陳鳳生，徐志毅，王雪斌，朱智慧，高 輝，劉飛飛，狄 冰，莫子翠

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518051；2.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東深圳 518051；3.北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

清除海底導(dǎo)管架上附著的海生物是海洋平臺(tái)維護(hù)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)的清除技術(shù)有高壓水沖洗技術(shù)、空化射流沖洗技術(shù)和液壓打磨技術(shù)[1]，這些清除技術(shù)一般都需要潛水員在水下輔助操控，對(duì)人員技術(shù)要求較高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度極大。水壓產(chǎn)生反作用力、清洗的碎屑和殘?jiān)w濺、清洗時(shí)視線不佳都會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生一定危險(xiǎn)，人工局限性導(dǎo)致清洗速度和效率都不高。而筆者基于ROV的水下高壓水射流系統(tǒng)是清除裝置和ROV聯(lián)合作業(yè)、只需遠(yuǎn)程操控的系統(tǒng)，全程幾乎不需要潛水員下水作業(yè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)清除技術(shù)中存在的一系列不足，大大降低了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度和技術(shù)要求，并且具有清洗成本低、速度快、清凈率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等特點(diǎn)[2-3]，完全符合海洋平臺(tái)導(dǎo)管架清洗的需求。

1 高壓水射流原理及系統(tǒng)組成

高壓水射流技術(shù)作為一門新興技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于管道、道路、設(shè)備等的清洗；多種材料的切割、采礦工程；以及建筑混凝土的破碎、清洗、打毛等項(xiàng)目[4-5]。

1.1 高壓水射流技術(shù)簡(jiǎn)介

高壓水射流技術(shù)是通過(guò)高壓柱塞泵等大功率液壓泵將常壓水加壓到幾十或者上百兆帕后，以極高的速度(30～400 m/s)從耐高壓的專用噴嘴(噴嘴直徑一般在幾mm甚至小于2 mm范圍內(nèi))噴射出，噴射出的射流束蘊(yùn)含著極高的能量，所以接觸到物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，射流束作用于材料表面產(chǎn)生的沖擊力大于附著物的附著力時(shí)，就可清理設(shè)施表面附著物[6]。通過(guò)調(diào)整射流的水壓、流量、沖擊角度、噴嘴結(jié)構(gòu)以及孔徑可實(shí)現(xiàn)不同的功能[7]。當(dāng)用于海生物清理時(shí)，壓力一般控制在49～77 MPa，水束的方向與表面成30°為清理的最佳沖擊角度；一旦達(dá)到140 MPa以上的壓力就可用于切割鋼鐵類材料[8-9]。

1.2 高壓水射流系統(tǒng)組成

高壓水射流系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生裝置、水射流控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成。其中高壓水發(fā)生裝置包括高壓水泵機(jī)組和增壓器機(jī)組；水射流控制系統(tǒng)包括各類液壓閥以及電控柜；執(zhí)行系統(tǒng)包括高壓水射流噴槍和噴槍旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)。高壓水射流系統(tǒng)組成如圖1所示。執(zhí)行系統(tǒng)需要專門設(shè)計(jì)，其他兩部分只需對(duì)已有的一些設(shè)備或配件進(jìn)行選型。

高壓水泵站是高壓水射流系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源和核心部件，是產(chǎn)生高能量水射流的關(guān)鍵。我國(guó)的高壓水泵機(jī)組功率較低，而發(fā)達(dá)國(guó)家擁有200～300 kW的大功率高壓水泵機(jī)組設(shè)備，適用于清洗、除銹、破碎等不同工程要求。大功率的超高壓泵機(jī)組大多由柴油機(jī)提供動(dòng)力，常常由絞車承載，方便移動(dòng)[27]。進(jìn)行海底導(dǎo)管架附著海生物清除時(shí)，只需能提供70 MPa壓力的液壓泵站即可達(dá)到清除目的，所用泵站可提供的最大流量為90 L/min 。

如果需要的射流壓力特別大，液壓泵站無(wú)法提供時(shí)，還可接入水壓液壓增壓器，如圖2所示。

液壓增壓器本質(zhì)上就是液壓增壓缸，是一種利用兩腔活塞(柱塞)作用面積不相等，將輸入低壓轉(zhuǎn)換為高壓或超高壓的液壓元件[10]。其特點(diǎn)是：可提供比低壓端更高的壓力；高、低壓腔的工作介質(zhì)可以為同一介質(zhì)，也可以使用不同介質(zhì)；高低壓活塞直線運(yùn)動(dòng)，無(wú)側(cè)向力，壽命長(zhǎng)；可以減少或省去高壓部分的液壓控制元件；體積相對(duì)較小。 液壓增壓器主要用于需要增壓、穩(wěn)壓或高壓的場(chǎng)合。

控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，且技術(shù)比較成熟，故此處不做具體介紹。下面主要對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)際效果展示。

2 高壓水射流執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)

高壓水射流執(zhí)行系統(tǒng)是整個(gè)水下高壓水射流系統(tǒng)中“作業(yè)在一線”的核心部分，其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)決定著高壓水射流系統(tǒng)的工作效率以及質(zhì)量。水射流執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和三維結(jié)構(gòu)圖分別如圖3、圖4所示。該執(zhí)行系統(tǒng)由高壓水射流噴槍和噴槍旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)兩部分組成，接下來(lái)對(duì)其各部分的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行逐步介紹。

2.1 高壓水射流噴槍的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

噴槍主要由噴嘴、噴頭、旋轉(zhuǎn)噴頭連接桿和高壓水管連接頭組成，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)噴嘴是高壓水最終的出口，所以噴嘴的出口直徑和內(nèi)部形狀是噴嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。將噴嘴內(nèi)部形狀設(shè)計(jì)為錐直型，這樣可以減少高壓水經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)的能量損失[11]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并參考國(guó)內(nèi)外類似設(shè)備發(fā)現(xiàn)，1.6 mm噴嘴最為常見(jiàn)，最后應(yīng)用FLUENT對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示噴嘴孔徑為1.7 mm時(shí)噴槍的清除效果最佳，所以將其設(shè)計(jì)為1.7 mm。此外，由于射流束以極高的速度和壓力從噴嘴出口噴出，所以對(duì)噴嘴出口會(huì)有較大的磨損，所以實(shí)際加工時(shí)噴嘴應(yīng)選用耐磨材料。

(2)在設(shè)計(jì)噴頭時(shí)，主要考慮的是連接噴嘴的個(gè)數(shù)以及傾角，這將直接影響水射流離開(kāi)噴嘴時(shí)的動(dòng)壓和速度，以及噴槍旋轉(zhuǎn)時(shí)水射流掃過(guò)的面積。進(jìn)而影響到噴槍的清除效果和工作效率。經(jīng)過(guò)FLUENT仿真計(jì)算和以往的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合泵站所能提供的流量，最后確定噴頭連接2個(gè)傾角為30°的噴嘴，此時(shí)效果最佳。

(3)旋轉(zhuǎn)噴頭連接桿只是起連接作用，在不影響噴槍旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)安裝以及正常工作的前提下，應(yīng)盡量使其體積小一點(diǎn)，這樣既可以減少噴槍質(zhì)量，還可以讓高壓水迅速充滿噴槍，縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。

(4)高壓水管連接頭既是高壓水的接入口，又是噴槍中動(dòng)靜連接的關(guān)鍵部位，此處屬于動(dòng)密封，所以在高壓水連接頭與噴槍桿連接的部位安裝了耐磨的動(dòng)密封圈。此外，為了保證同軸度和避免相互磨損，在高壓水管連接頭內(nèi)部安裝了銅軸套。

(5)為了方便ROV夾持，還在傳動(dòng)箱外側(cè)加設(shè)了柔性?shī)A持結(jié)構(gòu)；同時(shí)在噴槍的另一側(cè)安裝了防碰撞保護(hù)罩，以保證噴槍在工作的過(guò)程中不會(huì)被損壞。

2.2 噴槍旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)

噴槍旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)的主體為旋轉(zhuǎn)噴頭傳動(dòng)箱，其內(nèi)部是1個(gè)二級(jí)減速傳動(dòng)系統(tǒng)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后小齒輪將轉(zhuǎn)矩傳給中間齒輪，中間齒輪再將轉(zhuǎn)矩傳給大齒輪，最后大齒輪通過(guò)鍵傳動(dòng)帶動(dòng)噴槍旋轉(zhuǎn)。中間齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上下通過(guò)2個(gè)嵌入式的小軸承與箱體連接，噴槍與箱體底部通過(guò)推力軸承連接，限制噴槍向下運(yùn)動(dòng)，高壓水管連接頭通過(guò)螺釘與箱體端蓋固定，限制了噴槍向上運(yùn)動(dòng)，這樣就可以保證噴槍相對(duì)于整個(gè)旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 高壓水射流的FLUENT仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性以及對(duì)不合理的一些設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)商用軟件FLUENT對(duì)噴槍內(nèi)外高壓水的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。利用GAMBIT建立噴槍模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中噴嘴數(shù)為2 ，噴嘴傾角為30°，噴嘴出口直徑為1.6 mm。將創(chuàng)建好的噴槍模型導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)置邊界條件，分別將入口邊界條件設(shè)置為壓力入口和流量入口，壓力入口中入口壓力設(shè)置為泵站所能提供的最大壓力，即70 MPa，流量入口中入口流量設(shè)置為泵站所能提供的最大流量，即90 L/min，假設(shè)該噴槍在100 m水深下工作，出口壓力設(shè)置為1 MPa。進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到動(dòng)壓云圖和速度云圖。將不同入口邊界條件下得到的動(dòng)壓云圖和速度云圖分別進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，入口流量為90 L/min時(shí)，噴嘴出口處的最大動(dòng)壓約為95 MPa，最大速度約為410 m/s；入口壓力為70 MPa時(shí)，噴嘴出口處的最大動(dòng)壓約為75 MPa，最大速度約為360 m/s。由此可以發(fā)現(xiàn)，按入口流量為90 L/min的流量入口邊界條件計(jì)算出的噴嘴出口最大動(dòng)壓和最大速度均比按入口壓力為70 MPa的壓力入口邊界條件計(jì)算出的大，說(shuō)明噴嘴數(shù)為2、出口直徑為1.6 mm時(shí)，噴槍所需流量小于90 L/min。即泵站流量有所富余(也可根據(jù)流量計(jì)算公式計(jì)算噴嘴出口處的流量，可以得到相同的結(jié)論)。于是將碰嘴直徑增加到1.8 mm，其他參數(shù)與噴嘴直徑為1.6 mm時(shí)保持一致，再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到的動(dòng)壓云圖和速度云圖如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可以看出，入口流量為90 L/min時(shí)，噴嘴出口處的最大動(dòng)壓約為60 MPa，最大速度約為320 m/s；入口壓力為70 MPa時(shí)，噴嘴出口處的最大動(dòng)壓約為75 MPa，最大速度約為350 m/s。由此可知，按入口流量為90 L/min的流量入口邊界條件計(jì)算出的噴嘴出口最大動(dòng)壓和最大速度均比按入口壓力為70 MPa的壓力入口邊界條件計(jì)算出的小，說(shuō)明噴嘴數(shù)為 2、出口直徑為1.8 mm時(shí)，噴槍所需流量大于90 L/min。即泵站流量不足(也可根據(jù)流量計(jì)算公式計(jì)算噴嘴出口處的流量，可以得到相同的結(jié)論)。

綜上所述，當(dāng)噴嘴出口直徑取1.6～1.8 mm之間的某一值時(shí)，噴槍2個(gè)噴嘴所需流量正好等于泵站所能提供的最大流量90 L/min，此時(shí)噴槍的清除效果最好。所以噴嘴出口直徑取其中間值1.7 mm。由仿真結(jié)果可以看出，按該參數(shù)設(shè)計(jì)出的高壓水射流系統(tǒng)的有效射程(對(duì)海生物有清除能力的射流束長(zhǎng)度)能達(dá)到50 mm，可以滿足導(dǎo)管架附著海生物的清除要求，設(shè)計(jì)合理。

4 實(shí)際效果展示

4.1 執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)物模型

水下高壓水射流執(zhí)行系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)構(gòu)側(cè)視角和噴槍側(cè)視角下的實(shí)物模型分別如圖9、圖10所示。該裝置因加工材料為不銹鋼，表面未做防銹處理，所以外表面呈銀白色。為了方便觀察噴槍結(jié)構(gòu)，展示時(shí)沒(méi)有安裝防碰撞保護(hù)罩。

4.2 陸上實(shí)驗(yàn)及水下實(shí)際作業(yè)

系統(tǒng)在下水作業(yè)之前需進(jìn)行陸上實(shí)驗(yàn)，對(duì)其清除效果進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，如圖11所示。旋轉(zhuǎn)噴槍被繩子緊固在固定架上，右側(cè)連接液壓油路管道給旋轉(zhuǎn)馬達(dá)提供動(dòng)力，左側(cè)連接高壓水管道。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，噴槍勻速旋轉(zhuǎn)并噴射出高壓水射流，水射流對(duì)地面產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，造成半徑約1 m、深度約0.1 m的槽口。

系統(tǒng)在水下進(jìn)行實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，其實(shí)際工況可以通過(guò)ROV自帶攝像頭觀測(cè)，結(jié)果如圖12所示。ROV機(jī)械臂操控旋轉(zhuǎn)噴槍噴射出高壓水射流，對(duì)導(dǎo)管架表面附著海生物進(jìn)行清除工作，圖12上半部分是未清除導(dǎo)管架部分，下半部分是已清除導(dǎo)管架部分，通過(guò)對(duì)比可以看出，未清除部分海生物附著嚴(yán)重，已清除部分基本沒(méi)有海生物附著，清除效果明顯。此次水下實(shí)際作業(yè)的清除效果對(duì)比證明了本系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性。

5 結(jié)論

高壓水射流技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，以參與的實(shí)際項(xiàng)目為例對(duì)水下高壓水射流系統(tǒng)作了深入研究，詳細(xì)地介紹了高壓水射流清洗裝置的組成以及關(guān)鍵部位(執(zhí)行系統(tǒng))的設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的噴槍進(jìn)行了FLUENT仿真，驗(yàn)證了噴槍設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，最后將整套高壓水射流系統(tǒng)進(jìn)行陸上實(shí)驗(yàn)和水下實(shí)際作業(yè)，結(jié)果顯示：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，對(duì)海生物的清除效果明顯、效率高，使作業(yè)時(shí)間大幅度縮短，完全滿足海底導(dǎo)管架附著海生物的清理要求；并且全程由ROV控制，無(wú)需潛水員下水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了海生物清理的自動(dòng)化操作。與傳統(tǒng)的清除方法相比，由于其作業(yè)工期短、人員配備少，從而大大降低了清理成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，將來(lái)可以大范圍用于海底導(dǎo)管架附著海生物的清理。