海底射流開溝機模型試驗及效果分析

李振旺,趙淮賓,于宗冰,3,鄒 麗,王 凱,曹 林

(1. 中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫 214000; 2. 大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024; 4. 中國造船工程學會,北京 100861)

0 引 言

隨著海上風電和跨洋通信的發展,海底電纜、光纜在保障能源和數據安全、穩定、高效傳輸中扮演著越來越重要的角色[1～3]。海底管道運輸是海洋油氣運輸中最快捷、經濟、可靠的方式,被稱為海洋油氣田生命線[4、 5]。海底電纜和油氣管道對數據傳輸和油氣資源的運輸有著非常重要的戰略意義,而且隨著對海洋開發利用的不斷加深,海底管線埋設路線會與人類活動頻繁的區域產生交集,例如海運航道、圍海造陸工程、捕魚活動區以及船舶錨泊區,這些人類活動嚴重威脅了海底纜線的安全[6]。在海底開溝將管線埋設一定深度,可以提高管線的穩定性并防止外部機械損傷,這也是海底纜線和油氣管道防護措施中最經濟、最有效的方法[7～9]。

現今用于電纜和油氣管線埋設的開溝方式有以下3種:犁式開溝、機械式開溝和噴射式開溝[10～12]。不同的開溝方式意味著設計理念與應用范圍也不相同[13]。相較于其他兩種開溝機,噴射式挖溝機結構簡單、重量小;不容易受深海海流影響,維修成本低;不需要母船拖行,有自主行進能力;作業過程中噪音小,對周圍環境的干擾小;還可以用于海底管道的維修。目前,國內自主研制的開溝機仍以噴射式為主,但往往存在效率低、故障率高、作業水深淺等缺點[14～16]。基于理論與概念模型的研究[17～19],設計了一種兼具射流開溝和自主推進的水下射流式開溝機,具有結構輕巧、適應性強、效率高、成本低的優點。本文介紹了模型的結構設計以及測試設備,并通過改變噴射臂和噴嘴角度進行試驗,研究了開溝機在不同影響因素下的水下開溝效果,以此為依據優化了開溝機的技術性能。

1 模型設計

開溝機模型(圖1)由支撐架、進流管道、噴沖臂、支撐輪組成。支撐架選用密度2720kg/m3的鋁型材作為主體材料,框架的組裝采用可調節式連接單元、焊接、定位螺栓等連接方式,如圖2所示。鋁型材之間用與其相匹配的特制螺母及連接單元連接,支撐輪的輪軸以焊接的方式安裝在鋁型材上,噴沖臂由定位螺栓固定在支撐架上。進流管道與前、后噴嘴以及管路連接件皆選用承壓極限為1MPa的PVC材料;前置噴嘴與后置噴嘴通過兩通、三通等連接件布置在進流管道上,并在連接處加裝閥門,用于調節前后噴嘴的流量。進流管道與噴沖臂之間的連接部件采用一種可變形的鋼絲軟管,可以配合試驗中噴沖臂的調節。通過綁扎的方式將進流管道固定在鋁型材框架上,完成試驗模型的組裝,模型參數如表1所示。

圖1 開溝機原理樣機模型設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of prototype design of ditching machine

圖2 開溝機的加工、組裝Fig.2 Processing and assembly of ditching machine

表1 開溝機模型參數Tab.1 Ditching machine model parameters

噴沖臂及噴嘴是開溝機模型最重要的部件,其精度及質量會直接影響到開溝機工作的效果。前置噴嘴用于沖溝,15個噴嘴從上至下等間距布置在噴射臂上,如圖3所示。采用直徑為2cm的漸縮式標準噴嘴;后置噴嘴設計為1.5cm,為開溝機提供前進動力。

圖3 噴嘴布置圖Fig.3 Nozzle layout

2 試驗設置

試驗內容主要包括破土效果試驗、自主推進開溝試驗和參數調節優化試驗,如圖4所示。首先開展破土效果試驗,用于驗證在管道流量達到50m3/h時,開溝機能否破壞抗剪強度為8kPa的沙土;自主推進開溝試驗用于驗證開溝機在水下能否實現自主推進開溝作業;最后,考慮到開溝機行進速度的大小是影響其開溝能力的重要因素[20],且埋深是海底電纜和油氣管線埋設工程中較為重要的參數,故開展參數調節優化試驗,探究開溝機的作業性能。

(a) 破土效果試驗(b) 自主推進開溝試驗(c) 參數調節優化試驗圖4 試驗內容安排Fig.4 Arrangement of test contents

自主推進開溝試驗裝置主要包括試驗水池、供水池、水泵、水流管路、傳送滑道、噴沖機構,測量儀器為剪切儀、流量計、自制的溝型測深桿等,如圖5所示。試驗方案如圖6所示,先將開溝機模型放置于在試驗水池中,向水池中注水使開溝機處于被淹沒狀態。然后,送水泵通過管路將供水池中的水輸送至模型中,模型通過高速射流實現水下沖刷破土開溝,并借助射流的反作用力實現自主推進。此時,可借助流量計測得管道內的流量、流速,并以錄像的形式記錄開溝機的行走狀態,可計算其開溝速度,利用測深桿可以在開溝機自主推進開溝的過程中測量其不同位移處的水下溝形,如圖7所示。

(a) 微型十字板剪切儀(b) 超聲式管道流量計(c) 測深桿圖5 測量設備Fig.5 Measuring equipment

圖6 自主推進開溝試驗布置方案示意圖Fig.6 The schematic diagram of self-propelled ditching test layout

圖7 測深桿測量水下溝形Fig.7 The sounder measures the shape of the underwater trench

在參數調節優化試驗中,設置噴沖臂與水平面之間的夾角分別為29°、39°、49°,設置噴嘴全部垂向地面或者交替向內傾斜30°,如圖8所示,參數設置如表2所示,比較開溝機的行進速度與所測溝形的最大深度,選取最佳功能參數。

圖8 噴沖臂角度調節和噴嘴的垂向、交替布置Fig.8 The angle adjustment of the spray arm and the vertical and alternate arrangement of the nozzle

表2 工況參數設置Tab.2 The parameter setting of working condition

3 試驗結果與分析

在開溝機破土效果試驗中,開溝機噴沖臂沖刷的溝形深度為0.36m,寬度為0.41m,沖溝兩側基本垂直,且能夠在一定時間內保持溝形,如圖9所示,驗證了在管道流量達到50m3/h時,開溝機可以破壞抗剪強度為8kPa的沙土。在開溝機自主推進開溝試驗中,所設計的海底射流開溝機在淹沒、無外力牽引狀態下實現了自主推進射流破土開溝,如圖10所示。

圖9 破土效果試驗溝形Fig.9 Soil breaking effect test groove shape

在開溝機相關參數優化試驗中,用測深桿測得開溝機在6個工況下3個等間距不同位置處的水下溝形,如圖11所示。總體上看,各工況下的溝形基本呈倒梯形,且在同一工況下對比3個位置處的溝形可以看出:隨著開溝機的前進與遠離,溝形深度逐漸減小。這是由于開溝機由靜止開始運動,速度緩慢增加最終到達穩定狀態,單位時間內作用于沙土的水量逐漸減少,所以出現了深度逐漸減小的現象。

圖11 1～6工況下等間距三個不同位置處的溝形Fig.11 Groove shape at three different positions with equal spacing under working conditions 1—6

通過錄像時長與行進距離計算得出各工況下開溝機的行進速度,并對比各工況下開溝機沖刷所測得的最大溝深,如圖12所示。可以看出,在各個工況下開溝機的行進速度都大于200m/h,最大行進速度達到362m/h。在最大開溝深度方面,工況6中開溝機沖出的溝形最深達到0.41m。整體來說,噴嘴交替布置有利于提升開溝機的行進速度與開溝深度,一定程度上優化了開溝機的性能。

圖12 各個工況下開溝機的平均行進速度與最大開溝深度Fig.12 The average speed and maximum depth of ditching machine under each working condition

各工況下實測溝形的最大深度皆超過0.35m,平均深度達到0.38m;在調節開溝機噴沖臂與水平面夾角過程中,測得最大型深為0.6m,并實現了在淹沒狀態下擁有一定的行進速度。另外,考慮到水下溝形兩側的泥沙會向溝中回淤,并且提供推進動力的水平射流會促使沖起的懸浮泥沙在開溝機的后方形成堆積,故開溝機沖出的實時溝形應該擁有更大的深度。因此,判斷所設計的開溝機在管道流量50m3/h的情況下,穩定開溝深度可達0.4m,如圖13所示。

圖13 推測開溝機所沖刷的實際溝形Fig.13 Infer the actual groove shape scoured by the ditcher

4 結 論

根據需求,設計、加工了一款具備質量輕、易操作的自主推進式水下射流開溝機,通過破土效果試驗與自主推進開溝試驗,驗證了開溝機可破壞抗剪強度為8kPa的土體,并可持續穩定地進行水下自主推進開溝作業。

參數調節優化試驗驗證了開溝機在各工況下的平均行進速度都在200m/h以上,最大行進速度為362m/h,實測最大開溝深度為0.41m,在考慮泥沙淤積的情況下,開溝機可達到0.4m的穩定開溝深度。綜合來看,當開溝機的噴沖臂與水平面之間的夾角為29°,噴嘴交替向內傾斜30°時,行進速度為324m/h,開溝深度達到0.41m,性能相對最佳。

在實際工程應用中,射流式開溝機的工作是一個十分復雜的過程,涉及了淹沒射流、泥沙沖刷、泥沙輸運、射流推進等相關過程。本文僅通過模型試驗驗證了所設計的開溝機自主推進開溝的可行性,但模型試驗與實際工程施工存在一定的比例換算關系,無法完全呈現原型機施工時可能出現的所有問題,故仍需進一步開展研究,優化該型產品的性能。