滩海海底管道挖沟沉管技术

ｌ２　ＪＳ　２００４—５—０４　江苏船舶　ＪＩＡＮＧＳＵ　ＳＨＩＰ　第２ｌ卷第５期　

滩海海底管道挖沟沉管技术　

卢瑾奉　

摘　要　在滩海水域，尤其是环渤海近岸海域，水浅且海况复杂，铺设海底管道施工技术难度高、风险大。经过　多年的不断探索、实践，自行研制出驳载拖橇式滩海挖沟装置。经过近ｌＯ年在胜利海域埕岛油田的使用，见到　了一定的效果。主要论述了该装置及施工技术。　

关键词　滩海海底管道挖沟沉管施丁　

０　引言　

胜利海域埕岛油田，属滩浅海海域，尤其是近海　

岸水深只有１．５ｍ左右。滩浅海石油开采，是沿海　

石油单位由陆地向海上转移的重要步骤，这不仅弥　

补了陆地石油不足，还充分利用了近海石油资源。　

海上石油运输是海上石油开采的重要环节，如何将　

海上的石油运送到陆地，也是一大难题。前些年，海　上石油主要靠油船运送到陆地。但油船运送原油，　

极易受天气、海浪、设备等因素的影响，不能及时快　

速地运送到陆地，有时由于大风暴甚至会导致海上　

原油停止运送，影响了海上石油的生产及产能的完　成。海底管道是海上原油输送的重要手段，所以，海　

底管道铺设（即拖管及挖沟沉管）成为当时亟待解　

决的难题。在滩浅海（或河流、湖泊）水域，尤其是　

在水陆相衔接处，沙滩淤积区域水浅且漫长，海床复　

杂。在这样的水域，大船驶不进来，陆地上的设备又　

不能在水上施工，施工设备难以解决。目前，国内在　

这样的水域铺设管道，一般先拖管道后沿管道挖沟　

沉管。拖管道一般采用２种方法，其一为正拖法，即　

在岸边先预制管段，然后再用缆绳与拖船相连，由拖　

船将管段拖至水中，海上对口，形成整体管道。其二　

为逆拖法，即在深水中的大型铺管船上焊接管段，并　

用钢丝绳联接至岸上的机械设备，在铺管船上边焊　

接管段边用岸上的机械设备将管段拉至岸边。　

放置在滩浅海床上的管道，极易受水流的冲刷　及各类水上航行机械设备触底而损伤，甚至由于船　

只的抛锚会将管道拉断。故要求管道必须埋设到海　

作者介绍：卢瑾奉现　作ｒ胜利油建公闭技术发展中　

收稿日期：２００４—０７—２０　床以下的深土中。由此，提出了沿着海底管道挖沟　

沉管的课题。　

经过几年艰苦的努力，我们自行研制出了适用　

于在滩浅海海底挖沟沉管的挖沟装置——驳载拖橇　

式滩海挖沟装置。经过在埕岛海域的使用，对滩浅　

海海域进行海底管道挖沟沉管施工技术进行了初步　

探讨。　

１　滩浅海海底挖沟沉管施工难点　

在滩浅海域，尤其是在１．５～３ｍ水深的海域，　

般工程驳是进不来的，必须有吃水小于１．５ｍ的　工程驳方可进到这样浅的海域来施工。在渤海湾胜　利海域近岸，海况非常复杂，涌多流急风向不定，一　

般工程驳难以经受这种恶劣海上环境的考验。所用　

工程驳不但要求稳性好，而且强度也要高，吃水浅、　

承载能力强，成为挖沟沉管设备研制的难题之一。　

将管道沉到海床土层内，就必须使管道以下形　成沟（或坑），即挖沟。管道靠重力坠人沟底，即沉　

管。在胜利海域，海底的海床复杂，有铁板沙、红胶　

泥、悬泥、海沟、海底土岗等。在这样的海床上进行　

水下挖沟沉管的设备，既要能克服“硬”土层，又要　

能跨越“软”土层。　

该挖沟沉管的工序有１个先决条件，即海底管　

道已经放置在海床上，挖沟沉管是最后ｌ道工序。　

前几道工序为管段岸上预制一大管段海上拖运一管　

段海上水平对口一管段在海上平台做立管一总体打　

压，直至挖沟沉管。所以，首先必须要找到已放置在　

海床上的管道，但管道是在海底，要让挖沟机找到已　

放置在海床上的管道，也是难题之一。　

水下挖沟机的挖沟工艺，是将水下挖沟机“骑”　

在海底管道上，在海底管道的２侧挖沟。水下挖沟　机在外力的作用下，沿着海底管道行走，

使管道底部　维普资讯 http://www.cqvip.com ·船舶设计与研究·　卢瑾奉　滩海海底管道挖沟沉管技术　ｌ３　

悬空。几十ｔ重的水下挖沟机，在重力、风浪、水流　

等因素的作用下，不如在陆地上操作起来容易，再加　

上在水下不易观察，所以让水下挖沟机“骑”在海底　

管道上定位困难。　要将海底管道整体沉入沟底，水下挖沟机就必　

须沿着海底管道挖出ｌ条连续的沟。要挖出连续的　

管沟，水下挖沟机与海底管道必须保持一定的相对　

位置，不能脱离，故要求给水下挖沟机导向。放置在　

海底的管道是弯曲不定的，故水下挖沟机沿着海底　

管道挖沟导向也成为难点之一。　

总之，海底挖沟沉管存在如下难点。Ｉｌ　ｆ必须研　

制出吃水浅、承载能力强的承载挖沟沉管设备的驳　

载体（或船）。ｌ２ｆ水下挖沟机的研制。ｌ３ｆ寻找已放　

置在海床上的管道。Ｉ４ｌ水下挖沟机“骑”在海底管　

道上并定位。Ｉ５ｆ沿着海底管道挖沟的导向问题。　

２驳载拖橇式滩海挖沟装置工作原理　

及特点　

驳载拖橇式滩海挖沟装置由驳载体、拖橇式水　

下挖沟机、吊装系统、移位系统、动力配电系统、液压　系统、电缆输送系统、通讯导航定位系统和彩色图像　

声纳质量检测跟踪系统等部分组成。驳载体上设有　

吊装机构及方型通海孔。驳载体是１艘非自航的承　

载体，依靠拖船拖到施工海域。驳载体在施工过程　

中，由锚艇将驳载体上的８只锚抛到预定位置。驳　

载体通过自身８台绞车，依据ＧＰＳ，实现驳载体在施　

工期间的定位和移位。　

水下挖沟机为拖曳式结构形式，与驳载体采用　

钢丝绳软性联接，并在机体前后各设１个吊点，吊挂　

在驳载体的桁架吊上。水下挖沟机通过吊装机构及　

方型通海孑Ｌ进入海底，并分别由２台起重机控制挖　沟机上２个吊点的高低，调整挖沟机与海床之间的　

夹角及接地比压。利用彩色图像声纳监视挖沟机与　

海底管道的相对位置，将水下挖沟机准确地“骑”在　

海底管道上。水下挖沟机采用刀铰、水射、泵吸的工　作原理挖出沟型。沿海底管道，由驳载体牵引挖沟　

机连续行走而形成管沟。海底管道靠自重坠入沟　

底。管沟靠沟壁坍塌及海底涌浪推动海底泥土自然　回填，实现挖沟沉管。在挖沟沉管过程中，利用彩色　

图像声纳技术对挖沟质量进行实时跟踪监视，并将　

监视结果直观地显示在监视器上，为操作人员提供　

数据，及时调整施工参数，保证挖沟沉管的施工质量　及生产效率。其特点是结构简单，便于操作，施工方　

便，质量好，效率高，安全可靠。　

３主要技术参数　

驳船体外型型长５０ｍ，型宽１８ｍ，型深２．５ｍ，装　

机功率１　２５０ｋＷ，总排水量１　０００ｔ。　

挖沟机外型长９ｍ，宽７ｍ，高５ｍ，质量５０ｔ。　

沉管速度６０—１８０ｍ／ｈ，挖沟深度１．５～２ｍ，挖　沟宽度３～５ｍ，定位精度±２ｍ。　

４驳载拖橇式滩海挖沟装置的功能　

４．１拖橇式水下挖沟机　

拖橇式水下挖沟机是该技术的核心设备。该挖　沟机为非自航拖曳式结构，由拖橇式机架、开路铰　

刀、主绞刀、进退刀机构、导向机构、射水系统、排泥　

系统、动力系统等组成。挖沟机机架的中心线上，设　

有导向槽，在导向槽前后、左右及上方，均设有导向　

轮，以便于在海底管道上导向行进。水下挖沟机位　

于船艉，由桁架吊垂向吊放在驳载体方形孔正上方　

的承重机构上。通过起重机构将挖沟机吊放在需要　

的施工位置，控制水下挖沟机对海底床的接地比压，　便于穿过悬泥，既可以使水下挖沟机跨越海沟，也可　

以通过调整吊点的高低来控制水下挖沟机爬坡。水　

下挖沟机靠驳载体船艏的绞车钢缆穿过船底，软性　

联结到水下挖沟机的前牵引点，由驳载体牵引前行。　

牵引挖沟机的钢缆与海底床的夹角，是使水下挖沟　

机前行的关键，因此在驳载体前端设置了导向杆，由　

导向杆的长短来控制钢缆与海底床的夹角。该挖沟　

机是“骑”在海底管道上工作的，在挖沟机中心轴的　２侧各设２把绞刀，称前绞刀及后绞刀。由前绞刀　

破开硬土层，后绞刀达到挖沟深度，用射水泵向破开　

的硬土射水，使泥土液化，排泥泵将液化的泥土排　

出，再通过水下挖沟机进刀机构“挖”出所需要的沟　型。通过软性联结到水下挖沟机的牵引钢缆跟随驳　

载体，沿着海底管道挖沟沉管。　

４．２移位系统　

移位系统由安装在驳载体上的锚机、导缆机构、　

锚绳、锚等组成。驳载体在施工时，靠移位系统实现　

移位。８台锚机在驳载体的４个角上，控制驳载体　

的位移长度及位移方向。用锚艇将锚按设定锚位抛　

出，通过绞动锚机的锚绳使驳载体移位。　

４．３通讯导航定位系统　

通讯导航定位系统由通讯器材及拆分式ＧＰＳ　

卫星定位系统等组成。其功能主要为拖橇式滩海挖　维普资讯 http://www.cqvip.com １４　·船舶设计与研究·　卢瑾奉　滩海海底管道挖沟沉管技术　

沟机定位，指导驳载拖橇式滩海挖沟装置航行，便于　

海上施工及与陆地联系。　

５　海上施工　

５．１　准备工作及适应环境　驳载拖橇式滩海挖沟装置沿海底管道挖沟沉管　施工，应在前段工序及自然条件允许的情况下进行。　管道应按设计放置在海床上，并进行一些必要的前　

期工作，如管道打压、清扫管道上的捆绑物等。施工　

前，由ＧＰＳ卫星导航定位系统指导拖船，将驳载拖　

橇式滩海挖沟装置拖至施工海域。用彩色图像声纳　

系统进行扫海，搜寻海底管道的准确位置，清除海床　

上管道２侧的异物。　

自然条件如下：　

Ｉｌｌ水深应在０．８—２０ｍ范围内。　

Ｉ２ｌ海床应为土质或类同土质。　

Ｉ３ｌ风力小于５级，浪高小于１ｍ，无冰季节。　

５．２驳载拖橇式滩海挖沟装置的定位及移位　

驳载拖橇式滩海挖沟装置到达施工海域后，根　据现场施工的需要，在海底管道的２侧，由抛锚艇将　

驳载体上移位系统用的锚抛出。绞动锚绳，使驳载　

体靠近管道的始端或末端，并置于管道的正上方水　面上，实现驳载拖橇式滩海挖沟装置的定位。８台　绞车可以控制各个行进方向及距离。为了提高工作　

效率，减少工作量，可根据海况（水流、气象等）的不　同，利用水流及风向，在有利的方位进行抛锚，完成　

驳载拖橇式滩海挖沟装置的定位及移位。　

５．３水下挖沟机沿着海底管道导向及挖沟沉管　水下挖沟机上的导向机构，通过升降油缸“卡”　

在海底管道上，并沿着海底管道滚动，“强制”挖沟　

机沿管道行走，保持挖沟机与海底管道之间的相对　

位置，以防止挖沟机脱离管道，同时也保护管道不被　

绞刀损伤。开启水下挖沟机的绞刀、射水泵、排泥　泵，待沟型及管道在沟中的位置能显示在彩色图像　

声纳系统的监视器上，并达到设计位置时，锁定水下　挖沟机的工作状态。调整水下挖沟机的牵引系统，　

使牵引绳与海底床的夹角在允许的范围。　当水深为１．５—２０ｍ时，ａ值一般取０—２３。较　

为适宜，当水深＞２０ｍ时，ａ值一般取＜３５。。ａ随　

海水的深度而变化，可以通过角度调整机构来进行　

调整，如图１所示。　绞动移位系统的锚绳，驳载体沿着海底管道方　

向前进，水下挖沟机跟随驳载体同步沿管道挖沟前　

行，在海底管道２侧挖出所需要的“Ｖ”型沟，管道靠　自重坠入沟底，管沟自然回填。　

６驳载拖橇式滩海挖沟装置使用效果　

该装置自试用及连续几年的边施工、边修改、边　

提高，最终获得了成功。通过使用，较好的解决了海　

底挖沟沉管的施工难点。该装置完成了桩古４６井　

３５井３．８ｋｍ第１条海底登陆管道的挖沟沉管及　海底电缆敷设任务，又先后完成了埕岛油田其它海　

底登陆管道的挖沟沉管及部分海底电缆的敷设任　

务。至今，胜利油田海上年产原油３００万ｔ，基本实　现了用海底输油管道输送。该装置的使用，将会为　

滩浅海原油的不断滚动开发起到一定的作用。　

．－　Ｌ　Ｌ　Ｊ　吊ｊ　

驳载体　ｌ　角度调整机构　

一＼　１　

图１　牵引绳与海底床的夹角　

７　结束语