新型深水非接触式海管后挖沟技术应用
刘雨
摘要：为了对海底管道进行保护，通常需要对铺设的海管进行挖沟埋设处理。在东海某气田开发项目海管后挖沟工程中，上海打捞局国内首次使用了新型深水非接触式海管后挖沟技术。本文主要对本次工程的新型挖沟设备和施工工艺进行了介绍，并对此次海管挖沟工程进行了经验总结，为以后开展类似的挖沟业务及相关延伸业务提供参考和借鉴。
关键词：海管 非接触式 挖沟
0 引 言
海底管道作為海上油气运输的大动脉，已经成为海洋石油开发的关键技术，而海底管道的挖沟与埋设是管道工程建设中的重要一环。海底管道的挖沟埋设，是为了保护铺设的管道免受外力损坏，使海底管道在其安装和运行期内不出意外事故，保证管道安全。近几年来，随着海底管道的管径不断增大，管道水深也不断增加，原有的施工技术已很难满足要求。
在2015年东海某气田开发项目海管后挖沟工程中，上海打捞局在国内首次应用了新型深水非接触式挖沟技术。此套挖沟系统以动力定位船舶作为搭载平台，采用水下悬吊式、非接触、大流量泵抽水喷冲除泥原理，来实现对海底管线进行挖沟。最大特点就是与现有管线不进行直接机体接触，不存在挖沟机本体与管线之间硬性摩擦和挤压工况，有效保护被挖沟作业的海底管线。
1 概 况
作业气田群位于上海市东南向420km的东海大陆架上，由中国石油化工股份有限公司和中国海洋石油股份有限公司所有，平均工作水深约94.4～108.3m。气田分布如图1-1所示。
该项目已铺设完成三条海底12寸水泥配重气管线，编号及长度分别为：
（1）P1管线：长约16km；
（2）P2管线：长约20.5km；
（3）P3管线：长约22.9km。
本次施工上海打捞局主要负责P1、P2、P3三条海管管线共约59.4km的后挖沟。海上施工期间保证海管埋设深度达到1m，即海管顶部距离海床泥面达到1m，同时在挖沟期间海管受力满足应力要求。后挖沟施工完成后进行后调查，如不满足埋深要求，需再次进行处理直到满足1m埋深为止。后挖沟使用业主提供实际铺管路由，并结合调查设备，确保挖沟作业不会对海管造成损伤。
2 施工资源介绍
2.1 “聚力”号700吨浮吊船
考虑到东海海况较为复杂，且海底管线较多，使用动力定位船而非抛锚船。本次管线后挖沟使用的施工母船为上海打捞局的700T全回转动力定位浮吊船“聚力”号。搭载挖沟机后的“聚力”号见图2-1。
“聚力”号船长132m，宽35m，型深10.5m，具有DP2级动力定位能力，主要作业参数如下：
（1）工作水域：我国近海5～6级海况水域；
（2）调遣水域：无限航区；
（3）施工条件： 风力小于6级或浪高小于2.5m或流速小于3节；
（4）船舶条件： 船舶最大横倾角3.5°，船舶最大纵倾角3°。
2.2 非接触挖沟机系统
深水非接触挖沟机系统系由上海打捞局设计并建造完成的，见图2-2。本套深水非接触挖沟机系统大体可分为水面和水下两大部分：水面主要是动力系统和监控系统；水下则主要是挖沟机本体。与ROV的作业方式相似，挖沟机作业主要是通过水面遥控操作完成，水面监控站内可以监测水下本体的所有传感器信息及挖沟情况。其主要性能参数如下：
（1）作业水深：300m；
（2）最大挖沟深度：5m@25kPa，3m@40kPa，1m@55kPa；
（3）最大总功率：1600kW（含脐带缆绞车）；
（4）出口流速：0～10m/s；
（5）破土强度：≤55kPa；
（6）最大流量：40 000m3/h；
（7）最大扬程：6.5m （@34400m3/h）；
（8）适应地质土壤：软泥、砂土、沙砾；
（9）挖沟方式：垂直悬吊非接触式；
（10）挖沟机抗纵、横能力：±10°；
（11）平均浪高：≤1.5m，作业风速：≤6grade，流速：200m水深内2节流。
3 主要施工流程
施工母船为我局的700吨DP2浮吊船“聚力”号，作业时船舶以动力定位模式按照顺序分别沿P1、P2和P3管线的设计路由行进挖沟，挖沟起始端的选择会影响船舶方位，需要根据现场的海况条件决定。根据挖沟规格书和海管资料编制的施工流程方案如下：
（1）准备工作
施工船舶驶抵挖沟起始点附近，并对船舶DP性能进行测试，确保施工船舶DP模式下运行稳定后。随后在挖沟起始点附近区域进行一次完整的吊放、试挖沟、回收过程测试，监测挖沟机各项性能是否处于良好运行状态，并记录挖沟机试挖过程中轴流泵、喷射管、控制系统等的各项参数，由ROV下水检查试挖沟的沟型、沟深、沟宽等数据，经过检查确认合格后，进行正常的后挖沟施工。
（2）挖沟路由及挖沟机下放
船舶、设备测试完成后，开始进行挖沟作业。由于本次挖沟业主未提供管道的实际铺设路由，将以设计路由为参考，使用挖沟机本身的多波束声呐系统寻找海管实际位置。即按照设计路由进行移船，边挖沟便根据声呐图像进行挖沟路由微调。
挖沟机下放时，船舶先停在距挖沟点外20～30m处，下放挖沟机至泥面高5m左右的位置，通过挖沟机自带多波速声呐、高度计、水下罗经、USBL、摄像头等监测设备，确定挖沟机相对海管位置以及距离挖沟点处泥面的高度，从而来调整船位和挖沟机高度。挖沟机作业示意图如图3-1所示。
（3）起始挖沟点造坡
为了保证管道不受较大的弯曲应力，后挖沟起始点开始一段需要进行造坡，此套非接触挖沟机通过逐渐改变挖沟机与海床面的高度来改变挖沟深度，从而实现起始端造坡。即在起点处，将挖沟机的高度适当调整，启动挖沟机，开始吹泥挖沟。作业母船沿海管路由前进，通过逐渐下放挖沟机，即减小挖沟机与海床面的高度来向下造坡。造坡过程中，通过多种监测设备，监测造坡过程，造坡距离约50m。
（4）正常挖沟过程
造坡结束后，进入正常挖沟模式，即保持挖沟机距海床面约1～1.5m的高度。沿路由挖沟时，通过挖沟机上的监测设备，实时监控海管与挖沟机的相对位置，出现偏差及时通过调整船位来保證挖沟机与海管的相对位置不变，以保证挖沟效果。正常挖沟过程中，安排专人监视挖沟机控制屏幕，记录挖沟过程的各项数据，定时或对重点位置的声呐扫测图像进行截屏和摄像头视频进行截屏记录，作为施工过程记录。正常挖沟过程中，若在监测设备中出现疑似挖深不够的情形时，应及时通过调整挖沟机的高度或减慢作业母船行进速度，来使挖沟深度满足设计要求。
（5）挖沟终点段造坡
到达挖沟终点前50m，开始向上造坡，原理与起点造坡一致，即移船前进的同时，逐渐提高挖沟机，从而减小挖沟深度，形成造坡，并通过挖沟机的监测设备监测造坡过程。
（6）挖沟机回收
挖沟过程中如果遇到恶劣海况不适宜挖沟作业时，在满足海管和挖沟机安全的前提下，尽量向上造坡作业30～50米距离。在海况非常恶劣的情况下，应立即中断挖沟，紧急回收挖沟机。回收挖沟机时，在挖沟机出水时使挖沟机紧贴船艕，并配备有防撞轮胎和滑槽装置，使挖沟机能顺利就位于甲板搁架，上述措施能减少母船摇晃对挖沟机的损坏。若遇设备故障引起的施工中断，也应中断挖沟，回收挖沟机。若出现挖沟中断，回收挖沟机前要记录其挖沟中断点的精确位置。在重新开始施工时，施工船舶以中断点为基点沿海管实际路由后退100m，重新开始挖沟作业，以保证挖沟路由中不出现挖深不够的遗留点。
（7）挖沟后调查
按照设计路由完成全部挖沟工作后，由交通船携带扫测设备进行挖沟后调查，如果有不满足工程要求的区段，还需要进行补挖。补挖需重点记录挖沟位置数据、声呐扫测图像和水下摄像头视频图像资料，直至沟深达到技术要求标准。
4 工程总结
本次挖沟工程使用了新设备、新工艺，又面临这作业海域环境复杂，水深较大的困难。但是经过前期充分的施工准备、合理有效的组织施工，施工人员以精准到位的指挥和施工配合，安全、高效、优质地完成了此次难度较高的挖沟任务，新型动力定位非接触式挖沟技术在我国得到了首次成功应用。本次工程经验及改进思路总结如下：
（1）船舶挖沟时的艏向，需要根据现场海况环境而定，一般尽量选为与管线平行或垂直。两者的区别在于垂直走时沟形较宽（约12m）但沟深较浅，平行走时由于前后喷嘴冲刷两次，会使沟深略深，但沟形较窄（3～5m）。
（2）挖沟机喷嘴距管顶高度安装设计要求需要保持在1.5～2m之间，在遇到较硬泥质的情况时，也可以视情况适当降低至0.8～1m高度，但要密切关注挖沟机垂荡，出现较大幅度升沉时应及时提升挖沟机高度，以免挖沟机喷嘴与管线发生碰撞，造成管道损伤。建议安装带有主动升沉补偿功能的绞车，减小挖沟机的垂荡幅度。
（3）挖沟速度视泥质情况一般选为0.02～0.05m/s，遇到非常松软的泥质时，也可适当提速。
（4）挖沟机的水下会受到水流的很大影响，加上船舶移动时本身的摆动，从而产生明显摆动。如果摆动较大的话，非常不便于挖沟状态的监控，往往造成挖沟路由偏离管线。可通过适当调整两根牵拉钢丝来减小挖沟机摆动。
（5）用声呐扫测挖沟管线存在一定缺陷，因为在挖沟过程中，挖沟机冲出大量泥沙，在海底水流较小的情况下，悬浮的泥沙会影响声呐扫测效果，造成管线和沟形难以辨识，对挖沟过程的监控造成很大干扰，可通过安装更先进的TSS磁力探测装置来解决。
摘要：为了对海底管道进行保护，通常需要对铺设的海管进行挖沟埋设处理。在东海某气田开发项目海管后挖沟工程中，上海打捞局国内首次使用了新型深水非接触式海管后挖沟技术。本文主要对本次工程的新型挖沟设备和施工工艺进行了介绍，并对此次海管挖沟工程进行了经验总结，为以后开展类似的挖沟业务及相关延伸业务提供参考和借鉴。
关键词：海管 非接触式 挖沟
0 引 言
海底管道作為海上油气运输的大动脉，已经成为海洋石油开发的关键技术，而海底管道的挖沟与埋设是管道工程建设中的重要一环。海底管道的挖沟埋设，是为了保护铺设的管道免受外力损坏，使海底管道在其安装和运行期内不出意外事故，保证管道安全。近几年来，随着海底管道的管径不断增大，管道水深也不断增加，原有的施工技术已很难满足要求。
在2015年东海某气田开发项目海管后挖沟工程中，上海打捞局在国内首次应用了新型深水非接触式挖沟技术。此套挖沟系统以动力定位船舶作为搭载平台，采用水下悬吊式、非接触、大流量泵抽水喷冲除泥原理，来实现对海底管线进行挖沟。最大特点就是与现有管线不进行直接机体接触，不存在挖沟机本体与管线之间硬性摩擦和挤压工况，有效保护被挖沟作业的海底管线。
1 概 况
作业气田群位于上海市东南向420km的东海大陆架上，由中国石油化工股份有限公司和中国海洋石油股份有限公司所有，平均工作水深约94.4～108.3m。气田分布如图1-1所示。
该项目已铺设完成三条海底12寸水泥配重气管线，编号及长度分别为：
（1）P1管线：长约16km；
（2）P2管线：长约20.5km；
（3）P3管线：长约22.9km。
本次施工上海打捞局主要负责P1、P2、P3三条海管管线共约59.4km的后挖沟。海上施工期间保证海管埋设深度达到1m，即海管顶部距离海床泥面达到1m，同时在挖沟期间海管受力满足应力要求。后挖沟施工完成后进行后调查，如不满足埋深要求，需再次进行处理直到满足1m埋深为止。后挖沟使用业主提供实际铺管路由，并结合调查设备，确保挖沟作业不会对海管造成损伤。
2 施工资源介绍
2.1 “聚力”号700吨浮吊船
考虑到东海海况较为复杂，且海底管线较多，使用动力定位船而非抛锚船。本次管线后挖沟使用的施工母船为上海打捞局的700T全回转动力定位浮吊船“聚力”号。搭载挖沟机后的“聚力”号见图2-1。
“聚力”号船长132m，宽35m，型深10.5m，具有DP2级动力定位能力，主要作业参数如下：
（1）工作水域：我国近海5～6级海况水域；
（2）调遣水域：无限航区；
（3）施工条件： 风力小于6级或浪高小于2.5m或流速小于3节；
（4）船舶条件： 船舶最大横倾角3.5°，船舶最大纵倾角3°。
2.2 非接触挖沟机系统
深水非接触挖沟机系统系由上海打捞局设计并建造完成的，见图2-2。本套深水非接触挖沟机系统大体可分为水面和水下两大部分：水面主要是动力系统和监控系统；水下则主要是挖沟机本体。与ROV的作业方式相似，挖沟机作业主要是通过水面遥控操作完成，水面监控站内可以监测水下本体的所有传感器信息及挖沟情况。其主要性能参数如下：
（1）作业水深：300m；
（2）最大挖沟深度：5m@25kPa，3m@40kPa，1m@55kPa；
（3）最大总功率：1600kW（含脐带缆绞车）；
（4）出口流速：0～10m/s；
（5）破土强度：≤55kPa；
（6）最大流量：40 000m3/h；
（7）最大扬程：6.5m （@34400m3/h）；
（8）适应地质土壤：软泥、砂土、沙砾；
（9）挖沟方式：垂直悬吊非接触式；
（10）挖沟机抗纵、横能力：±10°；
（11）平均浪高：≤1.5m，作业风速：≤6grade，流速：200m水深内2节流。
3 主要施工流程
施工母船为我局的700吨DP2浮吊船“聚力”号，作业时船舶以动力定位模式按照顺序分别沿P1、P2和P3管线的设计路由行进挖沟，挖沟起始端的选择会影响船舶方位，需要根据现场的海况条件决定。根据挖沟规格书和海管资料编制的施工流程方案如下：
（1）准备工作
施工船舶驶抵挖沟起始点附近，并对船舶DP性能进行测试，确保施工船舶DP模式下运行稳定后。随后在挖沟起始点附近区域进行一次完整的吊放、试挖沟、回收过程测试，监测挖沟机各项性能是否处于良好运行状态，并记录挖沟机试挖过程中轴流泵、喷射管、控制系统等的各项参数，由ROV下水检查试挖沟的沟型、沟深、沟宽等数据，经过检查确认合格后，进行正常的后挖沟施工。
（2）挖沟路由及挖沟机下放
船舶、设备测试完成后，开始进行挖沟作业。由于本次挖沟业主未提供管道的实际铺设路由，将以设计路由为参考，使用挖沟机本身的多波束声呐系统寻找海管实际位置。即按照设计路由进行移船，边挖沟便根据声呐图像进行挖沟路由微调。
挖沟机下放时，船舶先停在距挖沟点外20～30m处，下放挖沟机至泥面高5m左右的位置，通过挖沟机自带多波速声呐、高度计、水下罗经、USBL、摄像头等监测设备，确定挖沟机相对海管位置以及距离挖沟点处泥面的高度，从而来调整船位和挖沟机高度。挖沟机作业示意图如图3-1所示。
（3）起始挖沟点造坡
为了保证管道不受较大的弯曲应力，后挖沟起始点开始一段需要进行造坡，此套非接触挖沟机通过逐渐改变挖沟机与海床面的高度来改变挖沟深度，从而实现起始端造坡。即在起点处，将挖沟机的高度适当调整，启动挖沟机，开始吹泥挖沟。作业母船沿海管路由前进，通过逐渐下放挖沟机，即减小挖沟机与海床面的高度来向下造坡。造坡过程中，通过多种监测设备，监测造坡过程，造坡距离约50m。
（4）正常挖沟过程
造坡结束后，进入正常挖沟模式，即保持挖沟机距海床面约1～1.5m的高度。沿路由挖沟时，通过挖沟机上的监测设备，实时监控海管与挖沟机的相对位置，出现偏差及时通过调整船位来保證挖沟机与海管的相对位置不变，以保证挖沟效果。正常挖沟过程中，安排专人监视挖沟机控制屏幕，记录挖沟过程的各项数据，定时或对重点位置的声呐扫测图像进行截屏和摄像头视频进行截屏记录，作为施工过程记录。正常挖沟过程中，若在监测设备中出现疑似挖深不够的情形时，应及时通过调整挖沟机的高度或减慢作业母船行进速度，来使挖沟深度满足设计要求。
（5）挖沟终点段造坡
到达挖沟终点前50m，开始向上造坡，原理与起点造坡一致，即移船前进的同时，逐渐提高挖沟机，从而减小挖沟深度，形成造坡，并通过挖沟机的监测设备监测造坡过程。
（6）挖沟机回收
挖沟过程中如果遇到恶劣海况不适宜挖沟作业时，在满足海管和挖沟机安全的前提下，尽量向上造坡作业30～50米距离。在海况非常恶劣的情况下，应立即中断挖沟，紧急回收挖沟机。回收挖沟机时，在挖沟机出水时使挖沟机紧贴船艕，并配备有防撞轮胎和滑槽装置，使挖沟机能顺利就位于甲板搁架，上述措施能减少母船摇晃对挖沟机的损坏。若遇设备故障引起的施工中断，也应中断挖沟，回收挖沟机。若出现挖沟中断，回收挖沟机前要记录其挖沟中断点的精确位置。在重新开始施工时，施工船舶以中断点为基点沿海管实际路由后退100m，重新开始挖沟作业，以保证挖沟路由中不出现挖深不够的遗留点。
（7）挖沟后调查
按照设计路由完成全部挖沟工作后，由交通船携带扫测设备进行挖沟后调查，如果有不满足工程要求的区段，还需要进行补挖。补挖需重点记录挖沟位置数据、声呐扫测图像和水下摄像头视频图像资料，直至沟深达到技术要求标准。
4 工程总结
本次挖沟工程使用了新设备、新工艺，又面临这作业海域环境复杂，水深较大的困难。但是经过前期充分的施工准备、合理有效的组织施工，施工人员以精准到位的指挥和施工配合，安全、高效、优质地完成了此次难度较高的挖沟任务，新型动力定位非接触式挖沟技术在我国得到了首次成功应用。本次工程经验及改进思路总结如下：
（1）船舶挖沟时的艏向，需要根据现场海况环境而定，一般尽量选为与管线平行或垂直。两者的区别在于垂直走时沟形较宽（约12m）但沟深较浅，平行走时由于前后喷嘴冲刷两次，会使沟深略深，但沟形较窄（3～5m）。
（2）挖沟机喷嘴距管顶高度安装设计要求需要保持在1.5～2m之间，在遇到较硬泥质的情况时，也可以视情况适当降低至0.8～1m高度，但要密切关注挖沟机垂荡，出现较大幅度升沉时应及时提升挖沟机高度，以免挖沟机喷嘴与管线发生碰撞，造成管道损伤。建议安装带有主动升沉补偿功能的绞车，减小挖沟机的垂荡幅度。
（3）挖沟速度视泥质情况一般选为0.02～0.05m/s，遇到非常松软的泥质时，也可适当提速。
（4）挖沟机的水下会受到水流的很大影响，加上船舶移动时本身的摆动，从而产生明显摆动。如果摆动较大的话，非常不便于挖沟状态的监控，往往造成挖沟路由偏离管线。可通过适当调整两根牵拉钢丝来减小挖沟机摆动。
（5）用声呐扫测挖沟管线存在一定缺陷，因为在挖沟过程中，挖沟机冲出大量泥沙，在海底水流较小的情况下，悬浮的泥沙会影响声呐扫测效果，造成管线和沟形难以辨识，对挖沟过程的监控造成很大干扰，可通过安装更先进的TSS磁力探测装置来解决。
