株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 張向陽 郭園園

海底管道和電纜為維持其自身安全和在位穩(wěn)定性，免遭拖網(wǎng)漁具等的免遭損害，必須埋設(shè)到合理的深度。海底開溝機(jī)是埋設(shè)海底管道和電纜的重要設(shè)備。根據(jù)開溝成型方式，常用的開溝機(jī)技術(shù)主要有四種類型：機(jī)械開溝法、水利開溝法（噴沖式）、機(jī)械和水利結(jié)合開溝法、不開溝（管道自埋）進(jìn)行海底管道埋設(shè)法。根據(jù)開溝順序分類，主要有三種，預(yù)開溝法：挖泥船開溝和爆破開挖；后開溝法：水力噴沖開溝機(jī)，機(jī)械式開溝機(jī)，開溝犁；同時(shí)開溝：開溝機(jī)或者開溝犁邊挖邊埋。

歐美國(guó)家在海底開溝方面研究較早，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)形成豐富的開溝設(shè)備產(chǎn)業(yè)，主要有SMD公司、IHC公司、FORUMPerry等。

我國(guó)在海底開溝設(shè)備方面起步晚，主要以簡(jiǎn)易的開溝犁和噴沖式開溝機(jī)為主，并且開溝機(jī)本身無動(dòng)力，靠母船拖拽行走，適應(yīng)水深有限，無法完成深水區(qū)域硬質(zhì)海底的開溝任務(wù)。隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)在海上油氣管道和海底電纜鋪設(shè)以及深海采礦等方面將迎來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

海底開溝機(jī)的設(shè)計(jì)和作業(yè)需要大量的工程師經(jīng)驗(yàn)。張國(guó)光、顧林生等人對(duì)國(guó)外海底開溝機(jī)資料進(jìn)行了調(diào)研和評(píng)價(jià)，并對(duì)海底管道開溝機(jī)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性做出了分析。張新明、劉春光、張樹森等人對(duì)比總結(jié)國(guó)內(nèi)外目前常用的一些開溝機(jī)種類，海底開溝機(jī)更加多樣化和定制化。海底開溝機(jī)成本高，為了滿足更多的作業(yè)需求，一機(jī)多用逐漸受到客戶青睞。將開溝機(jī)分成主體機(jī)身和工具模塊兩大部分。主體機(jī)身作為水下作業(yè)平臺(tái)。針對(duì)不同的需求，開發(fā)出不同的模塊，包括射流噴沖，機(jī)械鏈據(jù)，射流抽吸，巖石鉆取等模塊。主體機(jī)身搭配不同的工具模塊，實(shí)現(xiàn)功能多樣化，一機(jī)多用。

海底多功能開溝機(jī)的開溝方式有多種，本 文搜集了目前國(guó)外最新的幾款開溝機(jī)，分為ROV型開溝機(jī)和重型開溝機(jī)兩類，總結(jié)了海底多功能開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀，對(duì)海底開溝機(jī)設(shè)計(jì)、研究有重要的參考意義。

1 ROV型開溝機(jī)

ROV型開溝機(jī)，亦稱埋纜ROV，外形類似ROV。頂部有浮力材料，在水中重量輕，接地壓強(qiáng)小，最大工作水深在1500m～3000m，在水中可以自由飛行，自動(dòng)化程度高，適合在海底軟粘度地區(qū)埋設(shè)電纜。對(duì)海況要求較低，可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)作業(yè)。

英國(guó)土壤機(jī)械動(dòng)力有限公司（SMD）生產(chǎn)的QT系列的多功能ROV型開溝機(jī)，從QT300到QT2800均可以搭載多種作業(yè)工具包，例如，滑靴底座、射流工具、切割鏈（單鏈和多鏈）、切割盤、壓纜器、切削疏浚、巖心鉆取和勾纜器等。

英國(guó)Forum Subsea Technologies公司旗下的Perry? XT系列的ROV型開溝機(jī)，從XT300到XT1500系列。其中XT300適用于電纜維護(hù)作業(yè)，XT750到XT1500適用于堅(jiān)硬土壤下開溝埋纜，可以自由飛行、履帶前進(jìn)開溝、巡航檢測(cè)等。

1.1 QT500開溝機(jī)

QT500是SMD公司在2018研發(fā)一種ROV型電纜維護(hù)開溝機(jī)，既可以檢測(cè)和維護(hù)電纜，也能開溝埋纜。適應(yīng)水深5m到2500m，開溝深度為2m和3m，埋纜直徑40mm到100mm（圖1）。

圖1 QT500開溝機(jī)（履帶行走模式）

通過切換滑靴和履帶，開溝機(jī)有兩種工作模式。

自由飛行模式：底部可安裝滑靴，適應(yīng)軟土海床。長(zhǎng)4.1m（TSS收回），寬3.2m，高2.8m；空氣中重12t，水中為零浮力，可以在埋纜前后探測(cè)海底電纜的狀況。

履帶行走模式：底部安裝一組履帶，適應(yīng)硬土海床。長(zhǎng)4.3m（TSS收回），寬3.7m，高3.0m；空氣中重11t，水中1t。

可搭載的工具模塊有多種：

主噴沖工具：配備一組2m噴沖臂和一組3m的噴沖臂，變速液壓噴沖動(dòng)力高達(dá)450hp，噴沖壓力6bar到8bar。前列噴嘴和后置噴嘴能夠有效地液化土壤。兩條噴沖臂跨坐在電纜上，可以多次埋纜。3m深度需要多次埋纜。主噴沖臂的間距可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，寬度為50mm到400mm。

壓纜器：壓纜器位于主噴沖臂中間，獨(dú)立布放和回收。端部有電纜檢測(cè)傳感器，有效地檢測(cè)電纜位置，判斷埋設(shè)深度。

前置噴沖器：可以輔助敷埋直徑很小的纜。

后置抽吸系統(tǒng)：用于清理溝槽，形成更寬的溝槽，有助于埋設(shè)纜直徑更大的纜；

其他工具：根據(jù)作業(yè)需要可以搭載機(jī)械臂、手持噴沖器、切割器、抓取器、電纜檢測(cè)工具等。

1.2 XT1200開溝機(jī)

圖2 XT1200開溝機(jī)（履帶模式）

圖3 CTC UT-1開溝機(jī)

Perry XT1200適用水深3000m，主噴沖工具和壓纜器有1m、2m和3m三種規(guī)格，埋纜直徑150mm到915mm。最大埋纜深度為3m。長(zhǎng)9m，寬6m，高3.9m。有滑靴模式和履帶模式兩種。在滑靴模式下可以自由飛行，前向速度2.5節(jié)，側(cè)向速度2節(jié)。履帶模式下，在空氣中總重32t。水平和豎直方向各配置5個(gè)推進(jìn)器。履帶模式下前進(jìn)速度為2500m/h?？梢赃x配電纜剪、電纜夾持器、抽泥泵等工具（圖2）。

1.3 UT-1開溝機(jī)

CTC MARINE公司的UT-1射流噴沖ROV型開溝機(jī)，額定功率2.1MW，輸出功率可達(dá)1.5MW，能夠在1500m深的海底開溝深度3m，可以多次沖埋，埋管的最大直徑為1.1m。開溝機(jī)總長(zhǎng)9.4m，寬7.8m，高7.6m?？諝庵锌傊?3t。配備4個(gè)水平推進(jìn)器，4個(gè)豎直推進(jìn)器，尾部2個(gè)推進(jìn)器，尾部推進(jìn)器用于平衡機(jī)身。噴沖臂在0.75m到3m溝深下，可以以恒定角度噴沖海床。噴沖臂上部的噴嘴可以遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉。

開溝機(jī)的滑靴間距可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，寬度為250mm到1200mm，滿足不同管徑的管道埋設(shè)。可選配搭載的工具有吸泥泵、噴沖臂端部回填噴嘴、壓纜器等。開溝機(jī)尾部的兩組吸泥泵和吸泥管，可以及時(shí)吸走泥沙，使溝槽更大更寬。主噴沖臂端部的后向噴嘴，可以進(jìn)一步液化土壤，有效抵將管線埋到既定深度，還可以回填溝槽。壓纜器上有電纜檢測(cè)傳感器（圖3）。

2 重型開溝機(jī)

重型開溝機(jī)沒有浮力材料，通常比ROV型開溝機(jī)功率更高，體積和重量也更大，不能在海底自由飛行。用于硬土和巖石地質(zhì)下的開溝埋纜工作，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)作業(yè)。

2.1 CBT2400開溝機(jī)

CBT2400是SMD公司2019年設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款適應(yīng)崎嶇地形的履帶式重型開溝機(jī)，可搭載多種開溝工具，包括鏈?zhǔn)角懈?，輪式切割和水力噴沖等。配備多個(gè)液壓動(dòng)力單元，具有良好的兼容性，能夠在切割工具、抽吸工具和噴沖工具之間共享功率分配。每一臺(tái)電機(jī)都可以從地面供電、控制和監(jiān)控。該開溝機(jī)分為主體機(jī)身和兩套可更換的工具系統(tǒng)。

圖4 CBT2400主機(jī)身和工具系統(tǒng)

圖5 Hi-Traq開溝機(jī)

主體機(jī)身：

主框架采用采用高強(qiáng)度鋼。工作水深在4m到1000m。當(dāng)水深小于4m時(shí)，可以從水面供水，進(jìn)行射流開溝。主體機(jī)身長(zhǎng)8.5m，寬8.3m，高6.4m。配備兩個(gè)推進(jìn)器，用于輔助調(diào)整姿態(tài)。前后2個(gè)特制機(jī)械臂，由4功能機(jī)械手，和末端一個(gè)3功能抓斗組成，用于抓舉和提升海纜?？梢?60回轉(zhuǎn)，最大抓舉載荷2t，最大伸展距離7m。前置2個(gè)抽吸泵，用于抽吸碎土碎石等，排泄到開溝機(jī)兩側(cè)。前置TSS框架，用于尋找和跟隨海纜。前置小型噴沖器，可以將海纜埋到沙土中。頂部有100SWL的吊點(diǎn)，適用于5級(jí)海況回收。配備4組450kW水下電機(jī)。水下監(jiān)控系統(tǒng)包括8個(gè)相機(jī)，12只燈，5個(gè)云臺(tái)，4個(gè)聲吶，2組應(yīng)答器，高度計(jì)，水聽器，水下慣導(dǎo)等。履帶系統(tǒng)為塑料履帶板，兩條履帶由獨(dú)立的液壓齒輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并由單獨(dú)的閉環(huán)泵控制。軌道速度能實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示在操作員圖形屏幕上。

開溝機(jī)系統(tǒng)配置鏈?zhǔn)角懈詈秃髧姏_臂，鏈?zhǔn)角懈罟ぞ甙惭b在開溝機(jī)腹部下方的擺動(dòng)支架上，開溝狀態(tài)時(shí)，切割工具和海纜通道擺動(dòng)到開溝機(jī)中央位置，非開溝狀態(tài)時(shí)，則回收到一側(cè)。切割工具通過一組液壓缸下放到合適的開溝深度，并且通過液壓缸的位置反饋，監(jiān)測(cè)開溝深度。切割鏈上配備截齒，能夠在中等強(qiáng)度的土壤中快速開溝。切割鏈上還有一組小噴嘴，用于清潔切割鏈。切割鏈挖出的碎土，通過開溝機(jī)前面的兩個(gè)抽吸泵排到開溝機(jī)兩側(cè)（圖4）。

開溝機(jī)降落在海纜正上方，前后兩個(gè)機(jī)械臂抓舉海纜到喇叭口和海纜通道上，然后切割鏈工具擺動(dòng)到正下方，喇叭口和海纜通道閉合，切割鏈開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并下放到合適的深度，抽吸泵將切割鏈帶出來的碎石吸到開溝機(jī)兩側(cè)，后面的噴沖臂進(jìn)一步噴沖溝型，并將海纜壓倒溝內(nèi)。

可以開溝的土壤剪切強(qiáng)度為100kPa到40MPa。開溝機(jī)總長(zhǎng)15.7m，寬4.4m，高6.4m，空氣中重80t。開溝深度3.3m，適用于海纜直徑500mm，最小彎曲半徑5m。開溝機(jī)前后有喇叭口，前置喇叭口上有海纜感應(yīng)器，檢測(cè)海纜或者管道的上下和左右的偏移角度。后噴沖臂由兩個(gè)600kW的水泵驅(qū)動(dòng)，集成了壓纜器，噴沖臂可伸縮，最大深度可達(dá)3.8m。

2.2 Hi-Traq開溝機(jī)

荷蘭ROYAL IHC公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的Hi-Traq開溝機(jī)是專注于海底復(fù)雜工況下開溝埋纜設(shè)備，可以在惡劣海流和波浪的工況下工作，獨(dú)特的四點(diǎn)履帶驅(qū)動(dòng)，在海底跨越復(fù)雜地形和轉(zhuǎn)向上具有優(yōu)勢(shì)。分為主體機(jī)身和可更換的工具包。

主體機(jī)身：

長(zhǎng)9.7m，寬8.5m，高6.2m?？諝庵兄?3t。功率1200kW。海底最大爬坡角度±20°，越障高度0.75m。降落時(shí)有自動(dòng)朝向功能，牽引力控制調(diào)節(jié)履帶功率分配，自調(diào)平功能，實(shí)現(xiàn)最佳開溝和入坡和出坡方向。

噴沖工具包：

兩腿式噴沖臂，900kW噴沖功率，變速驅(qū)動(dòng)，開溝深度為1.0m到3.3m，在空氣中總重61t（包括主體機(jī)身），噴沖臂間距為200mm到600mm，可以適應(yīng)最大纜徑450mm，可拆卸式壓纜器，彎曲半徑為3m。

切割鏈工具包：

切割鏈功率600kW，抽吸功率300kW，在空氣中總重63t（包括主體機(jī)身），開溝深度2.3m，開溝寬度0.5m，可埋設(shè)最大纜徑400mm，彎曲半徑5m。可拆卸式壓纜器，彎曲半徑3m。前后配置兩個(gè)3t的電纜抓舉臂，適應(yīng)彎曲半徑5m。適應(yīng)土壤剪切強(qiáng)度15kPa，開溝回轉(zhuǎn)半徑15m（圖5）。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外海底開溝機(jī)新技術(shù)在不斷發(fā)展提高，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）功能多樣化。開溝機(jī)價(jià)值高，維護(hù)成本高，一機(jī)多用逐漸受到市場(chǎng)青睞。輕型ROV開溝機(jī)一方面可以在海底自由飛行，檢測(cè)電纜和地形等，另一方面可以安裝合適的小型噴沖工具，在軟泥土或者黏土等開溝鋪纜，還可以進(jìn)行疏浚和鉆探等作業(yè)；重型開溝機(jī)配置不同的作業(yè)模塊，在沙土和巖石地質(zhì)中開溝鋪纜。

（2）模塊化。開溝機(jī)被劃分成越來越標(biāo)準(zhǔn)的模塊系列，例如標(biāo)準(zhǔn)系列的主體框架模塊、履帶模塊、水利噴沖模塊、切割鏈模塊、抽吸模塊、壓纜模塊、機(jī)械臂模塊等，通過不同模塊之間的拼搭，快速地組合出一套定制化的開溝機(jī)，響應(yīng)市場(chǎng)需求。

（3）適應(yīng)性寬。開溝機(jī)作業(yè)深度從幾米的淺水到三千米深水。通過增減浮力材料，搭載滑靴或者履帶，可以滿足軟土、硬土和巖石等多種地質(zhì)條件，一臺(tái)開溝機(jī)完成多段路由的開溝任務(wù)，降低施工成本。

（4）智能化。開溝機(jī)可以自動(dòng)定深和定向，自動(dòng)跟隨海纜路由檢測(cè)海纜或者埋纜，減少人為干預(yù)。