悬跨海底管道犁式填埋设备设计

2 0 1 3 第 1 2卷 第 8期第 l 4贝 石油 矿场 机 械 OI L F I ELD E QUI P MENT O o 文 章 编 号 ： 1 O01 3 4 82 ( 2 01 3) 0 8 O 01 4 0 4 悬跨海底管道犁式填埋设备设计 王 雷 ， 徐兴平 ， 王言哲 ， 王慧莉。 ( 1 f 】 国 油大学 机 电上 程学 院， 山东 青岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 胜利油 田分公 司 采油 工艺研究 院， 山东 东营 2 5 7 0 0 0 ) 摘要 ： 海 流流 经海底 管道 悬跨段 引起 的 管道 周 期性振 动是 引发 管道 疲 劳 失效 的 主要 因素 。为 了及 时对海底 管道 悬跨段 进行 治理 ， 保 障海底 管道 安全 运行 ， 基 于施 7 - 简便 、 可 靠性 高的 海底 管道 悬 空 治理 原 则 ， 提 出了利 用 犁式开 沟原理 对 海底泥 沙进 行 开采 转 移 ， 用 于 悬空段 填 埋 的设 想 ， 并 完成 了 悬跨 海底 管道 犁式 填埋设 备 的整体 结构设 计和 实现 各功 能 的部 件 设计 。 关键 词 ： 海底 管道 ； 悬 空治理 ； 犁式设 备 ； 设 计 中图分类 号 ： F E 9 5 2 文献标 识 码 ： A De s i g n o f Pl o u g h f o r S u b ma r i n e Fr e e S pa n Pi p e l i ne La y i n g W ANG I e i 。 XU Xi ng p i ng ， W ANG Ya n z he 。 W ANG H u i l i ( 1 ( 7 o l l e f4 r j Me t h a n i a l a n d El e c t r o n i c En gi n e e r i n g， ( 、 i n a Un i v e r s i t y o y Pe t r o l e u m ， Qi n g d a o 2 6 6 5 8 0， ( 、 i n a 2 Re s e a I n s t i t u t e o ，Oi l Pr o d u t i o n Te c h n o l o 4 ， S h e n g l i Oi l ， i e l d( 7o rep a n y， Do n gy i n g 2 5 7 0 0 0 ， ( 、 i n a) Ab s t r a c t ： W i t h o c e a n c ur r e n t f l o wi ng t hr ou g h， p e r i o di c v i br a t i o n wi l l a p pe a r on f r e e s p a n c au s e d b y v o r t e x s he dd i n g I t i s on e o f t he ma i n f a c t o r s t r i g ge r i ng f a t i g ue f a i l ur e of f r e e s p a n I n or d e r t O go v e r n s u bma r i n e f r e e s pa n p i p e l i ne e xp e d i e n t l y a n d r e s po ns i bl y， a ki n d o f m e t ho d i s p r e s e nt e d a nd s ub ma r i ne e q u i pme n t i s d e s i g ne d The e qu i p m e n t wor ks i n t h e f or m o f a pl o u gh I t d i gs s i l t a nd mo v e s t h e m t o c o v e r t he f r e e s p a n of p i p e l i ne Ke y wor ds ： s u bma r i n e p i p e l i ne； go v e r n f r e e s pa n； pl o ug h； de s i gn 海底 管道作 为一 种高 效 、 经 济 的运 输厅 式 ， 在现 今 的海洋 工程 中 已得 到广 泛 应 用 ， 是 海 上 油气 开 发 的重要 组 成部 分 。 。 】 。海 底 管 道 所处 海 洋 环 境 情 况 复杂 ， 工作 条件 恶劣 ， 在海 流 的长期 冲刷和 海底 地质 灾害 频发 的工 作 条件 下 ， 管 道 周 围和 承载 管 道 的 泥 沙很容 易被 掏空 ， 使海底管 道产生悬 跨段 。 。悬跨段 周 围由于海 流经过产生 的周 期性 的涡旋发放 ， 引发悬 跨段周期性振动。这种周期性振动是引发管道疲劳 失效的主要因素之一【 。如果不能尽早对悬跨段进 行治理 ， 任由悬空部分不断扩大， 很可能使海底管道 疲 劳断裂 ， 造成 巨大 的经济损失和海 洋污染 。 近年 来 ， 海 底管 道 悬 空 治理 的措 施 主要 有 水下 支撑 固定法 、 沙 袋 填 充 法 、 挠 性 软 管跨 接 法 等 。 其 中抛 填砂 袋 、 水下 支撑都 属于 主动 支撑 的方 法 ， 施 工 简单 快速 ， 但 在海流 的 冲刷下 容易 形成 再次悬 空 。 挠 性 软管跨 接法 施工 简便 ， 可靠 性高 ， 但抵 御 意外风 险能 力较弱 。 基于施 工 简单 、 可靠性 高 的海底 管道 治理 原则 ， 本文根据海底犁式挖沟机 的工作原理， 提 出了使用 犁式 原理 ， 进行 海底 沙土 的挖 掘及转 移 ， 进行 管道 悬 跨段填埋的设想 ， 并设计 了用于悬跨段填埋 的设备 模 型 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一 O 2 2 5 基金项 目： 山东省 自然科学基金项 目“ 钻 井连续管力学特性 研究” ( Y 2 0 0 8 F 1 7 ) 作者简介 ： 王 雷 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 山东烟台人 ， 博十研究 生， 主要从事海洋石油装备研究 ， E ma i l ： w l u p c y a h o o C F I 。 第 4 2卷第 8期 王雷 ， 等 ： 悬跨海底管 道犁式填 埋设 备设计 1 犁式填埋设 备设想及总体设计方 案 由于海 流 对 海 底沉 积 物 的 冲刷 ， 埋地 一 定 深 度 的海底 管 道会 产生 部 分 悬 空 ， 海 流 流 经 悬 空 段 时产 生 的涡流会加速悬跨段周 围海底的冲蚀 ， 造成悬跨 段 长度 和 高度 不断 增加 。为 了对 悬跨 管道 进行 及 时 治 理 ， 最容 易 的方法 就是 对悬 跨管 道进 行 二次 填埋 。 悬 跨海 底 管道 填埋设 备 的设想 来 自于 海底 犁式 挖 沟机 。海 底犁 式 挖沟 系统是 目前 国际上 一种 较为 先进的水下挖沟系统。外 国公 司研制生产的海底挖 沟机械 已经能够在较大的作业水深 、 较恶 劣的水下 环境 中进行作业 。我 国的水下挖沟设备起步较晚 ， 技术 相 对 落 后 l 1 。海 底 犁 式 开 沟 的设 想 于 1 9 7 5 年 首次 提 出 ， 并 在 1 9 7 7 年 由瑞 士 R J B A 公 司和英 国 S MD公 司联合设计制造 出了世界上第 1台海底犁 式挖 沟 机l 1 。这 些 年 来 国外 公 司取 得 了 大 量 工 程 设计和研究经验 ， 其研制的犁式设备也越来越先进 ， 作业能力越来越强 。犁式挖 沟机用于管道铺设 时， 机器 在海 底 面作业 ， 犁 体进 行开 沟 ， 并将 泥土 翻 于所 开沟壑两侧海底面上 ， 然后将管道放于沟内， 依靠海 流将 沟两侧 堆 积 的泥土 冲入 沟 内掩埋 管道 。根 据挖 沟机的工作原理 ， 设想对于已埋设 的海底管道 ， 在靠 近 管 道悬跨 处 进行 开 沟 翻 土 ， 将 翻 出的 土 壤转 移 至 悬跨处便可用于悬跨管道的填埋 。由此设想而设计 的悬跨管道填埋设备整体结构如图 1所示 。 设 备 主要 工作方 式 为 ： 1 ) 设备由拖船拖至预定位置 ， 通过专用起 吊 架将设备放置于管道上方 ， 使设备跨于管道上。此 过程可 由水下 R OV协助定位 。 2 ) 前端支撑腿带动滑靴发生位移 ， 使设备前 倾 ， 滑靴 位移 高 度为 犁体 开沟深 度 。 3 ) 水面牵引船拖拽设备移动 ， 犁体在 自重力 作用 下 切人海 床 中开 始切 削并 翻转 泥土 。设 备移 动 过程 中， 由后端的挡板将犁体翻转 出的泥土进行归 拢 ， 并 随设 备 的移 动转 移 泥 土 。 当设 备 到 达 管 道悬 跨 沟槽 处 时 ， 泥土 掉入 沟槽 ， 实现 悬跨 管道 的填 埋 。 4 ) 作业完成后， 支撑腿带动滑靴位移至原位 ， 犁体整体脱离海床 。 a主视 图 b 俯视 图 1 一滑靴 ； 2 一支撑腿 ； 3 一方向调整装置 ； 4 一机架 ； 5 一犁体 ； 6 一犁体架 ； 7 一挡板 图 1 犁式填埋设备整体结构 2犁体 的设计 犁 体 是 悬跨 管 道 填埋 设 备 的最重 要 部 分 之一 ， 犁体的设计决定 了其碎土 、 翻土的性能 ， 从而决定了 设备的工作性能及效率 。 犁体工作 面可看 作 由多个微三面楔组成 的曲 面l l 。 。定义 轴正方 向为犁体前进方 向， 每个三 面楔 包括 人土 角 7 ， 翻 土角 ， 推 土 角 a ， 如 图 2 。3 个角 同 时作用 ， 将 泥土耕 起 、 切断 、 翻转 。 b翻上 角 Y 图 2犁体工作微三面楔原理 犁 体 曲面 形 状是 空 问 任 意 曲面口 。 。 目前 ， 水 平直元线法是犁体 曲面设计 中技术最成熟 、 应用最 为广 泛 的方法 。犁 体 曲面 的形成 可 以看作 是 由动线 在空 间按 照一 定 的规律 运动 而成 。动 线为 水平 直元 线 ， 始终平行于水平面 ， 在向上运动的过程 中始终与 铅垂面 N 内的导 曲线相贴靠， 且与沟壁 的水平夹角 是随直元线 的高度变化的， 如图 3 。 导曲线方程可表示为 f( y ， 2 ) 二 = = y +a Y +6 z + + z一0( 1 ) 式中： Y 一( y +Ac o s O o ) +( z-As i n 0 o ) 。 ； A为初始 石 油矿 场机 械 直 元线 ( 的长 度 。 通过 导 曲线 的切线 角 ， 切线 夹角 ， 高度 h和 开 度 确定 “ ， 6 ， ( ， 。 水、r 图 3 水平 直无线法示 意 犁体翻土曲面方程为 一 t a nO + 、 t a n O z 一f O , = O o - - A O FD z ( 2) ( ， ， ， ) 一0 一 ， c o t ( ) +A s i n f E 0 ， h 式 中 ： 为最 大 直 元 线 角与 初 始 直 元线 角 的差 值 ； 一 、 分 别 为高度 为 ， 的第 i 条 直元 线对 应 的直 元线 角度 及其 与导 曲线 的交点 ； t 为 中问变 量 。 按照 犁 式 填埋 没备 的设 计 思想 ， 设 备 跨 于 管道 卜， 为 了不 影 响 已埋 的管道 ， 在 尽量远 离管 道 的两侧 开 沟 ， 将 翻转 出的土 壤转移 ， 填 于管道 的悬 空处 。由 此 ， 所开 沟型 如图 4所 示 ， 在 靠 近 管 道一 侧 ， 开 沟坡 度应 尽量 平缓 ， 远离 管道一 侧 的土壤 在海 流作 用下 ， 向所 开 沟 槽 内 流 动 ， 这 样 就 减 小 了 开 沟 对 管 道 的 影 响 。 + | 1 、 ? 厂 I 、 I 罔 4 沟 型示 意 3 滑靴及支撑腿 的设计 设备选择滑靴式前进装置 ， 在外力拖动 的情况 下 ， 由大面积的滑靴底面接触海底 ， 滑动前进 。滑靴 与海底面接触面积大 ， 减小了设备对海底面的压力， 避免设备下陷。支撑腿 与液压缸结构便于调节滑靴 的高度 ， 并在设备前进时， 根据不同海底地貌调节滑 靴 俯仰 角度 ， 起 到缓 冲减震 作用 。 滑靴 与 支 撑 腿 的结 构 如 图 5所 示 。支 撑 腿 采 用 铰 接 与 机 架 和 滑 靴 连 接 ， 方 便 调 整 。 液 压 缸 1 和 液压 缸 2配合 调 节 ， 通 过 液 压 缸 1的 驱 动 ， 可 以 调 节 支撑 腿 的垂 直 高 度 ； 液 压 缸 2调 节 滑 靴 ， 使 滑 靴保 持 水 平 ， 并 增 加 支 撑 点 ， 改 善 支 撑 腿 的 一 受 力状态 罔 5滑靴及支撑腿乐意 如 图 6所示 ， 当滑 靴位 于最 大位 移处 ， 支撑 腿达 到上 限位置 ， 此 时犁体 进行 最大 开沟 深度作 业 ； 滑 靴位 于最小 位移 处 ， 支撑腿 达 到下 限位置 ， 犁体 与海 底 面 刚好分 离 ， 不 进行 开沟 作业 。 a 滑靴最大位移( 设 备工作状 态) b滑 靴 最 小 位 移 ( 设 备 不丁 作 ) 图 6 设备状态示意 4 转 向装置设计 由于 设 备 设 计 中采 用 滑 靴式 牵 引 滑 动 前 进 方 式 ， 设备 转 向有一 定 困难 ， 所 以在设 备 前端设 计 转 向 辅助装置 。在需要转向时， 拖船前进方 向改变 ， 没备 在转向装置的帮助下 ， 由牵引缆绳 的牵引 ， 改变前进 方 向。 图 7为与机架 相 连 的转 向装 置 。其 中 ， 连 杆 、 液 压缸 、 三角调 整 架 为 组成 转 向装 置 的 主要 部 件 。液 压缸两 端 分别连 接 牵 引 吊耳 与机 架 上 的 三 角 支架 ； 连杆连接牵引吊耳与三角调整架 ； 三 角调整架 的一 第 4 2 卷第 8期 王雷 ， 等 ： 悬跨海底 管道 犁式 填埋 设备设计 1 7 角 与机 架 连 接 ， 使 之 可 绕 连 接 点 摆 动 。牵 引 吊耳 如 图 8 ， 连 接 拖 拽缆 绳 、 机架 与 转 向装 置 ， 能够 绕 其 与机 架 的 连 接 处 摆 动 。 当 拖 船 航 向 发 生 变 化 ， 液 压缸调节牵引 吊耳 ， 使 吊耳 的角度随缆绳 而变化 ， 同时两端 的连杆与三角调整架使两边 的 吊耳转动 角度 对 称 ， 加强 了转 向装置 的稳 定 性 。 2 5 结论 1 一三角调整架 ； 2 连 杆 ； 3 一 液压缸 ； 4 一三 角支 架 ； 5机架 ； 6 一 牵引 吊耳 图 7 与机架相连 的转 向装 置 i 、 2机架 连接孔 ； 3 一 连杆连接孔 ； 4 液 压缸连接孔 ； 5牵引缆绳连接孔 图 8牵引 吊耳 I ) 提出了利用犁式开沟技术的海底管道悬空 段填埋的设想 ， 并初步设计出进行悬空填埋 的设备 。 对犁体 、 滑靴和支腿进行了分析和研究 ， 并给出了设 计 方案 。 2 ) 犁式 填 埋设 备 用 于海 底 管 道 悬 空段 填 埋 ， 理论 上 可行 ， 并 且施 工 方 便 。需 要 进 一 步 对设 备 整 体进 行 功能 的完 善及 细化 。对 主要受 力部 件进 行承 载 能力计 算及 分 析 ， 提 高 可 靠 性 。通 过 试 验进 行 改 进 ， 提高可用性。最终实现利用犁式技术对悬跨海 底 管道 进 行 填 埋 的 设 想 ， 为 海 底 管 道 的 安 全 运 行 服务 。 参考文献 ： 1 梅 云新 中国管道 运输 的发展与 建设 E J 交通 运输 系 统工程 与信 息 ， 2 0 0 5 ， 5 ( 2 ) ： 1 0 8 1 1 1 2 张 宏 ， 李志刚 深水海底 管道铺管设备 技术 现状 与国 产化设想 J 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 9 ) ： 2 0 l - 2 0 4 3 刘梁 华 ， 张世 富 海底 管 道发 展现 状浅 述 J 中 国储 运 ， 2 O 1 1 ( 1 I )： 1 0 8 一 1 0 9 4 李 国珍 ， 东朝丽 ， 袁亚 雷 流 动显示法 用 于海底 管道掏 空机 理 试 验 研 究 J 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 i 2 ， 4 1 ( I ) ： 42 45 5 余建星 ， 傅 明炀 海底管线在波流联合作用下 疲劳寿命 预测方法研究 J 船舶力学 ， 2 0 1 1 ， 1 5 ( 2 ) ： 1 5 2 1 5 9 6 谢丽婉 ， 陈国明 ， 鞠少栋 基 于管土耦 合 的海底管 跨涡 激疲劳分析程序 J 石 油矿场机 械， 2 O l l ， 4 0 ( 2 ) ： I - 4 7 孟凡生 ， 徐 爱 民， 李 军 滩海 海底管 线悬 空问题 治理 对策 J 中国海洋平 台， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 2 5 4 8 唐晓旭 ， 胡 国后 海底输油管道悬跨 的综 合治理 J 集 输处理 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 7 ) ： 3 8 3 9 9 文世鹏 ， 吴 敏 ， 王西 岗 埕 岛油 田海 底管 线悬空 治理 探