海底射流开沟机模型试验及效果分析

李振旺,赵淮宾,于宗冰,3,邹 丽,王 凯,曹 林

(1. 中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214000; 2. 大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 116024; 3. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024; 4. 中国造船工程学会,北京 100861)

0 引 言

随着海上风电和跨洋通信的发展,海底电缆、光缆在保障能源和数据安全、稳定、高效传输中扮演着越来越重要的角色[1～3]。海底管道运输是海洋油气运输中最快捷、经济、可靠的方式,被称为海洋油气田生命线[4、 5]。海底电缆和油气管道对数据传输和油气资源的运输有着非常重要的战略意义,而且随着对海洋开发利用的不断加深,海底管线埋设路线会与人类活动频繁的区域产生交集,例如海运航道、围海造陆工程、捕鱼活动区以及船舶锚泊区,这些人类活动严重威胁了海底缆线的安全[6]。在海底开沟将管线埋设一定深度,可以提高管线的稳定性并防止外部机械损伤,这也是海底缆线和油气管道防护措施中最经济、最有效的方法[7～9]。

现今用于电缆和油气管线埋设的开沟方式有以下3种:犁式开沟、机械式开沟和喷射式开沟[10～12]。不同的开沟方式意味着设计理念与应用范围也不相同[13]。相较于其他两种开沟机,喷射式挖沟机结构简单、重量小;不容易受深海海流影响,维修成本低;不需要母船拖行,有自主行进能力;作业过程中噪音小,对周围环境的干扰小;还可以用于海底管道的维修。目前,国内自主研制的开沟机仍以喷射式为主,但往往存在效率低、故障率高、作业水深浅等缺点[14～16]。基于理论与概念模型的研究[17～19],设计了一种兼具射流开沟和自主推进的水下射流式开沟机,具有结构轻巧、适应性强、效率高、成本低的优点。本文介绍了模型的结构设计以及测试设备,并通过改变喷射臂和喷嘴角度进行试验,研究了开沟机在不同影响因素下的水下开沟效果,以此为依据优化了开沟机的技术性能。

1 模型设计

开沟机模型(图1)由支撑架、进流管道、喷冲臂、支撑轮组成。支撑架选用密度2720kg/m3的铝型材作为主体材料,框架的组装采用可调节式连接单元、焊接、定位螺栓等连接方式,如图2所示。铝型材之间用与其相匹配的特制螺母及连接单元连接,支撑轮的轮轴以焊接的方式安装在铝型材上,喷冲臂由定位螺栓固定在支撑架上。进流管道与前、后喷嘴以及管路连接件皆选用承压极限为1MPa的PVC材料;前置喷嘴与后置喷嘴通过两通、三通等连接件布置在进流管道上,并在连接处加装阀门,用于调节前后喷嘴的流量。进流管道与喷冲臂之间的连接部件采用一种可变形的钢丝软管,可以配合试验中喷冲臂的调节。通过绑扎的方式将进流管道固定在铝型材框架上,完成试验模型的组装,模型参数如表1所示。

图1 开沟机原理样机模型设计示意图Fig.1 Schematic diagram of prototype design of ditching machine

图2 开沟机的加工、组装Fig.2 Processing and assembly of ditching machine

表1 开沟机模型参数Tab.1 Ditching machine model parameters

喷冲臂及喷嘴是开沟机模型最重要的部件,其精度及质量会直接影响到开沟机工作的效果。前置喷嘴用于冲沟,15个喷嘴从上至下等间距布置在喷射臂上,如图3所示。采用直径为2cm的渐缩式标准喷嘴;后置喷嘴设计为1.5cm,为开沟机提供前进动力。

图3 喷嘴布置图Fig.3 Nozzle layout

2 试验设置

试验内容主要包括破土效果试验、自主推进开沟试验和参数调节优化试验,如图4所示。首先开展破土效果试验,用于验证在管道流量达到50m3/h时,开沟机能否破坏抗剪强度为8kPa的沙土;自主推进开沟试验用于验证开沟机在水下能否实现自主推进开沟作业;最后,考虑到开沟机行进速度的大小是影响其开沟能力的重要因素[20],且埋深是海底电缆和油气管线埋设工程中较为重要的参数,故开展参数调节优化试验,探究开沟机的作业性能。

(a) 破土效果试验(b) 自主推进开沟试验(c) 参数调节优化试验图4 试验内容安排Fig.4 Arrangement of test contents

自主推进开沟试验装置主要包括试验水池、供水池、水泵、水流管路、传送滑道、喷冲机构,测量仪器为剪切仪、流量计、自制的沟型测深杆等,如图5所示。试验方案如图6所示,先将开沟机模型放置于在试验水池中,向水池中注水使开沟机处于被淹没状态。然后,送水泵通过管路将供水池中的水输送至模型中,模型通过高速射流实现水下冲刷破土开沟,并借助射流的反作用力实现自主推进。此时,可借助流量计测得管道内的流量、流速,并以录像的形式记录开沟机的行走状态,可计算其开沟速度,利用测深杆可以在开沟机自主推进开沟的过程中测量其不同位移处的水下沟形,如图7所示。

(a) 微型十字板剪切仪(b) 超声式管道流量计(c) 测深杆图5 测量设备Fig.5 Measuring equipment

图6 自主推进开沟试验布置方案示意图Fig.6 The schematic diagram of self-propelled ditching test layout

图7 测深杆测量水下沟形Fig.7 The sounder measures the shape of the underwater trench

在参数调节优化试验中,设置喷冲臂与水平面之间的夹角分别为29°、39°、49°,设置喷嘴全部垂向地面或者交替向内倾斜30°,如图8所示,参数设置如表2所示,比较开沟机的行进速度与所测沟形的最大深度,选取最佳功能参数。

图8 喷冲臂角度调节和喷嘴的垂向、交替布置Fig.8 The angle adjustment of the spray arm and the vertical and alternate arrangement of the nozzle

表2 工况参数设置Tab.2 The parameter setting of working condition

3 试验结果与分析

在开沟机破土效果试验中,开沟机喷冲臂冲刷的沟形深度为0.36m,宽度为0.41m,冲沟两侧基本垂直,且能够在一定时间内保持沟形,如图9所示,验证了在管道流量达到50m3/h时,开沟机可以破坏抗剪强度为8kPa的沙土。在开沟机自主推进开沟试验中,所设计的海底射流开沟机在淹没、无外力牵引状态下实现了自主推进射流破土开沟,如图10所示。

图9 破土效果试验沟形Fig.9 Soil breaking effect test groove shape

在开沟机相关参数优化试验中,用测深杆测得开沟机在6个工况下3个等间距不同位置处的水下沟形,如图11所示。总体上看,各工况下的沟形基本呈倒梯形,且在同一工况下对比3个位置处的沟形可以看出:随着开沟机的前进与远离,沟形深度逐渐减小。这是由于开沟机由静止开始运动,速度缓慢增加最终到达稳定状态,单位时间内作用于沙土的水量逐渐减少,所以出现了深度逐渐减小的现象。

图11 1～6工况下等间距三个不同位置处的沟形Fig.11 Groove shape at three different positions with equal spacing under working conditions 1—6

通过录像时长与行进距离计算得出各工况下开沟机的行进速度,并对比各工况下开沟机冲刷所测得的最大沟深,如图12所示。可以看出,在各个工况下开沟机的行进速度都大于200m/h,最大行进速度达到362m/h。在最大开沟深度方面,工况6中开沟机冲出的沟形最深达到0.41m。整体来说,喷嘴交替布置有利于提升开沟机的行进速度与开沟深度,一定程度上优化了开沟机的性能。

图12 各个工况下开沟机的平均行进速度与最大开沟深度Fig.12 The average speed and maximum depth of ditching machine under each working condition

各工况下实测沟形的最大深度皆超过0.35m,平均深度达到0.38m;在调节开沟机喷冲臂与水平面夹角过程中,测得最大型深为0.6m,并实现了在淹没状态下拥有一定的行进速度。另外,考虑到水下沟形两侧的泥沙会向沟中回淤,并且提供推进动力的水平射流会促使冲起的悬浮泥沙在开沟机的后方形成堆积,故开沟机冲出的实时沟形应该拥有更大的深度。因此,判断所设计的开沟机在管道流量50m3/h的情况下,稳定开沟深度可达0.4m,如图13所示。

图13 推测开沟机所冲刷的实际沟形Fig.13 Infer the actual groove shape scoured by the ditcher

4 结 论

根据需求,设计、加工了一款具备质量轻、易操作的自主推进式水下射流开沟机,通过破土效果试验与自主推进开沟试验,验证了开沟机可破坏抗剪强度为8kPa的土体,并可持续稳定地进行水下自主推进开沟作业。

参数调节优化试验验证了开沟机在各工况下的平均行进速度都在200m/h以上,最大行进速度为362m/h,实测最大开沟深度为0.41m,在考虑泥沙淤积的情况下,开沟机可达到0.4m的稳定开沟深度。综合来看,当开沟机的喷冲臂与水平面之间的夹角为29°,喷嘴交替向内倾斜30°时,行进速度为324m/h,开沟深度达到0.41m,性能相对最佳。

在实际工程应用中,射流式开沟机的工作是一个十分复杂的过程,涉及了淹没射流、泥沙冲刷、泥沙输运、射流推进等相关过程。本文仅通过模型试验验证了所设计的开沟机自主推进开沟的可行性,但模型试验与实际工程施工存在一定的比例换算关系,无法完全呈现原型机施工时可能出现的所有问题,故仍需进一步开展研究,优化该型产品的性能。