楊巍，馬洪新，楊寶峰，陳勇，黃昆，郭斌，王彬海洋石油工程股份有限公司，天津300461

基于落石管動力定位拋石船工作原理的淺水精準(zhǔn)拋石施工技術(shù)

楊巍，馬洪新，楊寶峰，陳勇，黃昆，郭斌，王彬
海洋石油工程股份有限公司，天津300461

針對落石管動力定位船資源少且費(fèi)用高的現(xiàn)狀，基于落石管動力定位拋石船工作原理設(shè)計(jì)了渤海等淺海海域精準(zhǔn)拋石方法。詳細(xì)介紹了淺水精準(zhǔn)拋石方法的設(shè)計(jì)思路與內(nèi)容，采取以錨系浮吊和散貨船配合施工的方法代替動力定位船，以落石管底部安裝聲納的技術(shù)代替ROV監(jiān)測回填高度。設(shè)計(jì)的此淺水精準(zhǔn)拋石方法能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、快速拋石目的，且費(fèi)用遠(yuǎn)低于落石管動力定位拋石船。具體闡述了此技術(shù)在渤海海域某穿越航道的海底管道上的成功應(yīng)用情況。

淺水拋石；落石管拋石技術(shù)；精準(zhǔn)拋石

隨著海洋油氣田的大力開發(fā)，需要對海底管道進(jìn)行拋石保護(hù)處理的情況越來越多，尤其是海底管道的懸空處理保護(hù)、挖溝回填保護(hù)和跨航道保護(hù)等。因此精準(zhǔn)拋石變得越來越重要，近年來落石管動力定位拋石技術(shù)得到了快速發(fā)展。落石管動力定位拋石船能夠精準(zhǔn)且較快地完成拋石，但其費(fèi)用較高，對于渤海等淺水海域來講施工成本較高，且全球資源較少，2011年統(tǒng)計(jì)全球只有12艘落石管動力定位船，資源調(diào)動也相對困難。因此，借鑒落石管動力定位船的工作原理研究了適用渤海等淺水海域的淺水精準(zhǔn)拋石技術(shù)，此技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋石又能大幅削減船舶施工成本。

1 落石管動力定位拋石船工作原理

落石管動力定位拋石船由落石管模塊、落石管、石料儲斗、傳輸帶及專用ROV等組成，如圖1所示。

圖1　落石管動力定位拋石船組成示意

拋石船的動力定位功能能夠很好地實(shí)現(xiàn)船舶在深水的準(zhǔn)確定位，并使船舶準(zhǔn)確移船以保持船舶的穩(wěn)定性從而滿足施工條件。拋石船上的石料儲斗可裝載大量的石料，目前比利時(shí)Jan De Nul公司的Simon Stevin船能最大裝載33 500 t石料。儲斗內(nèi)裝備一臺挖掘機(jī)，挖掘機(jī)將石料移送至傳輸帶上，傳輸至石料給料器，然后倒入落石管內(nèi)，最終拋在海床位置。落石管模塊由多節(jié)落石管連接，落石管連接完成后最終離海床約幾米距離，其末端采用專用ROV不斷糾正水流產(chǎn)生的偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋石。

2 淺水精準(zhǔn)拋石施工技術(shù)

借鑒落石管動力定位拋石船的工作原理，進(jìn)行了淺水精準(zhǔn)拋石施工技術(shù)研究和設(shè)計(jì)。

（1）作業(yè)船舶的系泊與定位方面。鑒于使用海域?yàn)闇\海，動力定位法一般在深海使用，且費(fèi)用較高。因此設(shè)計(jì)采用常規(guī)的錨系浮吊船進(jìn)行施工移船定位以保證施工的穩(wěn)定性，同時(shí)可為施工人員提供食宿。

（2）石料裝載方面。如對浮吊船改裝設(shè)計(jì)增加石料儲斗，實(shí)現(xiàn)的難度較大，且會產(chǎn)生大量的改造費(fèi)用，因而設(shè)計(jì)使用散貨船，此類船舶自身能夠裝載大量石料，同時(shí)每艘運(yùn)石船上配備兩臺挖掘機(jī)，用挖掘機(jī)來進(jìn)行石料的拋填。浮吊船現(xiàn)場拋錨定位后，為實(shí)現(xiàn)散貨船的穩(wěn)定性，裝載大量石料的散貨船帶纜于浮吊船，通過浮吊船的絞錨移位來實(shí)現(xiàn)運(yùn)石散貨船的準(zhǔn)確移船定位。因施工時(shí)浮吊船需進(jìn)行拋錨，因此選用的散貨船長度必須小于浮吊船。

（3）精準(zhǔn)拋石方面。水下拋石施工易受水深、流速、流向等因素影響，如果挖掘機(jī)直接將石料倒入海里，最終石料到達(dá)海底會存在很大的偏移，無法實(shí)現(xiàn)精確拋石。因此也借鑒落石管動力定位船的做法，在散貨船一側(cè)的船舷中部焊接落石管，以減少石料到達(dá)海底的偏移量。由于此設(shè)計(jì)適用范圍為淺水，焊接的落石管可選用直接預(yù)制的直管道，管道長度根據(jù)施工處水深決定，一般比施工處水深小2 m左右。為便于不同粒徑的石料下落，管道直徑為1 m左右。在管道上端焊接一轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)并將其固定于船舷上。非施工時(shí)，通過滑輪組收緊管道底端鋼絲繩，使管道平行回收至船舷。施工時(shí)，放松滑輪組鋼絲繩將管道底端緩慢放入水中直至垂直海底，然后收緊前后兩條牽引繩使其固定。管道入水穩(wěn)定后，在其頂部插入漏斗，以方便挖掘機(jī)裝入石料。

（4）拋填高度方面。石料到達(dá)海底后，需觀測拋填高度。鑒于落石管動力定位船落石管底部的專用ROV成本較高，本次設(shè)計(jì)使用在落石管底部焊接兩個雙頻剖面聲吶，如圖2所示，使用聲吶隨時(shí)掃測監(jiān)控回填高度。

圖2　落石管底部裝載的聲吶設(shè)備

根據(jù)以上技術(shù)設(shè)計(jì)的淺水精準(zhǔn)拋石系統(tǒng)如圖3、圖4所示，可以靈活選用符合要求的錨系浮吊船和散貨船，且無需對船舶進(jìn)行任何改造，在保證淺海區(qū)域能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋石的前提下節(jié)省施工成本。

圖3　運(yùn)石船拋石設(shè)計(jì)示意

圖4　浮吊船與運(yùn)石船帶纜后的拋石設(shè)計(jì)示意

本次設(shè)計(jì)的淺水精準(zhǔn)拋石技術(shù)與落石管動力定位拋石技術(shù)對比見表1，可以看出，與落石管動力定位拋石技術(shù)相比，此淺水精準(zhǔn)拋石技術(shù)可用資源較多，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋石，且費(fèi)用遠(yuǎn)低于落石管定位拋石船。

3 淺水精準(zhǔn)拋石技術(shù)在海底管道保護(hù)上的應(yīng)用

對于穿越航道的海底管道，航道活動將對海底管道的正常運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，尤其是疏浚、船舶的拋錨、拖網(wǎng)、沉船、大件落物及船舶的擱淺等都會對管道產(chǎn)生影響［4-5］。因此跨航道的海底管道一般都需進(jìn)行拋石回填保護(hù)，跨航道的拋石回填必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精準(zhǔn)拋石，如果拋填的高度低于設(shè)計(jì)高度，將達(dá)不到對管道的保護(hù)厚度，拋填高度高于設(shè)計(jì)高度時(shí)，將對后期的航道疏浚產(chǎn)生影響。下面以渤海某穿越航道的海底管道為例，具體闡述此精準(zhǔn)拋石技術(shù)的應(yīng)用。

3.1淺水精準(zhǔn)拋石施工要求

表1　落石管動力定位拋石技術(shù)與本文技術(shù)對比

根據(jù)設(shè)計(jì)要求需對穿越航道的450 m海底管道進(jìn)行精準(zhǔn)拋石回填保護(hù)，回填厚度為3.5 m。該區(qū)域水深22 m左右，經(jīng)過計(jì)算回填量約3萬m3。施工時(shí)選擇船長約90 m的錨系浮吊船作為定位船舶；選擇4艘船長約80 m、裝載量為3 000 m3左右的散貨船作為石料的運(yùn)輸和拋石船，每艘船上都焊有直徑為800 mm，長20 m的活動落石管，4艘運(yùn)石船往返于施工現(xiàn)場和碼頭運(yùn)輸石料，運(yùn)石船到達(dá)現(xiàn)場與浮吊船帶纜后再將活動的落石管通過絞車放入海里，落石管底部焊接有2個雙頻剖面聲吶，每艘運(yùn)石船配有2臺挖掘機(jī)。

3.2精準(zhǔn)拋石施工過程

（1）浮吊船到達(dá)現(xiàn)場就位后拋8個工作錨，將需回填的區(qū)域劃分為若干個邊長為2 m的正方形網(wǎng)格，計(jì)算每個網(wǎng)格內(nèi)海底需要回填的石方量。

（2）當(dāng)一艘運(yùn)石船到達(dá)施工現(xiàn)場后，運(yùn)石船帶纜于浮吊船（如圖5所示），再將落石管放入水中。

圖5　運(yùn)石散貨船帶纜浮吊船

（3）利用DGPS對落石管位置進(jìn)行定位，當(dāng)落石管在某一指定的邊長2 m網(wǎng)格上方時(shí)，按照計(jì)算得出的該網(wǎng)格內(nèi)需要的石方量，用挖掘機(jī)將石料倒入落石管內(nèi)，如圖6所示。

圖6　挖掘機(jī)將石料送入落石管內(nèi)

（4）因挖掘機(jī)倒入落石管內(nèi)的石方量是估計(jì)量，需利用落石管下方的聲吶監(jiān)測此網(wǎng)格內(nèi)的拋填高度，如圖7所示。若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)此網(wǎng)格內(nèi)回填量不夠，可再實(shí)時(shí)補(bǔ)拋適當(dāng)石方量。

圖7　聲吶掃測到的拋填高度

（5）當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)的海底回填高度滿足要求后，再通過浮吊絞錨移位帶動運(yùn)石船的落石管移到下一網(wǎng)格位置。拋填時(shí)做好記錄，以保證拋填時(shí)不漏拋、不重拋，達(dá)到施工平整度。

（6）通過此方法對回填區(qū)域進(jìn)行拋填，因落石管底端聲吶監(jiān)測的回填高度精度不高，故所有網(wǎng)格拋填完成后需使用多波束對所有回填區(qū)域高度進(jìn)行精確掃測。對不符合要求的部位，需要再計(jì)算補(bǔ)填量并進(jìn)行補(bǔ)拋。

根據(jù)此方法實(shí)現(xiàn)了3.5 m的拋石回填厚度，精準(zhǔn)地達(dá)到了回填要求。

4 結(jié)束語

基于落石管動力定位拋石船工作原理設(shè)計(jì)的淺水精準(zhǔn)拋石施工技術(shù)已經(jīng)在渤海海域得到了很好的應(yīng)用，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)淺水海底精準(zhǔn)拋石回填，較好地達(dá)到設(shè)計(jì)的拋石要求。與落石管動力定位拋石船相比，節(jié)省了施工成本，可在以后的渤海等淺水海域拋石回填中推廣應(yīng)用。

［1］梁富浩，張印桐，劉春厚，等.落石管拋石技術(shù)的發(fā)展及在我國深水油氣田開發(fā)中的應(yīng)用前景［J］.中國海上油氣，2011，23（2）：135-139.

［2］TIDEWAY.Rock placement operations for BP-skarv project ［R］.the Netherlands：Tideway，2008.

［3］孫濤，朱長青.長江航道整治工程水下拋石施工工藝及質(zhì)量控制［J］.水運(yùn)工程，2012，417（10）：162-168.

［4］馬坤明，劉志剛，李慶，等.穿越航道的海底管道堆石保護(hù)設(shè)計(jì)方法研究與討論［J］.中國造船，2012，53（S1）：132-135.

［5］李學(xué)楠，雷震名，馬坤明，等.跨航道海底管線的保護(hù)［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，32（7）：235.

［6］劉利佳，何錢金.淺析西氣東輸二線管道工程拋石回填施工方法及質(zhì)量控制［J］.中國水運(yùn)，2013，13（6）：276-277.

Accurate Rock Dumping Construction Technique in Shallow Water Based on Working Principle ofDP Ship with Rock Dumping Pipe

YANG Wei，MAHongxin，YANG Baofeng，CHEN Yong，HUANG Kun，GUO Bin，WANG Bin
China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China

Facing the current situation of less resource of DP ship with rock dumping pipe and high cost，the accurate rock dumping method used in shallow water is designed based on the working principle of a DP ship with rock dumping pipe.The design thoughts and contents are illustrated.In the design，an anchored floating crane and a bulk cargo ship are used together instead of one DP ship，a sonar is installed at the bottom of rock dumping pipe instead of ROVto monitor refilled rock height.This new technique can realize accurate and fast rock dumping with much lower cost than the DP ship with rock dumping pipe.Its successfullapplication in a subsea pipeline protection in BohaiSea is introduced in detail.

rock dumping in shallow water；technique using rock dumping pipe；accurate rock dumping

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.005

楊巍（1987-），男，四川綿陽人，工程師，2009年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)從事海底管道方面的技術(shù)工作。Email：yangwei5@mail.cooec.com.cn

2015-12-26；

2016-04-10