淺談海底管道挖溝機(jī)在后挖溝中的應(yīng)用

淺談海底管道挖溝機(jī)在后挖溝中的應(yīng)用

海底管道是最經(jīng)濟(jì)有效的管道輸送海洋石油和天然氣的工具。為了保證海上運(yùn)輸?shù)陌踩?，必須將海上管道關(guān)閉。海底管道挖溝埋設(shè)一般采用預(yù)挖溝和后挖溝兩種方式。在海底管道登陸的近岸段水深較淺,一般采用預(yù)挖溝方式,而其他海洋段的管道一般采用后挖溝方式。目前,在后挖溝施工中普遍使用水力沖射海底管道挖溝機(jī)進(jìn)行開溝作業(yè)(圖1)。工作時(shí),水下挖溝機(jī)首先“騎”在海底管道上,并在管道的兩側(cè)利用高壓射流打散海底泥面,然后通過射流式泥漿泵將打散的泥沙及時(shí)排出工作區(qū)域以形成所需的溝形。1射流泵的組成海底管道挖溝機(jī)包括挖溝機(jī)機(jī)架、工作泵、射流泵、輸水管路等(圖2)。工作時(shí),工作泵在管道的兩側(cè)形成高壓射流打散海底泥面,射流泵將打散的泥沙及時(shí)排出工作區(qū)域以形成需要的溝形。射流泵主要由噴嘴、喉管、管路和輔助設(shè)備組成(圖3)。工作時(shí),流體從噴嘴高速噴出時(shí),在喉管入口處因周圍的空氣被射流卷走而形成真空,被輸送的流體即從吸泥口被吸入。兩股流體在喉管中混合并進(jìn)行動量交換,使被輸送流體的動能增加,最后通過擴(kuò)散管將大部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能。射流泵按介質(zhì)類型可分為液-液、液-固、氣-氣、氣-液等形式(表1)。1.1呼吸壓力和平均流量噴嘴直徑?jīng)Q定進(jìn)入喉管的傳動水量。噴嘴入口壓力越大,通過噴嘴的流量越大。常用尺寸噴嘴在不同液動壓力、不同直徑下有其對應(yīng)的實(shí)際流量值(表2)。1.2確定壓頭尺寸喉管直徑是控制射流泵特性曲線形狀的主要因素之一。直徑較小的喉管可獲得較高的壓頭,直徑較大的喉管可以增大流量,以消耗流量為代價(jià),使較大的固體顆粒通過,但壓頭損失較大。1.3擴(kuò)散管大小對其混合和反應(yīng)效果的影響擴(kuò)散管錐角決定著流體減速速率和渦流損失大小。角度越小,擴(kuò)散管越長,其混合和反應(yīng)效果越好,但其阻力降越大。角度越大,擴(kuò)散管越短,其混合和反應(yīng)效果越差,但其阻力降越小。因此,擴(kuò)散管角度一般取6°~8°為宜。2射流泵及噴沖流量參數(shù)海底管道挖溝機(jī)中的射流泵采用的是液體+泥漿的形式(泥漿射流泵),該裝置的基本參數(shù)為:(1)q1、q2分別為工作液體(射流)、被抽送液體的體積流量,m3/h;(2)uf0671、uf0672分別為工作液體(射流)、被抽送液體的容重,N/m3;(3)H1、H2分別為工作泵、射流泵揚(yáng)程,m;(4)fb、f0分別為喉管斷面、噴嘴出口斷面面積,m2;(5)qc、qn分別為噴沖流量、土方流量,m3/h。通常在描述射流泵的性能時(shí)采用無因次參數(shù),分別為:流量比q=q2/q1;揚(yáng)程比H=H2/H1;面積比m=fb/f0;容重比uf067s=uf0672/uf0671;噴沖流量與土方流量比q1n=qc/qn。上述物理量間存在以下關(guān)系:式中:uf072為液體密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;η為射流泵效率。3yqy、hy-m曲線針對不同的面積比m,計(jì)算射流泵所能達(dá)到的最大效率ηy(m),以及最大效率對應(yīng)的唯一的流量比qy和Hy,繪制ηy(qy、Hy)-m曲線(圖4、圖5)。對于給定的容重比uf067s,ηy(qy、Hy)-m曲線是特定的,如uf067s=1.3所對應(yīng)的ηy(qy、Hy)-m曲線(圖6)。假設(shè)要求的射流泵揚(yáng)程H2=7m,工作泵揚(yáng)程H1約為70m,通過圖5可確定對應(yīng)的面積比m=10,流量比q約為1.7,泵的效率η約為23%。4噴沖系統(tǒng)參數(shù)(1)首先計(jì)算挖溝機(jī)的最大土方流量qn,依據(jù)溝的截面面積和挖溝機(jī)的前進(jìn)速度,確定最大的土方流量qn=Astv,其中,Ast為溝的截面積;v為挖溝機(jī)的前進(jìn)速度。(2)根據(jù)確定的容重比uf067s值,在射流泵特性曲線(圖4)中選擇一個(gè)對應(yīng)的比值曲線,并在靠近最高效率點(diǎn)曲線上選取一點(diǎn),得出對應(yīng)的q、H、和m(圖5)。(3)噴沖流量qc與噴沖系統(tǒng)有關(guān),在進(jìn)行噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),qc已基本確定。因此,依據(jù)qc和之前求得的土方流量qn,得出射流體積流量q1=qc+qn。(4)根據(jù)實(shí)際施工中泥沙排出的位置確定射流泵的揚(yáng)程H2,然后依據(jù)步驟(2)所確定的揚(yáng)程比H,確定工作泵的揚(yáng)程H1。(5)根據(jù)工作泵揚(yáng)程和流量q1,從表2中選擇噴嘴直徑,即得到噴嘴斷面面積f0,根據(jù)步驟(2)所確定的面積比m,計(jì)算出喉管的斷面面積fb。(6)根據(jù)喉管尺寸確定擴(kuò)散管的尖端尺寸,根據(jù)錐角為8°的要求,可確定連接管的直徑,通常需要實(shí)驗(yàn)不同的組合,以達(dá)到連接管與工作泵的最佳匹配,并且使喉管的直徑足夠大以使固體通過。5射流泵特性計(jì)算法計(jì)算面積比比,按比例確定流量,根據(jù)壓力確定出的主要圖在進(jìn)行射流泵工作參數(shù)確定和設(shè)備選型的過程中,選擇最