浅谈海底管道挖沟机在后挖沟中的应用

浅谈海底管道挖沟机在后挖沟中的应用

海底管道是最经济有效的管道输送海洋石油和天然气的工具。为了保证海上运输的安全，必须将海上管道关闭。海底管道挖沟埋设一般采用预挖沟和后挖沟两种方式。在海底管道登陆的近岸段水深较浅,一般采用预挖沟方式,而其他海洋段的管道一般采用后挖沟方式。目前,在后挖沟施工中普遍使用水力冲射海底管道挖沟机进行开沟作业(图1)。工作时,水下挖沟机首先“骑”在海底管道上,并在管道的两侧利用高压射流打散海底泥面,然后通过射流式泥浆泵将打散的泥沙及时排出工作区域以形成所需的沟形。1射流泵的组成海底管道挖沟机包括挖沟机机架、工作泵、射流泵、输水管路等(图2)。工作时,工作泵在管道的两侧形成高压射流打散海底泥面,射流泵将打散的泥沙及时排出工作区域以形成需要的沟形。射流泵主要由喷嘴、喉管、管路和辅助设备组成(图3)。工作时,流体从喷嘴高速喷出时,在喉管入口处因周围的空气被射流卷走而形成真空,被输送的流体即从吸泥口被吸入。两股流体在喉管中混合并进行动量交换,使被输送流体的动能增加,最后通过扩散管将大部分动能转换为压力能。射流泵按介质类型可分为液-液、液-固、气-气、气-液等形式(表1)。1.1呼吸压力和平均流量喷嘴直径决定进入喉管的传动水量。喷嘴入口压力越大,通过喷嘴的流量越大。常用尺寸喷嘴在不同液动压力、不同直径下有其对应的实际流量值(表2)。1.2确定压头尺寸喉管直径是控制射流泵特性曲线形状的主要因素之一。直径较小的喉管可获得较高的压头,直径较大的喉管可以增大流量,以消耗流量为代价,使较大的固体颗粒通过,但压头损失较大。1.3扩散管大小对其混合和反应效果的影响扩散管锥角决定着流体减速速率和涡流损失大小。角度越小,扩散管越长,其混合和反应效果越好,但其阻力降越大。角度越大,扩散管越短,其混合和反应效果越差,但其阻力降越小。因此,扩散管角度一般取6°~8°为宜。2射流泵及喷冲流量参数海底管道挖沟机中的射流泵采用的是液体+泥浆的形式(泥浆射流泵),该装置的基本参数为:(1)q1、q2分别为工作液体(射流)、被抽送液体的体积流量,m3/h;(2)uf0671、uf0672分别为工作液体(射流)、被抽送液体的容重,N/m3;(3)H1、H2分别为工作泵、射流泵扬程,m;(4)fb、f0分别为喉管断面、喷嘴出口断面面积,m2;(5)qc、qn分别为喷冲流量、土方流量,m3/h。通常在描述射流泵的性能时采用无因次参数,分别为:流量比q=q2/q1;扬程比H=H2/H1;面积比m=fb/f0;容重比uf067s=uf0672/uf0671;喷冲流量与土方流量比q1n=qc/qn。上述物理量间存在以下关系:式中:uf072为液体密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;η为射流泵效率。3yqy、hy-m曲线针对不同的面积比m,计算射流泵所能达到的最大效率ηy(m),以及最大效率对应的唯一的流量比qy和Hy,绘制ηy(qy、Hy)-m曲线(图4、图5)。对于给定的容重比uf067s,ηy(qy、Hy)-m曲线是特定的,如uf067s=1.3所对应的ηy(qy、Hy)-m曲线(图6)。假设要求的射流泵扬程H2=7m,工作泵扬程H1约为70m,通过图5可确定对应的面积比m=10,流量比q约为1.7,泵的效率η约为23%。4喷冲系统参数(1)首先计算挖沟机的最大土方流量qn,依据沟的截面面积和挖沟机的前进速度,确定最大的土方流量qn=Astv,其中,Ast为沟的截面积;v为挖沟机的前进速度。(2)根据确定的容重比uf067s值,在射流泵特性曲线(图4)中选择一个对应的比值曲线,并在靠近最高效率点曲线上选取一点,得出对应的q、H、和m(图5)。(3)喷冲流量qc与喷冲系统有关,在进行喷冲系统设计时,qc已基本确定。因此,依据qc和之前求得的土方流量qn,得出射流体积流量q1=qc+qn。(4)根据实际施工中泥沙排出的位置确定射流泵的扬程H2,然后依据步骤(2)所确定的扬程比H,确定工作泵的扬程H1。(5)根据工作泵扬程和流量q1,从表2中选择喷嘴直径,即得到喷嘴断面面积f0,根据步骤(2)所确定的面积比m,计算出喉管的断面面积fb。(6)根据喉管尺寸确定扩散管的尖端尺寸,根据锥角为8°的要求,可确定连接管的直径,通常需要实验不同的组合,以达到连接管与工作泵的最佳匹配,并且使喉管的直径足够大以使固体通过。5射流泵特性计算法计算面积比比,按比例确定流量,根据压力确定出的主要图在进行射流泵工作参数确定和设备选型的过程中,选择最