桩腿内清淤装置设计与水射流分析

徐 戎，杨银欢，隋昱良，肖文生

(1.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226100； 2.广州打捞局，广州 510260； 3.中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)

海洋石油生产设备设计使用寿命一般为20 a，根据现行相关法律规定，海洋生产设施达到设计使用寿命后，若无其他用途，必须进行拆除。2002年我国国家海洋局颁布的《海洋石油平台弃置处置管理暂行办法》中规定：在领海以内海域进行全部拆除的平台，其残留海底的桩腿应当切割至海底泥面4 m以下[1-2]。桩腿内切割方式因具有作业效率高、风险低、经济性高等优点而被广泛采用。桩腿内切割前需要进行桩腿内杂质的清除工作，高效、安全的桩腿内清淤装置是海洋平台拆除作业的核心技术之一。水射流技术具有传递能量集中、无磨损和适应性强的特点[3]，在桩腿内清淤作业中具有很大的优势。

陈安明等[4]优化了射流破岩及冲击力测试装置，并通过试验验证了水射流围压对破岩冲蚀作用的影响；刘霄良等[5]通过数值模拟的方式分析了淹没环境对高压水射流的作用规律，研究了水射流的环境压力、射流压力及喷头直径对射流作用的影响；黄飞等[6]通过试验分析了不同形状喷嘴的水射流冲击特性，得到了冲击形态与射流冲击压力的变化规律；廖华林等[7]通过试验研究了淹没条件下射流压力、喷距、喷射角和作用时间对射流破岩效果的影响，得到了淹没条件下水射流破岩的最优喷距和喷射角；牛争鸣等[8]探讨了水力粉碎的机理，并通过试验的方式验证了高压水射流功率对水力粉碎效果的影响；池寅等[9]利用数值模拟的方式研究水射流冲埋海床土体的过程，得到射流压力与冲埋深度的变化规律。

本文设计的桩腿内水射流清淤装置利用高压水射流将桩腿内的杂质击碎，通过输送管道排到桩腿外部。为了获得桩腿内水射流流场的变化规律，基于淹没射流理论，运用Fluent仿真软件，对桩腿内水射流流场进行分析研究，得到了不同射流压力下流场的变化规律和不同距离靶面上射流动压，为桩腿内清淤流场的构型设计和优化提供理论依据。

1 桩腿内水射流清淤装置及计算模型

1.1 桩腿内水射流清淤装置

桩腿内水射流清淤装置由水射流系统、清淤泵、输送管道、固定与防护装置等4部分组成，其结构如图1所示。高压水射流由船载高压柱塞泵提供，经过高压管线与底部的多孔喷嘴，对平台桩腿底部的淤泥杂质进行水射流冲击破碎。底部杂质在高压水射流的连续作用下破碎并形成混合泥浆，混合泥浆通过清淤泵的输送管道排到桩腿外部。在清淤装置工作过程中，高压水射流具有2个作用：一是水射流对桩腿底部的淤泥等杂质的冲蚀作用，使淤泥等杂质破碎剥离；二是水射流的扰动作用使破碎的杂质形成均匀稳定的携砂泥浆。

1—喷头组；2—桩腿；3—清淤泵；4—固定与防护装置；5—排泥管道；6—高压水管；7—导流罩；8—淤泥、水泥块等杂质。

1.2 水射流喷头计算模型

水射流清淤装置采用多孔喷头，喷头结构如图2所示。每个喷头上共7个喷嘴，喷头上喷嘴的布置方式如图2a所示，喷头上的喷嘴按60°间隔方式排布，且每个喷嘴的轴线均通过喷头的轴线；喷头的结构尺寸如图2b所示，喷头入口直径为16 mm，喷嘴入口直径为6 mm，喷嘴出口直径为2 mm，轴线上的喷嘴口距喷头入口54 mm。

2 水射流仿真模型与参数

水射流仿真模型满足以下3个假设条件：

1) 射流的流体介质为不可压缩流体，且满足牛顿内摩擦定律。

2) 射流为连续稳定流体，环境介质与射流介质相同。

3) 射流周围环境压力不变，且只受重力作用。

图2 多孔喷头结构示意

2.1 控制方程与湍流模型

2.1.1 控制方程

由于所研究的水射流为连续稳定射流，且其体积压缩系数很小，可看作定常不可压缩流体，故其在直角坐标系下的连续性方程可表示为：

(1)

式中：ux、uy、uz分别为流体在x、y、z方向上的分速度，m/s。

射流介质为黏性流体，在射流流动时遵循牛顿第二定律，故在直角坐标系下运动方程为[10-11]：

(2)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；μ为动力黏性系数，Pa·s；p为压力，Pa。

2.1.2 湍流模型

工程中的射流均为湍流射流，为了能够更好地预测喷嘴处流场情况，选用标准的k-ε湍流模型进行水射流的模拟计算。湍流模型的湍动能k方程、耗散率ε方程为[12-13]：

(3)

(4)

其中：

(5)

式中：Gk为层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；ρε为耗散项；Ym为可压缩修正项；Sk和Sε为自定义源项。Cμ、σk、σε、Cε1、Cε2、Cε3均为常数，在Fluent中取默认值。

2.2 射流基本参数

喷嘴的射流模型可近似等效为孔口出流模型，根据孔口出流模型，利用伯努利方程与连续性方程，可推得喷嘴出口处流速计算式为[14]：

(6)

式中：Cv为流速系数，约为0.97～0.99；Δp为喷嘴出口两侧的压差，Pa；ρ为流体密度，kg/m3。

连续射流作用于靶面上的冲击压力是不随时间变化的恒定压力，即滞止压力[15-16]。在连续稳定的射流作用下，滞止压力等于水射流的中心动压。根据伯努利方程可得滞止压力为：

(7)

式中：ps为射流的滞止压力，Pa；v为射流流速，m/s。

3 喷头流场模拟分析

3.1 仿真条件设置

利用Mesh对水射流模型进行非结构网格划分，对喷嘴处网格进行局部加密，水射流流场网格模型如图3所示。采用压力入口与压力出口边界条件进行数值模拟，其出口压力设置为0 MPa，环境压力设置为一个标准大气压；考虑重力的作用，在y方向设置重力加速度为-9.81 m/s2。

3.2 射流压力对射流的影响研究

射流压力是影响水射流流速的重要参数。在20～200 MPa开展不同射流压力下水射流仿真分析，得到不同射流压力下水射流速度云图，如图4所示。由图4可知，喷头射流的流速云图关于喷头轴线对称；喷嘴口处水射流形成锥形等速核，其速度大小与喷嘴处速度大小相等；水射流离开喷嘴后，随着射流距离的增加，其流速逐渐降低，且射流范围呈扇形发散。

图3 水射流流场网格模型

根据仿真结果，对喷头轴线处水射流流速进行分析研究，并绘制出喷头轴线上不同射流压力下流速变化曲线，如图5所示。由图5可知，水射流在喷嘴处速度迅速提高，且到达喷嘴出口位置时射流速度达到最大值。射流压力从20～200 MPa的变化过程中，随着射流压力的不断增加，喷嘴出口处的射流速度不断提高，当射流压力达到200 MPa时，喷嘴出口处流速可达632 m/s。射流压力以20 MPa增幅变化过程中，随着射流压力的增加，喷嘴出口处射流速度的增幅变小。淹没环境对水射流有明显的削弱作用，且其喷嘴出口处射流速度越高，速度曲线变化越剧烈，对射流的削弱效果越明显。

利用式(6)，计算得到不同射流压力下喷嘴出口处流速的理论解，并与数值仿真结果进行了分析验证。不同射流压力下，喷嘴出口流速理论解与仿真解曲线如图6所示。由图6可知，数值仿真结果与理论计算的结果基本相等，数值仿真结果曲线与理论计算结果曲线变化规律基本一致，验证了仿真结果的准确性。

图4 水射流速度云图

图5 喷头轴线处不同射流压力下水射流流速变化曲线

图6 喷嘴出口流速理论解与仿真解曲线

3.3 射流距离对射流作用效果影响研究

射流速度随着射流距离的增加而减小，且射流速度与靶面上射流的滞止压力密切相关。控制射流压力为200 MPa，对射流距离与射流动压进行分析，得到不同距离的靶面上射流动压分布如图7所示。

图7 不同距离的靶面上动压云图

由图7可知，当射流压力一定时，随着射流距离的增大，靶面上射流动压明显降低，但射流作用面积逐渐增大。对于桩腿内不同性质的杂质，可通过改变射流距离来完成杂质的破碎清除。当射流距离为20 mm时，射流动压可达46.1 MPa，可将桩腿内水泥、石块等杂质冲击破碎。当射流距离为100 mm时，喷头上各喷嘴在靶面上的作用范围基本重合，可实现黏性土等易碎杂质的大面积清除。

4 结论

1) 淹没环境对水射流有明显的削弱作用，且射流流速越高，射流流速衰减越快，削弱作用越明显。

2) 水射流流速在喷嘴位置迅速增大，且到达喷嘴口位置时达到最大值。喷嘴口位置存在锥形等速核，其速度大小与喷嘴出口流速相等。

3) 水射流的速度随射流压力的增大而增大，射流压力越大，水射流的速度越高，射流打击效果越好。

4) 当射流压力一定时，靶面上射流的动压与射流距离呈负相关，射流作用面积与射流距离呈正相关。射流压力对射流作用效果的影响规律可为桩腿内水射流清淤装置设计与作业提供理论依据。