海底管道挖溝技術(shù)的改進(jìn)

秦衛(wèi)華

(勝利油田勝利石油化工建設(shè)有限責(zé)任公司,山東東營(yíng) 257064)

0 引言

21世紀(jì)的來臨,意味著人類對(duì)海洋資源的開發(fā)進(jìn)入一個(gè)全新的階段,灘海石油的開發(fā)建設(shè)規(guī)模也日趨龐大,由此帶來的海底管道的鋪設(shè)也是越來越多。在海底管道施工中,管道線路周圍的地質(zhì)條件是個(gè)重要的影響因素。復(fù)雜的地質(zhì)條件影響了管道的挖溝深度及管溝的成型,降低了施工速度,影響了施工質(zhì)量。本文就如何解決復(fù)雜地質(zhì)條件下海底管道的挖溝的問題,進(jìn)行有關(guān)的技術(shù)分析。

1 海底管道挖溝技術(shù)

海底管道挖溝技術(shù)常用的挖溝方法主要有 4種類型:機(jī)械挖溝法、水利挖溝法、機(jī)械和水利結(jié)合挖溝法、不挖溝進(jìn)行海底管道埋設(shè)法。

目前國(guó)內(nèi)海底管道挖溝技術(shù)主要采用機(jī)械和水利結(jié)合挖溝法的鉸吸式和射水式。鉸吸式適合海底管道線路周圍沒有雜物的挖溝施工作業(yè),射水式適合海底管道路周圍地質(zhì)情況比較復(fù)雜的施工環(huán)境。本文主要介紹射水式挖溝裝置。

1.1 動(dòng)力配置參數(shù)

動(dòng)力配置參數(shù)為:3臺(tái) 200kW發(fā)電機(jī)組,2臺(tái)600kW發(fā)電機(jī)組,總發(fā)電功率為 1 800kW;2臺(tái)170kW柴油機(jī);6臺(tái) 20t錨機(jī),2臺(tái)30t錨機(jī),1臺(tái)吊重60t門架吊;1臺(tái)挖溝機(jī),適用于挖溝管徑Φ219～Φ1 000mm,挖溝速度為 60～100m/h,挖溝深度為1.2～1.8m。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)具有比較先進(jìn)的 GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)。

(2)具有挖溝機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄功能。

(3)臍帶纜絞車應(yīng)用了大型回轉(zhuǎn)接頭連接技術(shù)。

(4)利用了挖溝機(jī)水下液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

(5)較為合理的滑靴和高壓噴嘴系統(tǒng),有效地保護(hù)了管道的防護(hù)層,確保了施工管道的安全性。

1.3 挖溝機(jī)工作原理

該挖溝機(jī)主要包括水面操縱系統(tǒng)、4組高壓射水泵、臍帶及傳輸系統(tǒng)(臍帶、臍帶絞車等)、水下挖構(gòu)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。水面操縱系統(tǒng)包括TTS檢測(cè)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、角度壓力傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、挖構(gòu)機(jī)履帶控制系統(tǒng)。

施工時(shí)首先將挖溝機(jī)落入海中,當(dāng)彩色圖像聲納頭進(jìn)入水中時(shí),進(jìn)行聲納尋管。尋管后,根據(jù)彩色圖像聲納的“剖面狀態(tài)”得到管道的兩個(gè)剖面,利用兩點(diǎn)定一直線的原理將挖溝機(jī)定位在管道的正上方。接著在彩色圖像聲納監(jiān)測(cè)引導(dǎo)下,利用吊裝系統(tǒng)將挖溝機(jī)就位于海底管道上。點(diǎn)動(dòng)高壓射水泵,試運(yùn)各高壓射水泵是否正常。將挖溝機(jī)上的前后聲納擺出,進(jìn)行精確定位工作。在挖溝機(jī)離海床 1m時(shí),觀察到管道剖面縱向軸線與挖溝機(jī)前后聲納頭軸中心線重合后,將挖溝機(jī)騎到管道上,挖溝機(jī)底面與海床接觸,啟動(dòng)所有射、吸排泥水泵。前排 1號(hào)和2號(hào)滑靴下落深度 1.5m。將牽引錨機(jī)拉緊剎車,總控室發(fā)出前進(jìn)信號(hào),起步時(shí)按0.5m/min前進(jìn)。接著后排 3號(hào)和 4號(hào)滑靴下落到設(shè)計(jì)施工深度,正常挖溝作業(yè)開始,這時(shí)所有高壓射水泵、排泥泵,利用高壓水射沖、泥漿泵深排原理挖出“V”型管道溝。前錨機(jī)絞錨繩,后錨機(jī)連續(xù)放繩,駁載體通過牽引繩前移拖動(dòng)水下挖溝機(jī)沿管道行走挖溝,管道隨之靠自重沉入溝底,埋管靠自然回淤。同時(shí)啟動(dòng) GPS及聲納系統(tǒng),在挖溝行走過程中每隔 50～100m記錄管道實(shí)際走向軌跡及挖溝剖面,并儲(chǔ)存記錄數(shù)據(jù)。

2 挖溝機(jī)的施工環(huán)境

渤海灣海域的海底多為泥土質(zhì),浮泥軟泥較多;但由于海底不停的被沖刷,導(dǎo)致海底浮泥軟泥均被剝離,剩下的土層為較硬土層,所以使挖溝施工變得比較困難,挖溝成型很不理想。水下液壓驅(qū)動(dòng)能力偏弱的情況下,在較軟的海床施工時(shí),挖溝機(jī)有停滯打滑現(xiàn)象,需要船體的拖曳行走,挖溝速度較慢,平均40m/h,遇到泥質(zhì)太硬的地方施工速度更慢。所以結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn),更換性能可靠、壓力更高的射水泵是非常必要的解決方案。

3 解決方案

經(jīng)過多方調(diào)研,采用2臺(tái)5DWN125-150/3柱塞泥漿泵。此泵出口壓力為 3MPa,考慮到壓力損耗,到達(dá)滑靴射水時(shí)噴頭壓力能達(dá)到2.5MPa。更換此泵,射水出口壓力從原有的0.8～1.0MPa能提高到2.5MPa。對(duì)于一般地質(zhì),挖溝施工完全可以達(dá)到2.5m以上的埋深,挖溝速度也能提升到 60～100 m/h;對(duì)于泥質(zhì)特別硬的土質(zhì)情況,挖溝埋深也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。挖溝機(jī)挖溝施工示意圖如圖 1所示。

圖1 挖溝機(jī)挖溝施工示意圖

4 理論分析及計(jì)算內(nèi)容

4.1 滑靴射水噴嘴的理論分析

首先要分析噴嘴的水力特性;噴嘴的射流水功率;噴嘴在滑靴上的分布和噴嘴的射流打擊力。

通過對(duì)噴嘴參數(shù)的分析,首先,初步確定射流噴嘴的基本結(jié)構(gòu)能為噴嘴流線參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);其次,根據(jù)噴嘴射水的出口壓力、噴射速度等參數(shù)分析建立噴嘴流線參數(shù)數(shù)值的優(yōu)化方程。

4.2 挖溝施工時(shí)各種力與挖溝速度的關(guān)系

計(jì)算分析挖溝施工時(shí),挖溝機(jī)受到的牽引力、滑靴阻力及海流的沖刷力對(duì)挖溝行進(jìn)速度的決定關(guān)系。

4.3 建立射水對(duì)泥土的切割破碎公式

高壓水通過噴嘴噴射切割泥土并使之液化,經(jīng)排量4 800m3/h的大射水泵沖刷液化后的土壤,從而形成溝型和溝深,海底管道落入溝底。由此明確,當(dāng)噴嘴射流力大于土壤臨界破壞力的條件下,增大射流流量比增大射流壓力更為有效。

4.4 挖溝施工射水破土及置換土方量計(jì)算

4.4.1 1h最大破土的土方量

按海底管道設(shè)計(jì)埋深 1.5m,考慮管道自身直徑,需要挖溝深最少1.7m。在滑靴下降 45°的情況下,理論溝深1.7m。

式中:V為每小時(shí)需破土的土方量,m3;v為挖溝速度,一般按60～1 000h計(jì)算,這里取v=100m/h;s為橫截面積,s≈3.15m2。

4.4.2 挖溝機(jī)前側(cè)射水破土土方量

在前排的 1號(hào)、2號(hào)滑靴射水噴嘴,由甲板 2臺(tái)180m3/h的射水泵分別供水,在單位小時(shí)內(nèi),1號(hào)、2號(hào)滑靴的噴嘴在能夠破土的情況下,能夠液化的土方量為 360m3,完全能滿足施工行進(jìn)的最大破土液化土方量315m3/h。

4.4.3 液化后的土方置換

在挖溝機(jī)后側(cè),為滿足挖溝機(jī) 4 800m3/h的大排量的需求,成溝需要達(dá)到1.7m以上的溝深,1h挖溝100m所需要的 315m3土方置換來說,應(yīng)該是可行的。

4.5 射水泵工作流程

挖溝機(jī)射水管線流程圖如圖 2所示。

圖2 挖溝機(jī)射水管線流程圖

流程及功率分配說明:

(1)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)滑靴上分布的噴嘴主要作用為破土開路液化泥土,后置的大排量射水泵為置換液化后的泥土成溝。

(2)1號(hào)、2號(hào)滑靴由 2臺(tái)功率 160kW、排量180m3的離心射水泵,經(jīng)內(nèi)徑 Φ100mm軟管通過臍帶纜絞車,然后進(jìn)入圖 2臍帶籠進(jìn)入挖溝機(jī),再通過Φ80mm水管分別進(jìn)入1號(hào)、2號(hào)滑靴供水。

(3)3號(hào)、4號(hào)滑靴由 2臺(tái)功率 120kW、排量130m3的射水泵,直接連接內(nèi)徑 Φ100mm軟管分別進(jìn)入 3號(hào)、4號(hào)滑靴供水。

(4)后置的4 800m3/h射水泵由2臺(tái)170kW動(dòng)力站帶動(dòng),兩個(gè)相當(dāng)于Φ529mm截面積矩形出口。

5 結(jié)語

通過對(duì)滑靴射水的噴嘴的性能參數(shù)分析及理論計(jì)算,說明更換的性能可靠、壓力更高的射水泵,能滿足在復(fù)雜的地質(zhì)條件下管道的挖溝深度及管溝的成型質(zhì)量的要求,從而滿足海底管道的挖溝鋪設(shè)施工要求。又由于方案比較科學(xué),不僅加快了施工速度,還提高了施工質(zhì)量。因此,更換性能可靠、壓力更高的射水泵是一種非常合理技術(shù)方案。

[1] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 侯凌云.噴嘴技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2002.