海底沖射式開溝機(jī)噴沖系統(tǒng)研究與應(yīng)用.pdf

1、射流侵蝕土體有著廣泛的工程應(yīng)用，在海洋石油工業(yè)中，它被用來海底開溝埋設(shè)管線。海底油氣管線是海洋石油工業(yè)的重要組成部分，可以快速連續(xù)并且低成本的運(yùn)輸油氣，因此得到快速發(fā)展，越來越多的管線需要埋設(shè)在海底。在油氣管線運(yùn)營期間，波浪、船舶錨泊、海洋工程作業(yè)以及漁業(yè)活動等均有可能對其造成破壞，為了保護(hù)海底油氣管線需要將其埋設(shè)在海底一定深度，這項工作主要由海底開溝機(jī)來完成。沖射式開溝機(jī)運(yùn)動部件少，功能可靠，被廣泛應(yīng)用在世界各地的管線埋設(shè)當(dāng)中。由于射

2、流與土體相互作用機(jī)理復(fù)雜，海底作業(yè)環(huán)境惡劣，射流開溝深度的預(yù)測一直是開溝機(jī)設(shè)計中難點。因此研究射流與土體的作用機(jī)理有著重要的工程意義。
　　本文通過實驗方法對移動射流和硬粘土的相互作用進(jìn)行研究。實驗中的關(guān)鍵參數(shù)都進(jìn)行了變化，包括噴嘴直徑、噴射壓力、噴嘴移動速度和土體剪切強(qiáng)度。測試中制作了一套噴嘴來測試噴嘴直徑的影響，分別是9mm、12mm、16mm；噴射壓力由射流系統(tǒng)來控制，實驗壓力從2bar到6bar；噴嘴的移動速度由噴嘴移動系

3、統(tǒng)控制，速度從7cm/s到28cm/s；實驗土體是通過人工配制粘土來提供，人造土體由普通粘土和水泥混合配制而成，通過調(diào)節(jié)水泥含量來控制土體的剪切強(qiáng)度，共配制兩種剪切強(qiáng)度的土體，其十字板剪切強(qiáng)度分別是60 kPa和90 kPa。
　　實驗發(fā)現(xiàn)溝槽的橫剖面為水滴形，上部較窄，底部較寬，接近噴嘴的部分寬度約為2-3倍噴嘴直徑，底部為3-5倍噴嘴直徑。溝槽側(cè)面向內(nèi)傾斜約15°，側(cè)面粗糙不平。橫剖面的形狀和關(guān)鍵參數(shù)有關(guān)，當(dāng)噴嘴移動速度增大時

4、，開溝深度變淺，截面短而寬，接近水滴形，當(dāng)噴嘴移動速度減小時，開溝深度變大，橫截面窄而長。
　　移動射流侵蝕過程中與土體交界面為弧形曲線，射流土體交界面方程可以用關(guān)鍵參數(shù)描述?；【€上任何一點的侵蝕速度和噴嘴移動速度存在一個正弦關(guān)系?；【€的形狀和射流開溝關(guān)鍵參數(shù)有關(guān)。在噴嘴出口處，交界面與土體表面夾角為90度，侵蝕速度等于噴嘴前進(jìn)速度，在最大破土深度處，交界面與射流初始射流方向垂直，與土體原表面夾角0度，侵蝕速度為0。當(dāng)噴嘴直徑、噴

5、沖壓力增大時，交界面曲線的曲率變小，曲線趨于平直；當(dāng)噴嘴移動速度增大、土體剪切強(qiáng)度增加時，交界面曲線曲率變大，曲線更彎曲。
　　移動射流開溝效率與關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)。當(dāng)采用大直徑噴嘴、低噴射壓力時，單位功率的開溝深度隨著噴嘴直徑增大而增大。因此采用大直徑低噴射壓力的開溝機(jī)效率更高。
　　當(dāng)將射流開溝深度通過噴嘴直徑進(jìn)行無量綱化處理后，在噴沖壓力、土體強(qiáng)度、噴嘴移動速度保持不變時，開溝深度與噴嘴直徑符合幾何相似關(guān)系。因此通過小直徑噴

6、嘴的實驗可以預(yù)測大直徑噴嘴的開溝深度。根據(jù)此結(jié)論，提出了一種預(yù)測大直徑噴嘴開溝深度的實驗預(yù)測方法，并成功指導(dǎo)了一種新型射流開溝機(jī)—非接觸式控流開溝機(jī)的設(shè)計定型。
　　移動射流粘性土中開溝的破土機(jī)理是射流壁面剪切力對土體的剪切破壞。利用粘性土的侵蝕模型可以合理的解釋射流開溝的過程。移動射流開溝的關(guān)鍵因素可以總結(jié)為噴嘴直徑、射流速度、噴嘴移動速度、土體侵蝕臨界剪切強(qiáng)度和侵蝕系數(shù)。移動射流的開溝深度與噴嘴直徑、射流速度、土體侵蝕系數(shù)正相