冲喷式柔性管缆挖沟机在海底管缆铺设挖沟施工中的应用

深水水下管缆的铺设是开发深水油气资源的关键施工作业项目。深水水下挖沟作业具有技术难度大、施工复杂、投资巨大等特点。在深水海域油气开发工程中冲喷式柔性管缆挖沟机应用广泛,因此对其产品性能、实际深水功能测试、挖沟作业工序、挖沟沟型、挖沟效果等关键技术问题进行分析,经过实践验证,该设备能够独立完成千米级深水域水下挖沟施工。

喷射式挖沟机机体的稳定性分析

挖沟机是铺设海底管线的必备设备。论文对海洋石油工程股份有限公司设计的挖沟机的受力状态进行了分析,根据整体稳定分析计算了挖沟机在不同工作形态所需要的牵引力。详细计算了(1)海流运动产生的作用力,包括拖曳力和举升力,海流的流动方向包括顺流、逆流和横流;(2)海底对挖沟机滑靴的阻力;(3)高压空气和高压水流对挖沟机机体的作用力;(4)牵引力;(5)海底土壤对机体的阻力(在挖沟机牵引速度大于挖泥速度时,引起的泥土对喷射管的阻力);(6)挖沟机的自重以及浮力。计算结果为挖沟机强度的校核及操作方法提供了依据。

水下射流挖沟机喷冲臂的设计与优化

为了防止海底管缆受到人为和自然环境损害,目前广泛采用射流挖沟机对管缆进行海底开沟埋设。针对射流挖沟机喷冲臂的形状设计和优化的问题,本文探讨了不同设计方案对喷嘴流速的影响。在相同入口压力条件下,考虑管道沿程损失和不同深度的喷嘴出口处的静压,采用理论分析和计算流体力学数值模拟相结合的方法进行喷冲臂形状设计。建立了一个有效的喷冲臂内部流动问题的数值模型,基于该模型计算了自主设计的3种喷冲臂内部流动并得到了最优喷冲臂设计方案。研究结果为今后射流挖沟机的研发提供了参考。

喷射式挖沟机喷嘴关键参数的设计与优化

喷射式挖沟机通过对海底土层进行射流冲刷来完成海底挖沟作业,影响挖沟机喷射强度的主要因素有轴流泵的流量、喷嘴的结构形状及喷射角度等。针对对喷射式挖沟机工作效率和质量起重要作用的轴流泵出水口喷嘴结构,给出直线缩颈壁和圆弧缩颈壁两种设计方案,应用ANSYS和FLUENT软件,对两种设计方案的缩颈段高度、缩口直径、直管段长度进行分析对比,优化计算表明,直线缩颈方案明显优于圆弧缩颈方案,最终选出了直线缩颈方案。大量的算例考核及实际应用验证表明,优化了喷嘴设计的挖沟机能满足工程需求,具有安全、高效、经济的特点。

喷射式挖沟机的喷嘴参数设计及数值模拟

喷射式挖沟机的喷射臂上布置垂向喷嘴和斜向喷嘴以实现设计冲刷沟形。本文针对喷嘴参数设计中未考虑喷嘴半径与喷嘴倾斜角度之间关系的问题,提出了一种设计方法使垂向喷嘴和斜向喷嘴射流在土层表面冲击压强相等。根据已有的理论公式推导斜向喷嘴半径大小与其倾斜角度的关系,采用CFD软件对不同半径和倾角的喷嘴进行数值模拟,计算结果显示冲刷剖面沟深符合理论预期,证明了这2种喷嘴射流的冲击压强一致。同时本文分析了斜向喷嘴倾斜角度对冲刷沟形剖面的影响,倾斜角度越小,冲刷沟底部越为平坦;倾斜角度越大,沟底中间堆积泥沙越多。为以后的喷嘴半径参数的设计和斜向喷嘴倾斜角度的优化提供了可靠方案。

喷射式海底挖沟机的参数优化和数值模拟研究

针对喷射式海底挖沟机效率低的问题,建立了适用于浅海区域喷射式海底挖沟机的物理模型,基于喷射式海底挖沟机特性方程,使用Fluent数值模拟软件对模型进行了数值模拟。分析了喷嘴收缩角度、排泥管扩散角度、挖沟机运行深度及射流入口速度等因素对喷射式海底挖沟机效率的影响,明确了这些因素与挖沟机运行参数(吸泥速度、负压)之间的关系。研究结果表明:喷射式海底挖沟机最大运行效率时的喷嘴收缩角度为45°,排泥管扩散角度是7°;喷射式海底挖沟机最大安全运行深度为100 m且此工况下的最小入口射流速度为8 m/s。

挖沟机抽吸扬泥系统设计与研究

随着石油、天然气资源勘探开发等领域的快速发展，挖沟机的研制成为了水下作业装备领域的研究热点。抽吸扬泥系统是水力冲射式挖内机设计的关键技术之一，论文针对水力冲射式挖沟机的作业特点，采用了环形多喷嘴射流泵作为抽吸扬泥系统的核心工作部件；同时结合射流基本理论，对抽吸系统的主要技术参数进行了初步设计，并对其性能参数进行了计算，为挖沟机总体设计和主要设备选型提供了重要依据。

射流式挖沟机沟内流场数值计算与分析

针对某浅海射流式挖沟机沟内泥浆淤积问题,对其进行工作状态下的沟内流场数值计算和性能分析。通过合理简化物理模型和定义数值模型边界条件,结合多相流模型,利用成熟的商业数值计算软件实现流场计算过程。通过观察泥浆相的体积分数预估了沟内回淤情况,观察壁面剪应力和特征截面压应力评判了射流破土能力,得到合理的沟内流场性能。并根据不同的抽吸臂参数引起的沟内流场变化,选择出合适的抽吸臂布置方案。研究结果表明:提出的数值方法能用于快速计算挖沟机流场性能,合理估算泥浆相的输运状况,得到高效率的抽吸臂、喷冲臂布置组合。

海底冲射式开沟机技术进展

总结已有的冲射式开沟机,包括冲射式开沟滑撬、自推进爬行开沟机、开沟型ROV和非接触式控流开沟机的技术特点,认为冲射式开沟滑撬技术门槛和成本较低,适合在近海浅水区域作业,而自推进爬行开沟机和开沟型ROV则适合深水区的开沟作业,非接触式控流开沟机适应性最广,几乎可以在所有水深和除基岩外的所有地质状况下工作。新型海底开沟机将向着智能化、大型化、宽适应性和高效率几个发展方向。

新型喷冲式挖沟机总体设计与结构安全性评估

为解决传统挖沟机设计存在的尺寸过大、难于整体运输、必须拆卸分段运输和重量过大、操作过程中出现意外、易对管道造成伤害两大问题,提出了一种新型挖沟机的总体设计方案。由于没有专门的挖沟机结构设计规范,本文基于CCS潜水器规范和有限元技术,对该挖沟机的结构安全性进行了评估,并提出了结构设计加强方案。该新型挖沟机在渤海湾锦州251工程完成了海试,并于垦利海上石油管道挖沟工程完成了30 km的管道铺设。实践证明,提出的新型海底喷冲式挖沟机总体设计是成功的,对此类挖沟机的广泛应用和发展具有重要工程意义。

水力喷射式挖沟机在海底管道后挖沟中的应用

水力喷射式挖沟机是目前国内技术最成熟、应用最广泛的海底管道后挖沟设备.论文筒单介绍了水力射流式挖沟机的工作原理、基本构造、工作特点及适用环境.通过近几年海洋石油工程股份有限公司承担的海底管道后挖沟工程案例介绍了几种不同形式的水力喷射式挖沟机在海底管道后挖沟中的应用.

硬粘土中高压淹没水射流破土实验研究

射流破土的关键因素均进行了模拟,包括土体强度、喷嘴直径、射流压力、喷嘴移动速以及喷嘴距离土体表面的距离。其中土体强度通过在天然粘土中添加水泥配制,设计强度约150 kPa。喷嘴移动速度则是通过制造一套直线导轨进行控制。研究发现通过配制人造粘土进行实验是可行的,可以降低天然粘土不均匀带来的误差,提高实验精度。实验还发现,10 bar左右的射流压力对150 kPa左右的硬粘土开沟极为困难,开沟速度28~252 m/h时12 bar压力时开沟深度约为喷嘴直径5~9倍(最深14.4 cm)。喷嘴与土体表面距离对开沟深度有很大影响,当喷嘴距离土体表面从0增加到8倍喷嘴直径时,开沟深度下降为原来的27%。

浮吊船搭载骑跨式挖沟机进行海底管道挖沟作业的优化方案

当南海近岸极浅水海域登陆管道存在挖沟需求时,配备折臂吊及DP系统的深水工程船因吃水过深无法驶入作业;而浮吊船搭载骑跨式挖沟机的作业方案虽然成熟地应用于渤海浅水地区,但对于南海复杂海况适应性差,存在长期待机甚至无法作业的风险.根据南海某实际工程项目施工条件,对浮吊船搭载骑跨式挖沟机的作业方案进行了优化.通过改变浮吊船甲板布置、布锚及移船方式,解决了抛锚浮吊船因横对涌浪无法作业的问题;同时使船舶艏向一定程度可调,改善了此类挖沟方式对于海况的适应能力;此外,也增加了单个锚位的移船距离并减少挖沟机下放回收的作业时间,提高了挖沟作业效率.

海底射流开沟机模型试验及效果分析

为了保证海底管道与缆线的安全和稳定,人们采用了许多措施。其中,最为经济有效的方法是利用开沟机等相关设备将管道或缆线埋入海底。本文研究水下开沟,设计了一款具有轻型结构、可自主推进的水下射流开沟机,并对加工完成后的样机模型开展了水下开沟的试验。验证了所设计的开沟机在淹没状态下不仅可以完成自主推进工作,还能在管道流量达到50 m 3/h时破坏抗剪强度为8 kPa的沙土,最大沟深可达0.41 m,为后续的模型优化以及管线埋设提供理论与依据。

海底管道挖沟机射流泵参数确定方法

在海底管道挖沟埋设施工中,除了管道登陆的近岸段采用预挖沟方式挖沟以外,其他海洋段普遍采用海底挖沟机进行后挖沟埋设。在后挖沟施工中,海底管道挖沟机利用高压射流冲射海底泥面形成所需的沟形,采用射流泵将冲射过程中打散的泥沙及时排出工作区域。基于对射流泵设计原理、射流泵的基本方程以及射流泵性能曲线的分析,给出了海底管道挖沟机射流泵的技术参数(最大土方流量、流量比、扬程比、面积比、射流体积流量等)的确定方法及步骤,可为海底管道挖沟机相关参数的确定和主要设备选型提供依据。

适用于硬质黏土的淹没射流物理模型

为了明确海底水力喷冲式开沟机的射流破土规律,围绕高压淹没射流的破土效果,开展了相关实验研究。实验中,通过土体配比与测定,得到了不同抗剪切强度的实验用土。高压射流破土效果主要与土体强度、射流压力、喷嘴形式及射流靶距有关,通过清水实验,对比了圆形喷嘴和扇形喷嘴的射流打击力,最终选定圆形喷嘴进行破土实验。根据射流压力、靶距和土体强度的不同,分别测定了各个工况下的射流破土效果,将射流打击后的土体表面进行三维测扫,绘制了破坏土体的三维图像,分析了射流打击土体的深度和宽度,最终给定了在特定要求下破坏土体的射流工况。