作品展示▏刘雨等：PeneVector海床式静力触探系统研发及工程应用

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【摘要】

针对海洋资源开发、工程建设、环境调查和科学研究等需求，自主研发了PeneVector系列海床式静力触探系统，攻克了包括海洋型静力触探探头、水下电缆及连接器、水下液压驱动、水下测控与数据采集在内的多项关键技术。多次的工程实践证明：PeneVector系列静力触探系统既能实现深海浅地层探测，又能满足浅海深地层勘察的需求，达到了与世界知名产品同等的技术水平，可作为海洋地质调查和工程勘察的利器推广使用。

【关键词】PeneVector；海床；静力触探；研发；工程应用

一、概述

在国家“海洋兴国”战略和“一带一路”战略指引下，我国涉海工程设施建设、能源勘探开发、军事后勤保障、海底管线铺设、海洋科学研究等领域进入到一个全新的高速发展时期，确定海底沉积物的物理力学性质、地基承载力以及判断土体液化可能性等已成为海洋地质调查和工程勘察的重要测试项目。由于海底土体一般为新近沉积物，厚度大、饱和松散且容易扰动，普通的钻探取样与室内试验都难以真实的反应原状土的性质，为此以静力触探为代表的原位测试逐渐进入海洋领域。

静力触探（英文：Cone Penetration Testing，简称CPT），是利用一根安装了若干传感器的圆锥形探头在土体中以准静力匀速贯入时所采集的应力数据来迅速、连续的反映土质变化特征的一项重要的土体原位测试方法；其数据可用于地质工程和岩土工程等诸多领域。

二、海床式静力触探的优势与国内外现状

作为岩土原位测试的突出代表，静力触探自 1917年由瑞典发明以来距今已有90多年的历史，将其运用到海底进行土体测试也不过40多年，然而静力触探却以其自身的诸多优点已经被欧美国家广泛应用于海洋工程地质调查，部分国家甚至将其列为海洋地质工程调查的必做项目；静力触探数据可为海洋工程构筑物，特别是为海上油气开发平台和输油管线的地基稳定性评价、国际光缆路由勘测等提供重要的原始依据，对海洋资源的开发利用具有重大意义。

静力触探系统一般由量测装置（探头和数据采集仪）、贯入设备以及数据分析处理软件三大部分组成。海底静力触探除了要解决水下部分的防水、耐压和密封问题外，还需要重点考虑在海洋的特殊工作环境如何实施静力触探作业。在海洋环境实施静力触探作业，国内外有三种施工工艺较为成熟，即平台式（Platform）、海床式（Seabed）和井下式（Downhole），由此也研制出三种对应的贯入设备：⑴平台式的主要特点是贯入设备安装在固定平台上，触探操作时探杆需要首先从平台甲板经过水层后才能贯入海底地层；⑵海床式的主要特点是贯入设备稳定支撑于海床面上，将探头直接连续的贯入海底以取得探头所检测到的地层应力；⑶井下式的主要特点是钻探与静力触探相结合的循环贯入方式，触探操作时贯入装置设置于钻杆内部并将探头从钻杆底部经钻头贯入海底地层，而钻探主要负责扫除触探已经完成的地层以便开始下一循环周期的触探操作。

三种方式均具备各自的优缺点，如表1、2所示，综合比较，海床式静力触探无论从技术方面还是从施工方面均具有明显的优势，主要表现在：⑴浅水和深水均可使用，适用范围广；⑵触探基准稳定、触探路径连续；⑶可通过贯入力、自重以及套管的不同配置，适应于不同的探测深度需求；⑷施工难度小、施工成本低、施工效率高。因此，鉴于技术优势，海床式静力触探是目前国际上使用最为广泛的海洋静力触探施工工艺，其相关设备也最为多种多样。

表1 海洋静力触探施工工艺技术分析对比表

施工工艺	触探基准	触探路径	触探深度
基准	稳定	垂直	连续
平台式	平台面	★★★★★	★★★★	★★★★★	无扫孔：★★★
有扫孔：★★★★
海床式	海床面	★★★★★	无套管：★★★	★★★★★	无套管：★★★
有套管：★★★★	有套管：★★★★
井下式	钻孔井底	★★	★★★★★	★★	★★★★★

表2 海洋静力触探施工过程分析对比表

施工工艺	施工难度	施工效率	施工成本
平台式	☆☆☆☆	★★★★	☆☆☆
海床式	☆☆	★★★★★	☆☆
井下式	☆☆☆☆	★★★★	☆☆☆☆☆

目前，世界上主要有四家较为著名的公司从事海床式静力触探系统的研发、生产和销售，分别为：荷兰辉固公司、荷兰范登堡公司、荷兰Geomil公司和英国Datem公司。荷兰辉固公司号称世界岩土界的霸主，研发了全系列的海床式静力触探系统，近十年来，几乎承接了我国80%以上的海洋静力触探工作量，如港珠澳大桥勘察、海洋可燃冰勘查、香港新机场勘察等。但该公司的市场策略侧重工程服务；荷兰范登堡公司的ROSON系列海床式静力触探系统涵盖了轻型（贯入力25kN、40kN）、中型（100kN）和重型（200kN）三种配置，在国内有较多客户，但ROSON系列设备均不具备套管贯入能力，因此不适合深层探测。荷兰Geomil公司的MANTA-200贯入力达到200kN，具有套管贯入能力，但国内的销售和应用记录较少；英国Datem公司的Neptune海床式静力触探系统采用卷绕式探杆，探测深度为10m和15m两种，因此大多仅适合于管线路由调查，不适合于深层探测。

国内的海床式静力触探起步较晚，以1973年中国科学院海洋研究所研制成功的海底静力触探仪为首要代表，之后的几十年我国从未中断对海底静力触探的研究工作，中国科学院、吉林大学、中国海洋大学、中国地质大学等单位研制出了一批适合不同水下工况的海底静力触探系统，但由于我国前期对海洋探测的重视程度以及设备本身的问题，这些系统并没有像国外一样得到大规模的推广应用，技术上仍停留在科研水平，实际应用的案例较少。

三、PeneVector海床式静力触探系统开发

⒈ 产品基本参数

鉴于海床式静力触探系统在适用范围、测试深度、多功能扩展和国际通用性以及工程施工等方面的优势，武汉磐索地勘科技有限公司与国内多家科研院所开展技术合作，以战略产品的高度定位海床式静力触探系统——PeneVector ®，图1所示为PeneVector的实物照片，表3所示为PeneVector的系统参数表。

图1  PeneVector海床式静力触探系统实物照片 

表3 PeneVector海床式静力触探系统参数表

系统参数	PeneVector-II	PeneVector-III
适水深度	2000m
自身重量	3.5t（配重2t）	20t（配重6t）
贯 入 力	50kN	200kN
贯入方式	摩擦轮贯入	液压缸+套管贯入
贯入速度	2cm/s（可调）
探测深度	42m（最大记录值）	75m（最大记录值）
探头类型	5、10cm2	10、15cm2
系统供电	5kW，380VAC	20kW，380VAC
三维尺寸	2m×2m×2m	4m×4m×4.5m

⒉ 产品方案与技术开发

海床式静力触探系统的核心是海底贯入设备。海底贯入设备的主要任务是提供贯入动作和贯入力将探头和探杆贯入至海底地层，同时水下设备自身的测控子系统也需要将静探数据和设备状态实时、准确、可靠的传递至甲板，既以便于数据记录，又便于操作人员作出各种决策。

⑴液压驱动部分

针对贯入动作和贯入力的需求，欧美发达国家一般采用电机驱动和液压驱动两种方式。相比而言，液压驱动低速重载特性好，可实现无极调速比较适合静力触探这种慢速、重载且需要调速的工艺要求，并且整套系统长时间工作于水下，过多的强电环节一旦出现海水入侵将会导致严重事故，因此PeneVector均采用了水下液压驱动的动力方式，虽然增加了系统复杂程度和维护成本，但却能最大限度的保证系统的可靠与安全。

PeneVector的水下液压系统主要包括液压站、液压阀组、液压执行机构以及液压管路。为保证水下液压系统与海水的绝对隔离，液压站采用全封闭式增压油箱，保证液压系统的基本压力略大于海水压力，因此当液压系统发生破损时，只会发生液压油的外泄，而不至于海水入侵至液压系统；液压阀组通过对油路的控制实现对执行机构的控制，液压阀主要包括两种，一种属于开关阀，通过油路的切换控制贯入动作的执行与停止，另一种属于调节阀，通过调节压力或者流量实现对贯入速度的控制，为保证液压阀在水下的可靠工作，阀组通过集成阀板相互连接，并密封在耐压舱内，舱内外仅仅有电路和油路的连通；在执行机构方面，II型设备采用液压马达驱动摩擦轮的方式，而III型设备采用液压缸的方式。

⑵机械结构部分

海底贯入设备独自工作于海底，当提供贯入力将探头和探杆贯入海底地层时，设备自重几乎是最为成熟的贯入反力形式，为此要提供50kN的贯入力，设备就要提供50kN以上的自重力，当设备自重不够时，则可以增加铁块或者铅块作为配重，以防止贯入过程中由于设备自重不够导致设备倾斜或者被顶起。与此同时，较大的自重也使得设备坐落于海底时下陷较深，设备下陷会导致触探基准变化影响静探数据的真实性，也容易导致设备的倾斜，甚至导致设备从水下回收时吸附力增大难以提离海底，为此PeneVector使用了“海底勘探设备可扩展支撑面积的海底基座裙板装置”（专利号：ZL201520387911.4）解决了该项问题，该装置安装在设备底座的四周，当设备接触海底时在地层作用下会自动展开以获得更大的支撑面积，减小对地压强，而当设备提离海底时翻板在重力作用下又自动回收至底设备底座以内，降低对施工船舶、吊机等的要求。

为保证海底贯入设备的整体性，PeneVector设计了钢制的框架结构，将液压、电气等器件全部包络其中，既为其提供安装和承载的空间，又为其提供足够的防护；同时钢制框架外围全部覆盖防撞橡胶，在收放过程中即使与船体发生碰撞也不至于对船体和自身造成损坏；为了更好的适应多种施工环境，钢制框架的顶端设计了单缆、双缆的吊放的转换接口，因此施工的船舶的A型架、折臂吊、井架和月池都可以作为设备收放的载体，甚至将陆地的汽车吊、履带吊在船体上固定后也可以作为收放的载体。

⑶电控与通讯部分

如图1、2所示，为PeneVector电控与通讯部分的结构框图，分为甲板和水下两个部分。作为一套集成度较高的海洋设备，PeneVector的电控部分包含了12个执行动作，30多项执行命令，近40个传感器，200多个电气节点。按照海床式静力触探的工艺流程，中央处理模块将数据采集命名和动作执行命令设置了4级优先级，既确保水下动作的快速响应，又能实现各项数据和命令的可靠传递和协调管理。

贯入速度是静力触探一项十分重要的测试控制指标，过快或者过慢的贯入速度均会导致静探数据的失真，因此国内外大多数标准规范均要求贯入速度控制在2cm/s±10%的范围内，为此，PeneVector的液压系统中专门安装了电液比例调速阀，并在水下测控系统中引入了模糊PID控制算法，因此即使在软硬变化无常的地层中探测，PeneVector均能通过软硬件的配合实现贯入速度的匀速稳定。

当设备工作于水下几十米时，电控与通讯的许多解决方案与陆地基本相似，但水深超过百米，甚至达到几千米时，就需要重点考虑深海工作环境的影响，如脐带缆的缆端接口制作、提高供电电压以减小脐带缆线阻的影响、远程操作时自动报警与急停的设计、水下变压器与各种传感器的耐压封装、水下接插件选型与制作等等。

由于水深的不同，水下设备与甲板设备的通讯距离也不尽相同，因此从成本和通讯效果的考虑，PeneVector可以适应多种通讯方式：短距离以双绞线为通讯介质，采用RS485通讯方式；中等距离以同轴缆为通讯介质，采用CAN总线通讯方式；长距离以光纤为通讯介质，采用光纤以太网通讯方式。

为了在设备下放时更好的进行海底定位，可在PeneVector上安装声学定位信标，再结合船上D-GPS的定位即可非常精确的获得孔位坐标；而当海水透明度较高时，还可以配置水下照明灯和水下摄像机进行海底摄像，操作人员借助海底图像可以方便的选择合适的坐底地点。

图2  PeneVector海床式静力触探测控与通讯框图

⒊ 套管在深层静探中的作用

PeneVector-III与PeneVector-II在功能上最大的区别在于增加了套管贯入的功能。通过PeneVector-II近三年的使用经验，套管的贯入在深层探测，尤其是海底的深层探测中具有十分重要的作用，如图4所示，通常陆地的表层土较硬，能够在贯入过程中为探杆提供较强的径向约束，使得探杆能够保持竖直的贯入地层，贯入的作用力也能够通过探杆顺利的传递至探头；相反，海底的表层沉积物较软，且软层达到了10m、甚至20m以深，在通过软层后一旦遇到较硬地层时，由于探杆链路上下受力，中间缺少径向约束，则极易造成探杆链路中间弯曲变形，以至于发生探杆折断的事故；但若在静力触探过程中同时从贯入基准面（海床面）贯入套管，直至压入到较硬地层，则海底表层的较软沉积物无法提供给探杆的径向约束由套管来替代实现，尽量降低探杆折断的风险，且套管的的隔离使得探杆与沉积物的摩擦阻力大大降低。套管的贯入为探杆提供必要的径向约束，同时又降低了探杆与沉积物的摩擦阻力，因此也更加适合于海底深层探测的需求。

图3  套管在深层静力触探中的作用示意图 

四、PeneVector海床式静力触探系统

的工程应用

PeneVector海床式静力触探系统自成功研制以来，先后完成7个极具代表性的工程项目，累计完成海上施工70余个孔位，总进尺近2000米，安全、高效的完成了静力触探数据采集任务，获得交通、铁路、电力、国土、船舶重工等客户一致好评。在这些应用案例中，广州海洋地质调查局静力触探深水改造应用、“深中通道”静力触探勘察、江苏盐城海上风电场静力触探测试具有较好的代表性。

广州海洋地质调查局静力触探深水改造应用是以PeneVector为技术原型，对其所属浅海静力触探设备的升级改造，改造完成后于2016年10月在南海天然气水合物区开展了多个孔位的测试，这次测试是我国自主开展静力触探在天然气水合物赋存区实施区域地质调查和环境评价的首次应用；同时，工作区水深达到1480m，也是目前我国自主开展静力触探作业的最大水深。

“深中通道”静力触探勘察为国家重特大工程项目，为保证工程勘察质量，PeneVector与荷兰A.P.Vandenberg的静力触探探头以及Geomil公司平台式静力触探系统开展了一系列对比试验，图4、图5为其中的一组对比数据曲线，由此获得的地层分层、分类均与进口产品的结果表现出一致性，也与钻探取样获得的结果完全吻合。多次的对比试验验证了PeneVector的成熟、稳定，尤其是静探数据的真实、准确，也因此获得了业主的认可并在“深中通道”项目中首次使用PeneVector-III重型静力触探系统。

图4 “深中通道”项目PeneVector曲线 

图5  荷兰A.P.Vandenberg测试曲线

江苏盐城海上风电场静力触探要求探测深度达到75m，是对整套系统一次极其严苛的性能考验。前期的海上风电一般采用平台式静力触探与多层套管结合的方式，或者是调用专业钻探船采用井下式静力触探进行，而国内外的海床式静力触探系统均未有过超过70m的探深记录。2017年7月，在华东电力设计院的见证下，PeneVector-III采用套管贯入技术，两次达到75m探测深度，创造了我国境内海床式静力触探的探深新记录。

五、结论

PeneVector海床式静力触探系统在静力触探工艺的要求下，解决了水下设备液压动力、机械结构、电控通讯、防腐密封、静探数据采集等诸多关键技术问题，通过多项实际工程的应用，其技术不断升级完善，已具备成熟、稳定、真实、准确的特点，既能实现深海浅地层探测，又能满足浅海深地层勘察的需求，可应用于海洋桥梁隧道、港口码头、水利风电、石油平台、地质勘探、环境评价、科学研究以及海洋军事后勤保障等工程设施建设的地基勘察和检测评估，值得推广使用。

【作者简介】作者/刘雨 王春光 郑红剑，武汉磐索地勘科技有限公司；第一作者刘雨，男，1990年出生，湖北襄阳人，机械设计制造及其自动化学士，机械工程师，从事静力触探在海底应用的方向研究与实践。

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