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        水下沉箱在大厚度浮泥區(qū)域水下施工中的應用分析

        2021-11-02 08:38:56薛方張宇黃一峰黃立
        化工裝備技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域作業(yè)設(shè)計

        張 偉 薛方 張宇 黃一峰 黃立

        (海洋石油工程股份有限公司)

        0 引言

        某些特定水域在許多因素的共同作用下,易使軟浮泥聚集,且軟浮泥不易驅(qū)散或清理。例如在近岸的海灘、棧橋下相對封閉區(qū)域中,軟泥較易聚集,經(jīng)過擾動會形成大量浮泥,導致該區(qū)域的水下能見度低、固體顆粒濃度高、浮泥密度大。在該區(qū)域進行潛水作業(yè)風險較高,可能會給潛水員帶來人身傷害。

        在傳統(tǒng)的作業(yè)過程中,面對海床軟泥的不斷回淤及浮泥干擾,現(xiàn)場作業(yè)時不得不縮短潛水作業(yè)時間,通過反復吸泥來減少浮泥帶來的影響。甚至隨著作業(yè)不斷推進,吸泥設(shè)備需要升級,增加排量,以應對越來越嚴重的浮泥聚集情況。吸泥這種方法成本高、效率低,因此借鑒“干式艙”的工作思路,建立一種可以在水下隔離浮泥的“水下沉箱”,創(chuàng)建適合潛水作業(yè)的環(huán)境,保證潛水作業(yè)人員的安全。

        1 軟泥、浮泥的影響

        1.1 軟泥、浮泥聚集環(huán)境的形成

        浮泥是指近底高含沙水體,是一種懸沙落淤或土體液化起懸的中間產(chǎn)物,普遍存在于淤泥質(zhì)沉積環(huán)境中,其密度或含沙量變化較大,每立方米含沙量可為10 至數(shù)百千克。

        浮泥是由于黏性細顆粒泥沙為主的固態(tài)顆粒處于群體沉降或阻滯沉降階段時,水沙混合體排水速率小于水體內(nèi)泥沙凈輸入速率而產(chǎn)生的,是床面淤積過程或新淤淤泥發(fā)生液化的床面侵蝕過程的中間過渡產(chǎn)物。其形成的必要的條件包括:持續(xù)的細顆粒泥沙供給,較弱的水動力環(huán)境以及細顆粒泥沙絮凝。

        在國外某處棧橋登陸海管的安裝過程中,近岸作業(yè)區(qū)形成了大量浮泥。結(jié)合作業(yè)環(huán)境及工況分析后可知,客觀環(huán)境和人為因素加劇了現(xiàn)場的浮泥聚集。海浪在海岸沙灘上的反復沖刷帶回大量細顆粒泥沙及人類生活垃圾,為懸沙絮凝創(chuàng)造了物質(zhì)條件;當?shù)睾5子坷顺尸F(xiàn)長波涌現(xiàn)象,即涌浪周期長、頻率低、流速小,且現(xiàn)場海岸邊建造了登陸棧橋,進一步阻擋了涌浪,客觀上為浮泥形成創(chuàng)造了相對穩(wěn)定的環(huán)境。為了方便對已經(jīng)入泥的海管進行起吊,現(xiàn)場使用作業(yè)拖輪在作業(yè)區(qū)域進行了1個月的氣舉吸泥作業(yè)。該種吸泥方式只能將排除的泥沙拋灑在作業(yè)區(qū)域周邊,這進一步豐富了細顆粒泥沙的供給。施工1個月后發(fā)現(xiàn)浮泥厚度已達3 m,且伴隨施工進行和不斷吸排泥,浮泥越積越厚,影響了現(xiàn)場潛水作業(yè)。

        1.2 浮泥對潛水的不利影響

        在商業(yè)潛作業(yè)水中,水下流速不超過0.514 m/s時方可進行作業(yè),而流水速率較低是浮泥的形成條件之一。浮泥聚集使該區(qū)域重度、能見度都明顯區(qū)別于常規(guī)水域的潛水區(qū)域,對潛水作業(yè)存在多方面的影響:

        (1)水下能見度降低。浮泥混雜了大量細顆粒物質(zhì),使水下能見度降至20 cm以下,嚴重影響了水下作業(yè)的效率。且在低能見度的水下進行某些作業(yè)時,作業(yè)人員面臨較大的擠壓傷和碰撞風險,在含有較多漁網(wǎng)、垃圾等雜物的水域作業(yè)時,潛水員易被絞纏。

        (2)浮泥含沙量高,密度大,對于潛水員下潛形成較大阻力;在應急情況下,也增大了出水難度。

        (3)浮泥中含有大量細顆粒物質(zhì),容易導致潛水頭盔、潛水面罩的減壓器、排氣閥等堵塞失效,對潛水員供氣造成嚴重影響。

        (4)在大比重浮泥中進行作業(yè)時,潛水員移動、作業(yè)的阻力較大,水下作業(yè)效率受到顯著影響。

        為了應對這種不利情況,除了常規(guī)的更換吸泥方式、增大吸泥頻率,或者更換防污染的潛水裝具外,設(shè)計了一種“水下沉箱”,通過物理隔絕浮泥的方式,為潛水員水下作業(yè)創(chuàng)造相對適宜的區(qū)域,確保作業(yè)安全,同時提高了作業(yè)效率。

        2 水下沉箱

        2.1 水下沉箱的設(shè)計原理

        水下沉箱的設(shè)計原理與海管干式維修中使用的“干式艙” 類似,通過物理隔離的方式,建立適合潛水作業(yè)的局部區(qū)域。通過設(shè)計較高的側(cè)壁和底部擋泥板創(chuàng)建隔離區(qū),形成相對封閉的區(qū)域,隔絕了周圍的軟泥和浮泥。

        在該有限空間內(nèi),吸泥效率得到明顯提升,且整個作業(yè)的吸泥時間和頻次大大降低了。另外該隔離區(qū)域可有效阻擋浮泥,創(chuàng)建區(qū)域的浮泥濃度較低,能見度相比周圍環(huán)境有明顯提升,對于提高潛水員在渾水區(qū)域作業(yè)的安全性,提升作業(yè)效率都有明顯作用。

        圖1 水下沉箱工作原理示意圖

        2.2 水下沉箱的設(shè)計及制造

        水下沉箱的設(shè)計及制造以創(chuàng)造隔離區(qū)域、為潛水員水下作業(yè)提供安全環(huán)境為原則,對以下幾方面進行了綜合考慮:

        (1)應該根據(jù)環(huán)境特點,盡量做到早設(shè)計、早使用,避免缺少計劃性的吸排泥作業(yè),導致浮泥大量聚集在作業(yè)區(qū)。

        (2)設(shè)計足夠高度的側(cè)壁和擋泥板,有效阻擋外圍的浮泥。應根據(jù)浮泥情況,在能阻擋浮泥從上部涌入的前提下,盡量降低擋板高度,方便潛水員進出,同時減少面對水流的截面積。在底部也設(shè)計擋泥板,通過外圍布置的裙板來減緩底部軟泥在吸泥過程中及潛水作業(yè)過程中滲入。

        (3)設(shè)計合理的擋泥板,增加底座面積,使水下沉箱在海床上保持相對穩(wěn)定。

        (4)為潛水員提供足夠的操作空間。應該結(jié)合水下作業(yè)的具體需求,例如作業(yè)結(jié)構(gòu)的特殊形狀、空間需求,對沉箱的橫向尺寸進行設(shè)計。原則上,水下沉箱的設(shè)計尺寸需滿足潛水員水下作業(yè)提供足夠的自由度以及避讓吸泥作業(yè)的空間。

        (5)水下沉箱為潛水員工作提供庇護,同時其本身受到水流沖擊影響,應該確保其設(shè)計、制造具備一定強度。

        (6)沉箱內(nèi)部應在合適的位置設(shè)置方便潛水員進出的扶手,扶手設(shè)計時需要考慮盡量降低潛水員被絞纏的風險。

        3 水下沉箱相關(guān)的風險及控制

        水下沉箱是一種臨時保障潛水員工作的環(huán)境的設(shè)施,其降低了浮泥對潛水作業(yè)的影響,但也形成了相對封閉的區(qū)域,在其中作業(yè)的潛水員,可能無法及時感知周邊環(huán)境變化情況。同時該結(jié)構(gòu)本身也面臨水流沖擊,存在一定的結(jié)構(gòu)失效風險。綜合考慮以上因素,在使用時應注意以下風險及控制措施:

        (1)在水下沉箱中,潛水員仍然存在受浮泥污染的風險,因此在連續(xù)潛水作業(yè)中,應確保下水的個人潛水裝具及個人勞保工具上浮泥清洗干凈,包括靴子、脖套、手套等。

        (2)應根據(jù)作業(yè)工況考慮增加潛水頭盔或面罩的清洗、測試頻率。

        (3)水下沉箱應該明確其適用的作業(yè)環(huán)境,尤其是適用的流速極限。為了確保水流速率在可接受范圍內(nèi),可以考慮使用水下測流儀監(jiān)控流速。

        (4)水下沉箱形成的區(qū)域雖然為非受限空間,但應考慮增加守護潛水員人數(shù),監(jiān)控水下流速及沉箱狀態(tài),控制潛水員作業(yè)臍帶,以在沉箱崩塌失效時,確保作業(yè)潛水員能及時撤離。

        4 水下沉箱的應用實例

        在尼日利亞某項目中,計劃在海岸棧橋上安裝8套整體立管,需要潛水員水下探摸管線狀態(tài),標記管頭位置,同時在起吊點位置吹出一個工作坑以連接起吊索具。在作業(yè)過程中,由于作業(yè)區(qū)域靠近沙灘,水下的浮泥摻雜各類垃圾在海床上形成了一層密度較大的浮泥。隨著現(xiàn)場吸泥作業(yè)的推進,浮泥層厚度達到了3 m左右,潛水員水下作業(yè)困難,同時也面臨了較大的安全風險。為了應對這種情況,現(xiàn)場預制了一套水下沉箱,長為6 m、寬為4 m、高為4 m,擋泥板在4個方向從底部外延60 cm。將其放置在被浮泥覆蓋的海床上,創(chuàng)造了相對封閉的區(qū)域,使用吸泥設(shè)備吸泥后,可維持較長時間的“無污染”區(qū)域。

        在實際作業(yè)過程中,該沉箱有效降低了反復吸泥的時間,提高了潛水員下水作業(yè)的效率,同時保證了潛水員的安全。據(jù)統(tǒng)計,在現(xiàn)場作業(yè)過程中,使用該水下沉箱后,立管的安裝用時為未使用時安裝工時的一半。

        5 結(jié)論

        水下沉箱結(jié)構(gòu)簡單,提升了在大厚度浮泥區(qū)域進行潛水作業(yè)的安全性,同時提升了水下吸排泥、潛水作業(yè)的效率。但同時水下沉箱創(chuàng)造了一個相對封閉的作業(yè)空間,因此也需要采取格外的措施來確保工作潛水員的安全。

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