海底输油管道回填石块清除的施工方法

周 波，奉 虎，王 亮，王艳涛，史殿龙

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

我国现役海底油气管道有很多与港口航道发生交叉，这使得港口航道在改扩建时与交叉管道发生冲突，油气管道需进行改线或者下卧改造。航道交叉段海底管道（以下简称海管） 在铺设之初需考虑船舶频繁通航对海管安全性的影响，通常采用回填石块的方式来保护交叉段海管的安全，此处海管一旦进行改线或者下卧改造就大大增加改造难度，因为传统海管暴露方式无法清除大粒径的石块，并且在改造施工时，管道处于生产输油状态，任何导致海管破裂致使原油泄漏的施工都是不可接受的。因此，在施工过程中如何保证海管的安全性就成为一个最重要的环节。本文以渤海某登陆管道改造为例，介绍一种回填石块清除的有效方法[1-3]。

1 工程概述

某航道计划扩建为10万t级船舶航道，改造后的航道底标高为-17 m，该航道与现有某海上至陆地终端登陆输油管道有交叉。根据2013年完工调查报告，交叉处管道埋深4 m，未处理前的航道底标高为-15 m。为满足通航要求及确保航道疏浚时不损坏管道，需要将该交叉段海管上方回填保护的石块清除，并安装防护垫、抛填石块进行海管保护，总回填保护深度为2 m，最终满足交叉路由管道上部航道底标高为-17 m的要求。

如图1所示，规划航道底宽347m、标高-17m，通航宽度为357 m，标高为-16.3 m，航道顶宽375 m、标高-15 m，备淤深度0.7 m。海管与航道（顶宽） 交叉段长度约475 m，两侧各考虑50 m过渡段，海管处理长度约为575 m。

图1 海管与航道交叉示意

航道与海管交叉处位于海管4 m埋深段，海管顶标高约为-19 m，航道底标高要求为-17 m。管道原回填情况见图2。

图2 海管埋深示意

2 方案设计

2.1 海管路由两侧开挖沟槽

如图3所示，使用抓斗船在海管两侧开挖沟槽，此沟槽主要用于后期开挖毛石的存放。根据需清理石块的存放量设计沟槽开挖宽度和深度。开挖的泥砂由泥驳运输至指定区域。

图3 沟槽开挖截面示意

2.2 表层淤泥吹扫

使用非接触挖沟机清除海管路由上方约0.5 m厚的软泥，暴露回填的毛石，使石块之间相互松动，以便开展挖掘机抓取石块的施工。

2.3 回填石块清理

如图4所示，使用伸缩臂式挖掘机清理海管上方毛石层。施工时，将伸缩臂挖掘机固定在主作业船船舷侧，将抓取的石块放置到预挖的沟槽内。

2.4 清除剩余碎石层及管道暴露

图4 回填石块清理

使用非接触挖沟机清理海管上方碎石和细砂层。吹扫过程中注意防止管道悬空，并且使吹扫后的海床面尽量平整。

2.5 回填保护

原海管厚4 m的保护层，按照新的回填保护方案设计为1.5 m，为达到保护效果，需安装两层防护垫，再进行抛石回填保护，最终的海管回填保护截面示意如图5所示。

图5 回填截面示意

3 施工机械

3.1 主作业船

本工程使用的主作业船长100 m、宽38 m、型深9 m，主要作为伸缩臂挖掘机、挖泥船的施工支持船舶。主作业船的稳性直接影响施工效果。

3.2 挖泥船

挖泥船为管道两侧开挖沟槽的作业船舶（见图6），抓取的泥砂由泥驳运至抛泥区域，防止回填。抓斗投影尺寸为7.5m×2m，斗容为13～16m3。

图6 挖泥船

3.3 伸缩臂挖掘机

挖掘机是清理原回填石块的主要设备（如图7所示），为适应本项目的水深要求，挖掘机选用筒式伸缩臂挖掘机，伸缩臂最大长度可达26 m，顶端安装五瓣抓斗，便于抓取石块，斗容1 m3。伸缩臂挖掘机施工限定条件：流速＜2 m/s，浪高＜1 m。伸缩臂上标有刻度，可监控抓斗入水深度。

图7 伸缩臂挖掘机

4 施工监控

本项目中使用三维实时声呐观测系统，可适用于高速水流作业环境，有效解决了传统声呐探测技术上的盲区问题，并具有实时现场观测功能。

4.1 三维实时声呐系统

三维实时声呐系统是目前国际最先进的一款多波束实时声呐探测系统，主要由硬件设备和软件两部分组成，其中硬件设备包括Echoscope多波束探头、惯性导航系统F180和GNSS定位定向仪，软件系统为Underwater Survey Explorer。三维实时声呐系统采用单次高密集的水深探测数据借助高速的数据传输及处理方式，每一频次探测到的被测物体回声能实时生成三维点云图像，随着声波数据传输的更新，三维图像每秒可更新12次，且各频次的图像的显示不会出现覆盖，而是实现瞬时拼接，使整个场景实时可视化显示，实现实时观测[4-7]。

4.2 系统工作原理

三维实时声呐系统向目标区域发射信号，利用声成像方法对接收到的回波信号进行处理，获得一系列二维图像，通过计算机合成技术生成三维图像。由一次三维成像可以获得两种类型的帧，分别是距离图像和振幅图像，图像经处理实现目标的三维成像。为了保证测量精度，通过惯性导航系统进行姿态修正，以消除船舶在航行时纵横摇摆的影响。表1为三维实时声呐部分参数。

表1 三维实时声呐关键数值

4.3 监控系统应用

4.3.1 沟槽开挖监控

由于两侧沟槽开挖量巨大，需使用挖泥船挖泥。挖泥船作业时，抓斗采用自由落体方式在空中释放，靠自重抓泥。如果位置定位不准确，很容易抓漏海管，造成原油泄漏；若通过潜水员指引开挖，不仅增加安全风险，而且效率低下。

在三维声呐监控电脑里导入管道路由和沟槽开挖范围边界，开挖范围与管道路由有一定的安全距离，如图8所示。在三维实时声呐系统的监控下，控制挖泥船抓斗在开挖边界内进行开挖，开挖过程中实时监控抓斗与管道路由的距离，可有效保证开挖时海管的安全，并且能够测量开挖深度和范围。

图8 挖泥船水下监控

4.3.2 回填石块清理监控

伸缩臂挖掘机在海管上方进行施工，海管高程经调查为海床下4 m，监控过程主要控制挖掘机抓斗最大挖深不超过海床下3 m。主要操作步骤如下：

（1） 使用三维实时声呐测量原海床深度。

（2） 伸缩臂挖掘机抓斗先下放至距离海床面2 m的位置。

（3） 在三维实时声呐监控下选择抓取位置，如图9所示。

图9 伸缩臂挖掘机水下监控

（4） 继续下放抓斗，根据伸缩臂上的刻度控制下放深度，直到下放到能够抓取石块的高度。下放最大深度不得超过海床下3 m，否则重新选取抓取位置。

（5） 将抓取的石块在三维实时声呐的监控指引下抛至管道两侧沟槽内。

5 结束语

使用三维实时声呐辅助监控伸缩臂挖掘机来清理海管上方回填石块的方法在国内工程项目中尚属首次，该种方法的成功应用可为类似海管施工作业提供借鉴经验。在能见度差的施工环境下，三维实时声呐较其他实时监控手段来说效果最好，这种方法随着三维实时声呐的更新换代，尤其是其分辨率及监控范围越来越高将会变得更加成熟。