海底管道挖沟技术与设备的分类及适用范围

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海底管道挖沟技术与设备的分类及适用范围

高 嵩

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

为了保证海底管道的稳定性并降低其受第三方破坏的风险，通常对浅海海底管道采用挖沟埋设方式进行保护。介绍了海底管道挖沟埋设法的技术特点及其设备。对海洋工程常用的挖沟设备及其性能和优缺点进行了详细阐述，同时对水下挖沟方法及其施工机具的选取进行了论述。相关原理和技术可为埋设海底管道挖沟施工方案的前期研究提供参考。

海底管道；挖沟技术；施工设备；土壤

0 引 言

海底管道是连接油井与平台及平台与陆上储运设施的油气输送工具。为防止海底管道遭受破坏，工程上会采取多种保护方案和措施，最为常见的施工工序是开设沟槽对管道进行埋设[1]。这种既经济又有效的工程措施不仅能使管道免于因水质点动力作用而发生失稳，还具有保护管道防止受到机械损伤、消除或减小自由悬跨、抑制管道的隆起屈曲、增加管道的热保温效应等效果。

目前，我国海底管道铺设普遍采用S型铺管法，一些水深较浅的项目会采用拖拉法或浮拖法。根据项目的设计及施工要求，海底管道某些关键路由段需要预开沟后铺管，如登陆段(潮差带)或航道(水道)段。而对于无特殊设计要求的一般路由段，通常都会在正常铺管之后执行挖沟。海底管道的埋设方法分为预挖沟埋设、后挖沟埋设及自埋式，对应的常见挖沟设备有挖泥船、喷射式挖沟机、挖沟犁等。选取海底管道挖沟埋设方法及设备，一般要根据海域水文环境、路由地质条件、设计要求及工程经济性来统筹考虑。本文将重点针对海底管道挖沟技术及其相应设备的性能和优缺点进行论述。

1 挖沟埋设法

按照铺管的顺序，海底管道埋设方法可分为预挖沟埋设和后挖沟埋设法。预开沟埋设法为机械式挖沟，而后开沟埋设法可分为机械式开沟和自挖沟。自挖沟技术，即自埋法，是海底管道一种比较特殊的后开沟方式。下面将逐一介绍各种挖沟埋设方法的特性及所使用的施工设备。

1.1 预挖沟埋设法

预挖沟埋设法，是在管道预定埋设位置，使用水下有关的机具设备，在管道铺设之前把管道的海底沟槽按照规定要求开挖出来，随后再铺设管道并进行回填埋设的方法。该方法目前在海底管道登陆段(潮差地带)、后挖沟船舶无法进入的地带及特殊保护段经常采用。此法通常需要开挖较大土方量，且需要工程回填。预开挖沟槽断面具有较好的坡度比，沟底平整度高，如图1所示。

预开沟按照使用设备的不同可分为抓斗式挖泥船开挖、吸扬式挖泥船开挖、链斗式挖泥船开挖、水下铲斗式挖泥船开挖和爆破方法开挖。几种不同的挖泥船如图2～4所示。

图1 预开沟沟槽断面图Fig.1 Pre-trenching section

图2 抓斗式挖泥船Fig.2 Grab dredger

图3 吸扬式挖泥船Fig.3 Pipeline dredger

图4 链斗式挖泥船Fig.4 Bucket dredger

对于普遍的预开沟作业，抓斗式挖泥船是一种最为常用的设备。该方法通过抓斗的自重切土挖泥，将装满疏浚土的泥斗提升至水面，开斗卸泥。由于土方量较大，因此为防止抓斗内悬浮物污染环境，应在作业区域内设置淤泥屏障，限制浑浊水大范围扩散。

1.2 后挖沟埋设法

后挖沟埋设法是在管道铺设以后或铺设的同时，将管道埋置在海床面以下要求的深度。由于该方法效率高，因此在没有预开沟特殊要求的区域，通常会优先考虑使用。根据挖沟的方式，后开沟埋设方法可分为水力(喷射)式、机械式和犁式三种。水力(喷射)式挖沟机的基本原理是应用高压水把海床上的土壤冲开吸走，机械式挖沟机是采用通常的挖掘方式把海床上的土壤挖走，而犁式挖沟机的工作方式与犁地类似。

水力(喷射)式挖沟装置的结构较为简单，安装有一排垂直喷嘴，喷射泵将高压水从喷嘴喷出，从而冲动海底管道下方及周围的土体。装置上的吸泥泵同时会将冲动后悬浮的泥浆吸走，管子靠自重沉入冲出的沟槽。挖沟机如图5所示。

犁式挖沟装置下方安装类似于犁的机械挖掘机构，由水面挖沟船或拖轮牵引前进。该挖沟机会将海床土壤翻转到沟的两侧，使管道靠自重沉入沟底。该装置可通过改变犁的形状而控制沟的型面，也可用于回填作业。犁式挖沟机如图6所示。

图5 水力(喷射)挖沟机Fig.5 Hydraulic jet trencher

图6 犁式挖沟机Fig.6 Ploughing trencher

机械切割式挖沟装置下方安装有绞刀(具)，水下作业时对土壤实施机械式切割，使其剪切破坏，管道靠自重沉入沟底。该挖沟设备可在水面拖船的作用下通过夹紧管道前进或是启动机械履带在海底自我行走，其结构如图7所示。

图7 机械切割式挖沟机Fig.7 Mechanical cutting trencher

1.3 管道自埋技术

海底管道自埋技术是一种经济实用的埋设方法。目前，阻流器代表了海底管道自埋法中最新的技术成果。如图8所示，该装置类似于固定在管道上的“鳍”，通过金属钢带绑定在管道顶部。其工作原理是“鳍”片使管道的周围产生涡流，反复冲刷管道底部的土壤，当管道下方土壤逐渐出现孔洞时，管道会在自重和“鳍”动力的共同作用下，逐步沉入海床。如管道埋设深度不足或海床表面出现冲刷，则该装置会继续发挥作用，自动调节管道的埋设深度。该技术不仅比传统的机械开沟所需的施工费用低，而且在管道运营期间，避免了由于海床变化而造成管道悬空或裸露带来的危险。

图8 阻流器Fig.8 Spoiler

2 挖沟设备的选择

海底管道开沟机械设备众多，但目前还没有一种在任何水深、管径、海底土质条件下都能经济地进行施工作业的万能型海底开沟机械[2]。应充分结合地域条件及工程经济性等因素合理选择预开沟设备和后开沟设备。

2.1 预开沟设备

此类施工机具应根据海底土质和水深等条件，选取合适的沟槽开挖方法。各种开挖方法适用的土壤范围如表1所示。对于坚硬底层，要预先爆破炸松后再用适当的机具在水下清理成要求的沟槽。

表1 预开沟设备的选择Table 1 Comparison of pre-trenching tools

2.2 后开沟设备

喷射式挖沟机应用较为广泛，分为接触式和非接触式。常用于浅海(近海)海域及一般黏土及砂土属性的海床。理论上可处理土壤剪切力在80 kPa以下的海床。平均作业水深为0～90 m，单遍挖沟深度最大可达3 m，挖沟速度普遍为1.5～2 km/d，可以处理管道悬跨的海床修正作业。

犁式挖沟机适合深海硬质海床的挖沟作业，能有效防止土壤重新落回沟内。理论上可处理土壤剪切力在300 kPa以下的海床。同时，由于挖沟犁通常较重，在松软的土壤极易沉降，因此不适合软泥质、松散土壤的挖沟作业。对于硬质土质，沟深可达2.5 m，挖沟速度为4.3～10 km/d。一般不用于处理悬跨作业。

机械切割式挖沟机[3]作业水深范围大，功率消耗低，适应性强，且操作方便。按工作装置作业原理，分为链式、盘状旋削式和柱状铣削式挖沟机。理论上可处理硬质海床，尤其是岩石质海床。不适合较软的黏土。对砂质土壤或硬质黏土工作效率低。沟深可达3 m，挖沟速度为7.2～13 km/d。一般不用于处理悬跨作业，且仅适用于处理小尺寸管道的挖沟作业。

2.3 自埋式挖沟设备

由于无需机构作业，故自埋式挖沟设备[4]可节省大量人工和海上作业费用。能减小海底管道所需的混凝土层厚度，制作费用低，安装方便，且能抑制管道的涡激震动，有助于防止高温高压管道发生隆起屈曲。相比机械挖沟，该挖沟埋设过程对海底环境影响较小。适用于砂质土壤海床或是海底冲刷比较严重的区域，理论上不适用于较硬土质的海床。

综上所述，无论选择哪种挖沟机都应重点考虑海床土壤情况，同时需要结合周边管道分布、海上作业效率及施工难度等，全面考虑后才能做出合理选择。

3 结 语

对于埋设海底管道，选择挖沟作业方法及相应的施工机具，除应考虑土壤属性、设计要求、海床平整度、海上施工作业效率、对其他资源及环境保护的影响等技术上的因素外，还需结合施工成本及工期、施工的质量及安全等因素综合考虑。对于预挖沟埋设管线，由于开沟方量较大，而且常需要抛石保护，从工程经济性考虑，应合理选择管线路由，避开不良地质条件及海洋功能区划，尽量优化挖沟段的长度和埋设深度。对于后挖沟埋设管线，若海床地质情况良好，应尽量选择作业效率高且成本低廉的施工机具，如喷射式挖沟机。通过对海底管线挖沟方法及其设备的研究，本文认为海管路由的土质属性应作为选择挖沟作业方式的首要因素。

[1] 余志兵，陈海龙. 海底管道在位强度分析[J].中国造船，2007，48(增刊):591.

[2] 迟令宝. 海底犁式挖沟机总体结构研究[D] .哈尔滨:哈尔滨工程大学，2010.

[3] 张国光. 世界著名水下开沟机械设计施工公司与机型介绍[J].海洋技术，1996(2)：53.

[4] 陈国祥，李春，唐海燕. 采用阻流板的海底管道自埋技术[J].中国造船，2005，46(增刊):365.

ClassificationandApplicationofOffshorePipelineTrenchingTechnologyandEquipment

GAO Song

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

To assure the stability of offshore pipeline and avoid hazard from the external environment, normally the pipelines are protected by trenching in the shallow sea. The pipeline trenching methods and installation tools are presented, and their function and characteristics are described. Furthermore, the selection of trenching methods and tools are studied. This research can provide the solution to trenching method of offshore burial pipeline in the earlier stage of engineering design.

offshore pipeline; trenching technology; installation tools; soil

2015-03-10

高嵩(1980—)，女，工程师，主要从事海洋工程结构方面的研究。

TE53

A

2095-7297(2015)03-0205-04