖沟机起始造坡Fig.7 Starting slope building of trencher

⑤观察记录挖沟造坡过程中喷射臂的入泥深度、挖沟深度、挖沟行进速度等数据。

3.8 挖沟机一次挖沟

①保持造坡结束时的挖沟机前进速度挖沟，主作业船配合挖沟机行进速度沿海管路由移动，确保挖沟过程中脐带缆处于半松弛状态；

②挖沟过程中通过挖沟机后面声呐［5］实时记录挖沟深度和宽度数据，如图8 所示；

图8 挖沟过程控制面板Fig.8 Process control panel

③挖沟机操作人员应根据实时监测结果调整挖沟机的行进速度，确保沟深和沟宽；

④实时监控喷射臂的受力（压力传感器）和挖沟机姿态（电罗经），出现异常及时调整。

3.9 挖沟机终止造坡

终止造坡是起始造坡的逆过程，逐渐将喷射臂收回和控制终止造坡的距离。

3.10 挖沟机二次挖沟

根据挖沟策略，海管需要进行二次挖沟。二次挖沟与正常挖沟类似，但为了避免沟型坍塌，需注意以下几点［6］：

①控制一次挖沟深度不超过1 m，保证一次挖沟沟型宽度≤3 m（目前保守考虑边坡比45°）；

②挖沟机履带内边缘宽度4.3 m，履带边距离沟型边缘0.65 m，单侧履带中心线距离沟型边缘1.15 m，经计算，不会发生垮塌；

③二次挖沟时，利用前方声呐观察已有沟型状况，提前识别坍塌风险［7］。

3.11 施工后调查

挖沟作业完成后，下放ROV，并携带调查工具对挖沟后的管缆路由段进行后调查，确认管沟的埋深和回填状况［8］。

①利用ROV等设备进行测试，确认挖沟机状况良好。

②移船至后调查起始点附近，下放ROV入水，根据定位图上的标识找到后调查起始点（尽量在未埋设电缆时开始调查）。

③调整ROV姿态（尽量位于埋设电缆正上方）和飞行高度（距离海床约0.5 m）。

④完成显示窗口背景补偿，ROV沿着电缆路由飞行进行后调查。

⑤实时采集埋深数据和沟形数据。

4 实践效果

本次实施的油气开发项目管缆铺设水深为1 000～1 500 m，深水冲喷式柔性管缆挖沟机完成收放系统安装与调试、挖沟机连接与测试、定位系统校准、挖沟机悬浮状态自由飞行、非挖沟状态挖沟机海床行走、挖沟机深水功能测试、2 m深挖沟、3 m深挖沟、二次挖沟等一系列动作后，执行挖沟长度56.6 km，满足管缆铺设沟型需求，顺利完成了本项目深水挖沟作业。■