李振旺,趙淮賓,于宗冰,3,鄒 麗,王 凱,曹 林

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫 214000; 2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024; 3. 大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024; 4. 中國造船工程學(xué)會(huì),北京 100861)

0 引 言

隨著海上風(fēng)電和跨洋通信的發(fā)展,海底電纜、光纜在保障能源和數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、高效傳輸中扮演著越來越重要的角色[1～3]。海底管道運(yùn)輸是海洋油氣運(yùn)輸中最快捷、經(jīng)濟(jì)、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(duì)數(shù)據(jù)傳輸和油氣資源的運(yùn)輸有著非常重要的戰(zhàn)略意義,而且隨著對(duì)海洋開發(fā)利用的不斷加深,海底管線埋設(shè)路線會(huì)與人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域產(chǎn)生交集,例如海運(yùn)航道、圍海造陸工程、捕魚活動(dòng)區(qū)以及船舶錨泊區(qū),這些人類活動(dòng)嚴(yán)重威脅了海底纜線的安全[6]。在海底開溝將管線埋設(shè)一定深度,可以提高管線的穩(wěn)定性并防止外部機(jī)械損傷,這也是海底纜線和油氣管道防護(hù)措施中最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法[7～9]。

現(xiàn)今用于電纜和油氣管線埋設(shè)的開溝方式有以下3種:犁式開溝、機(jī)械式開溝和噴射式開溝[10～12]。不同的開溝方式意味著設(shè)計(jì)理念與應(yīng)用范圍也不相同[13]。相較于其他兩種開溝機(jī),噴射式挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)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(jìn)能力;作業(yè)過程中噪音小,對(duì)周圍環(huán)境的干擾小;還可以用于海底管道的維修。目前,國內(nèi)自主研制的開溝機(jī)仍以噴射式為主,但往往存在效率低、故障率高、作業(yè)水深淺等缺點(diǎn)[14～16]?；诶碚撆c概念模型的研究[17～19],設(shè)計(jì)了一種兼具射流開溝和自主推進(jìn)的水下射流式開溝機(jī),具有結(jié)構(gòu)輕巧、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及測試設(shè)備,并通過改變噴射臂和噴嘴角度進(jìn)行試驗(yàn),研究了開溝機(jī)在不同影響因素下的水下開溝效果,以此為依據(jù)優(yōu)化了開溝機(jī)的技術(shù)性能。

1 模型設(shè)計(jì)

開溝機(jī)模型(圖1)由支撐架、進(jìn)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(diào)節(jié)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(jìn)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(jìn)流管道上,并在連接處加裝閥門,用于調(diào)節(jié)前后噴嘴的流量。進(jìn)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(yàn)中噴沖臂的調(diào)節(jié)。通過綁扎的方式將進(jìn)流管道固定在鋁型材框架上,完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕M裝,模型參數(shù)如表1所示。

圖1 開溝機(jī)原理樣機(jī)模型設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of prototype design of ditching machine

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

表1 開溝機(jī)模型參數(shù)Tab.1 Ditching machine model parameters

噴沖臂及噴嘴是開溝機(jī)模型最重要的部件,其精度及質(zhì)量會(huì)直接影響到開溝機(jī)工作的效果。前置噴嘴用于沖溝,15個(gè)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(biāo)準(zhǔn)噴嘴;后置噴嘴設(shè)計(jì)為1.5cm,為開溝機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力。

圖3 噴嘴布置圖Fig.3 Nozzle layout

2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括破土效果試驗(yàn)、自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)和參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化試驗(yàn),如圖4所示。首先開展破土效果試驗(yàn),用于驗(yàn)證在管道流量達(dá)到50m3/h時(shí),開溝機(jī)能否破壞抗剪強(qiáng)度為8kPa的沙土;自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)用于驗(yàn)證開溝機(jī)在水下能否實(shí)現(xiàn)自主推進(jìn)開溝作業(yè);最后,考慮到開溝機(jī)行進(jìn)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(shè)工程中較為重要的參數(shù),故開展參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化試驗(yàn),探究開溝機(jī)的作業(yè)性能。

(a) 破土效果試驗(yàn)(b) 自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)(c) 參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化試驗(yàn)圖4 試驗(yàn)內(nèi)容安排Fig.4 Arrangement of test contents

自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)裝置主要包括試驗(yàn)水池、供水池、水泵、水流管路、傳送滑道、噴沖機(jī)構(gòu),測量儀器為剪切儀、流量計(jì)、自制的溝型測深桿等,如圖5所示。試驗(yàn)方案如圖6所示,先將開溝機(jī)模型放置于在試驗(yàn)水池中,向水池中注水使開溝機(jī)處于被淹沒狀態(tài)。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(shí)現(xiàn)水下沖刷破土開溝,并借助射流的反作用力實(shí)現(xiàn)自主推進(jìn)。此時(shí),可借助流量計(jì)測得管道內(nèi)的流量、流速,并以錄像的形式記錄開溝機(jī)的行走狀態(tài),可計(jì)算其開溝速度,利用測深桿可以在開溝機(jī)自主推進(jìn)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(jì)(c) 測深桿圖5 測量設(shè)備Fig.5 Measuring equipment

圖6 自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)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(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化試驗(yàn)中,設(shè)置噴沖臂與水平面之間的夾角分別為29°、39°、49°,設(shè)置噴嘴全部垂向地面或者交替向內(nèi)傾斜30°,如圖8所示,參數(shù)設(shè)置如表2所示,比較開溝機(jī)的行進(jìn)速度與所測溝形的最大深度,選取最佳功能參數(shù)。

圖8 噴沖臂角度調(diào)節(jié)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(shù)設(shè)置Tab.2 The parameter setting of working condition

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在開溝機(jī)破土效果試驗(yàn)中,開溝機(jī)噴沖臂沖刷的溝形深度為0.36m,寬度為0.41m,沖溝兩側(cè)基本垂直,且能夠在一定時(shí)間內(nèi)保持溝形,如圖9所示,驗(yàn)證了在管道流量達(dá)到50m3/h時(shí),開溝機(jī)可以破壞抗剪強(qiáng)度為8kPa的沙土。在開溝機(jī)自主推進(jìn)開溝試驗(yàn)中,所設(shè)計(jì)的海底射流開溝機(jī)在淹沒、無外力牽引狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了自主推進(jìn)射流破土開溝,如圖10所示。

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

在開溝機(jī)相關(guān)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中,用測深桿測得開溝機(jī)在6個(gè)工況下3個(gè)等間距不同位置處的水下溝形,如圖11所示?？傮w上看,各工況下的溝形基本呈倒梯形,且在同一工況下對(duì)比3個(gè)位置處的溝形可以看出:隨著開溝機(jī)的前進(jìn)與遠(yuǎn)離,溝形深度逐漸減小。這是由于開溝機(jī)由靜止開始運(yùn)動(dòng),速度緩慢增加最終到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),單位時(shí)間內(nèi)作用于沙土的水量逐漸減少,所以出現(xiàn)了深度逐漸減小的現(xiàn)象。

圖11 1～6工況下等間距三個(gè)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(shí)長與行進(jìn)距離計(jì)算得出各工況下開溝機(jī)的行進(jìn)速度,并對(duì)比各工況下開溝機(jī)沖刷所測得的最大溝深,如圖12所示?？梢钥闯?在各個(gè)工況下開溝機(jī)的行進(jìn)速度都大于200m/h,最大行進(jìn)速度達(dá)到362m/h。在最大開溝深度方面,工況6中開溝機(jī)沖出的溝形最深達(dá)到0.41m。整體來說,噴嘴交替布置有利于提升開溝機(jī)的行進(jìn)速度與開溝深度,一定程度上優(yōu)化了開溝機(jī)的性能。

圖12 各個(gè)工況下開溝機(jī)的平均行進(jìn)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(shí)測溝形的最大深度皆超過0.35m,平均深度達(dá)到0.38m;在調(diào)節(jié)開溝機(jī)噴沖臂與水平面夾角過程中,測得最大型深為0.6m,并實(shí)現(xiàn)了在淹沒狀態(tài)下?lián)碛幸欢ǖ男羞M(jìn)速度。另外,考慮到水下溝形兩側(cè)的泥沙會(huì)向溝中回淤,并且提供推進(jìn)動(dòng)力的水平射流會(huì)促使沖起的懸浮泥沙在開溝機(jī)的后方形成堆積,故開溝機(jī)沖出的實(shí)時(shí)溝形應(yīng)該擁有更大的深度。因此,判斷所設(shè)計(jì)的開溝機(jī)在管道流量50m3/h的情況下,穩(wěn)定開溝深度可達(dá)0.4m,如圖13所示。

圖13 推測開溝機(jī)所沖刷的實(shí)際溝形Fig.13 Infer the actual groove shape scoured by the ditcher

4 結(jié) 論

根據(jù)需求,設(shè)計(jì)、加工了一款具備質(zhì)量輕、易操作的自主推進(jìn)式水下射流開溝機(jī),通過破土效果試驗(yàn)與自主推進(jìn)開溝試驗(yàn),驗(yàn)證了開溝機(jī)可破壞抗剪強(qiáng)度為8kPa的土體,并可持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行水下自主推進(jìn)開溝作業(yè)。

參數(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證了開溝機(jī)在各工況下的平均行進(jìn)速度都在200m/h以上,最大行進(jìn)速度為362m/h,實(shí)測最大開溝深度為0.41m,在考慮泥沙淤積的情況下,開溝機(jī)可達(dá)到0.4m的穩(wěn)定開溝深度。綜合來看,當(dāng)開溝機(jī)的噴沖臂與水平面之間的夾角為29°,噴嘴交替向內(nèi)傾斜30°時(shí),行進(jìn)速度為324m/h,開溝深度達(dá)到0.41m,性能相對(duì)最佳。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,射流式開溝機(jī)的工作是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,涉及了淹沒射流、泥沙沖刷、泥沙輸運(yùn)、射流推進(jìn)等相關(guān)過程。本文僅通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的開溝機(jī)自主推進(jìn)開溝的可行性,但模型試驗(yàn)與實(shí)際工程施工存在一定的比例換算關(guān)系,無法完全呈現(xiàn)原型機(jī)施工時(shí)可能出現(xiàn)的所有問題,故仍需進(jìn)一步開展研究,優(yōu)化該型產(chǎn)品的性能。