摘要：文章主要对海底管线挖沟作业的挖沟机进行效率分析，通过总结长时间海上施工经验，并参考现有挖沟机各项功能参数及计算报告，得出挖沟机效率提升方法。主要挖沟机效率提升方法如下：优化低压喷射泵选型方案、优化挖沟机喷射口。
关键词：海管；挖沟机；效率提升
当完成连接海上石油平台之间的海底管道铺设后，按照工序一般将进行管线挖沟作业，将海管进行深埋，防止管线漂浮或侧移，用于这项作业的施工机具为挖沟机。目前使用的挖沟机可分为喷射式挖沟机、拖拽犁式挖沟机、铰刀式挖沟机和深水爬行式挖沟机。喷射式挖沟机按水泵驱动系统可分为液压喷射式挖沟机和电动喷射式挖沟机。由于国内目前绝大部分海管挖沟工况水深低于100m，土壤剪切强度低于40kpa，喷射式挖沟特别适合这种工况，具有相对较高的效率和较低的成本，所以在国内市场得到了广泛的应用。本文主要针对目前应用较多的电动喷射式挖沟机进行讨论。
一、工作原理
电动喷射式挖沟机一般由挖沟机本体、脐带电缆、水上动力站和控制室构成。主要原理是使用高压水流冲刷海管两侧下部海床，将海底泥砂稀释，并通过水流将海床泥砂带走，使海管下端形成悬空，让海管在重力作用下缓慢下沉，然后泥沙在海水作用下得到回填，将海管深埋于泥面以下。根据不同挖沟机设计能力及工况，有的使用低压大排量喷射泵，有的使用高压小排量喷射泵，或者组合使用。根据现场地质硬度，也有的在挖沟机上加装电动铰刀、加装气举等辅助装置。归根结底，作为喷射挖沟主要动力的是挖沟机的低压喷射泵，主要是因为这种泵所具备的高排量能够在冲刷过程中起到主导性作用。所以，提高挖沟效率最主要的手段是从低压喷射泵使用上下文章。
二、优化低压喷射泵选型方案
通常喷射式挖沟机采用水上动力站形式，无论是采用电动或液压驱动形式，考虑到施工作业的可行性，连接水下挖沟机和动力站之间的电缆或液压管线不宜采用过粗，否则将对施工作业造成极大的不便。然而挖沟速度受到水下水泵功率影响较大，采用大功率水泵将会增大水流喷射量，极大地提高挖沟效率，但功率过大会使连接电缆或液压管线过粗，这与施工作业效率是一个相对矛盾的两面。目前国内挖沟机水泵每台功率一般控制在300KW以下，这样既能保证一定的功率，而电缆或液压管线也不至于过粗。
以240KW水泵为例，若水泵功率一定，在水泵功率因数基本不变的情况下，水泵的流量与水泵扬程成反比。也就是说，功率一定情况下要采用高流量水泵，必然会降低水泵的扬程。要选型适合水泵必须根据所挖地质在水泵流量与水泵扬程之间进行合理的取舍。
根据多年渤海挖沟工作海管路由调查，通常渤海海床面以淤泥及少量砂烁为主，硬度一般低于40KPa，极少部分较硬地段能够达到80KPa以上。选型时不仅要考虑到水泵冲刷时海床面抗剪切力同时也要考虑海水阻力。
下面举例进行给予说明：
实例一：公司配置一台挖沟机，采用10000m3/h水泵一台，功率240KW，扬程6m。
该泵属于典型的大流量、小扬程的喷射泵，通过几年以来使用，特别适用于较软地质的工况施工。在30KPa以下的软泥作业时，通常速度能够达到2m/min以上，速度在国内挖沟机中属于较快水平。但是由于水泵扬程低，在地质略硬时，通常挖沟沟床深度不能满足设计要求。一般一遍挖沟时挖沟深度都在2m以下，往往需要进行海管的二次挖沟才能满足设计要求。
实例二：公司配置另一台挖沟机，采用5000m3/h水泵一台，功率240KW，扬程10m。
该水泵扬程相对上一台有所提高，通过几次项目使用，在软质地质工况下，一般一次挖沟作业沟深基本能够满足要求，能够保持在2.5m左右，挖沟速度为2m/min。同上一台挖沟机相比本挖沟机能够适用相对较硬的地质工况下使用。
推荐选型：
根据上述两则实例，为保证挖沟机流量及挖沟机扬程，建议挖沟机采用两台水泵模式，用以提升挖沟速度及挖沟深度。通过现有两台挖沟机比较，在大流量水泵中，牺牲一定的流量以提升水泵压力，能够获得更大的地质适用范围和更高的效率。下面为建议的水泵选型：
水泵流量：3000m3/h；水泵数量：2台；水泵扬程：19m；水泵功率：240KW/台
这样挖沟机喷射总流量为6000m3/h，扬程为19m，基本能够适用渤海海域所有地质工况下挖沟要求，最大地质硬度将达到80KPa，最大挖沟速度将达到3m/min以上，挖沟深度能保证在2.5m以上，满足目前绝大部分海管挖沟深度技术要求。
三、优化挖沟机喷射口
低压喷射泵水泵出水口一般通过一个三通将水流一分为二，分别向海管两侧进行喷射，通常为直管连接到三通处，然后在最下端做一个缩径，以增加喷射水流压力。由于这种设计形式在海管两侧竖直喷冲，很容易在海管下端形成一个土壤凸台，使海管不能在自重作用下下沉。
针对上述情况，可以进行了较小的改进，优化后喷射口设计方案：
第一，在喷射管下端制作一个法兰连接，方便根据海管挖沟深度要求，及时调整下端短截喷口长度。
第二，根据现有施工经验，调整下端喷口角度，偏向内侧前方，经验偏角为前行方向3O，内侧海管方向5O。这样不仅能够减小海管底部凸台的形成，还能减小前行方向阻力。
第三，更改底端缩径的形式，在外侧使用一个月牙型缩口替代缩径的形式，经计算这种形式能够更好地将喷射水流进行导向，极大提升吹泥效率。
四、结束语
俗话说工欲善其事必先利其器，作为海管挖沟的工机具，如果能够使其提升效率，将极大地减少海管挖沟的船舶作业天数，收到巨大的经济效益。
（作者单位：海洋石油工程股份有限公司）