挖溝機(jī)效率分析及提升方法

0工機(jī)具挖溝機(jī)在連接海上石油平臺(tái)之間的海上管道安裝后，通常需要按照工藝要求進(jìn)行管道挖掘和溝槽，并將海洋管道埋在下方，以防止管道漂浮或傾斜。用于這項(xiàng)作業(yè)的施工機(jī)具為挖溝機(jī)。目前使用的挖溝機(jī)可分為噴射式挖溝機(jī)、拖拽犁式挖溝機(jī)、鉸刀式挖溝機(jī)和深水爬行式挖溝機(jī)。噴射式挖溝機(jī)按水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為液壓噴射式挖溝機(jī)和電動(dòng)噴射式挖溝機(jī)。由于國(guó)內(nèi)目前絕大部分海管挖溝工況水深低于100m,土壤剪切強(qiáng)度低于40kPa,噴射式挖溝特別適合這種工況,具有相對(duì)較高的效率和較低的成本,在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)目前應(yīng)用較多的電動(dòng)噴射式挖溝機(jī)進(jìn)行討論。1低壓噴射泵或低壓泵電動(dòng)噴射式挖溝機(jī)一般由挖溝機(jī)本體、臍帶電纜、水上動(dòng)力站和控制室構(gòu)成。主要原理是使用高壓水流沖刷海管兩側(cè)下部海床,將海底泥砂稀釋,并通過水流將海床泥砂帶走,使海管下端形成懸空,讓海管在重力作用下緩慢下沉,然后泥沙在海水作用下得以回填,將海管深埋于泥面以下。根據(jù)不同挖溝機(jī)設(shè)計(jì)能力及工況,有的使用低壓大排量噴射泵,有的使用高壓小排量噴射泵,或者組合使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)硬度,也有的在挖溝機(jī)上加裝電動(dòng)鉸刀、加裝氣舉等輔助裝置。歸根結(jié)底,作為噴射挖溝主要?jiǎng)恿Φ氖峭跍蠙C(jī)的低壓噴射泵,主要是因?yàn)檫@種泵所具備的高排量能夠在沖刷過程中起到主導(dǎo)性作用。所以,提高挖溝效率最主要的手段是在低壓噴射泵使用上下功夫。圖1為聲納監(jiān)控下的海底溝型圖。2水泵功率與水泵揚(yáng)程的關(guān)系噴射式挖溝機(jī)通常采用水上動(dòng)力站形式。無論是采用電動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)形式,考慮到施工作業(yè)時(shí)的可行性,連接水下挖溝機(jī)和動(dòng)力站之間的電纜或液壓管線不宜過粗,否則將對(duì)施工作業(yè)造成極大的不便。挖溝速度受水下水泵功率影響較大,采用大功率水泵將會(huì)增大水流噴射量,極大地提高挖溝效率。但功率過大會(huì)使連接電纜或液壓管線過粗,這與施工作業(yè)效率是矛盾的兩個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)挖溝機(jī)水泵每臺(tái)功率一般控制在300kW以下,這樣既能保證一定的功率,而電纜或液壓管線也不至于過粗。以240kW水泵為例,若水泵功率一定,在水泵功率因數(shù)基本不變的情況下,水泵的流量與水泵揚(yáng)程成反比。也就是說,功率一定的情況下若采用高流量水泵,必然會(huì)降低水泵的揚(yáng)程。拿一臺(tái)5000m3/h水泵為例,具體數(shù)據(jù)如表1所示,水泵性能曲線如圖2所示。由此可見,在水泵選型時(shí)必須根據(jù)所挖的地質(zhì)在水泵流量與水泵揚(yáng)程之間進(jìn)行合理的取舍。根據(jù)多年渤海挖溝工作海管路由的調(diào)查,渤海海床面通常以淤泥及少量砂爍為主,硬度一般低于40kPa,極少部分較硬地段能夠達(dá)到80kPa以上。選型時(shí)不僅要考慮到水泵沖刷時(shí)海床面抗剪切力,而且要考慮海水阻力。下面舉例予以說明。(1)噴射泵的使用情況我公司配置一臺(tái)挖溝機(jī),采用10000m3/h水泵一臺(tái),功率240kW,揚(yáng)程6m。該泵屬于典型的大流量、小揚(yáng)程的噴射泵。幾年以來使用情況表明,它特別適用于較軟地質(zhì)的工況施工。在30kPa以下的軟泥作業(yè)時(shí),通常速度能夠達(dá)到2m/min以上,速度在國(guó)內(nèi)挖溝機(jī)中屬于較快水平。但是由于水泵揚(yáng)程低,在地質(zhì)略硬時(shí),通常挖溝的溝床深度不能滿足設(shè)計(jì)要求。一般,一遍挖溝的挖溝深度都在2m以下,往往需要進(jìn)行海管的二次挖溝才能滿足設(shè)計(jì)要求。(2)現(xiàn)有水泵模式我公司配置另一臺(tái)挖溝機(jī),采用5000m3/h水泵一臺(tái),功率240kW,揚(yáng)程10m。該水泵揚(yáng)程相對(duì)上一臺(tái)有所提高,通過幾個(gè)項(xiàng)目使用情況表明,在軟質(zhì)地質(zhì)工況下,一般一次挖溝作業(yè)的溝深就基本上能夠滿足要求,能夠保持在2.5m左右,挖溝速度為2m/min。同上一臺(tái)挖溝機(jī)相比,本挖溝機(jī)能夠適用在相對(duì)較硬的地質(zhì)工況下使用。根據(jù)上述兩則實(shí)例,為保證挖溝機(jī)流量及挖溝機(jī)揚(yáng)程,建議挖溝機(jī)采用兩臺(tái)水泵模式,用以提升挖溝速度及挖溝深度。通過現(xiàn)有兩臺(tái)挖溝機(jī)比較,在大流量水泵中,犧牲一定的流量以提升水泵壓力,能夠獲得更大的地質(zhì)適用范圍和更高的效率。下面為建議的水泵選型:(1)水泵流量:3000m3/h;(3)水泵揚(yáng)程:19m;(4)水泵功率:240kW/臺(tái)。這樣挖溝機(jī)噴射總流量為6000m3/h,揚(yáng)程為19m,基本能夠適用渤海海域所有地質(zhì)工況下的挖溝要求,最大地質(zhì)硬度將達(dá)到80kPa,最大挖溝速度將達(dá)到3m/min以上,挖溝深度能保證在2.5m以上,滿足目前絕大部分海管挖溝深度的技術(shù)要求。3“門”型框架內(nèi)的阻力降低一般挖溝機(jī)設(shè)計(jì)都是讓挖溝機(jī)“騎”在海管上進(jìn)行挖溝作業(yè),海管從挖溝機(jī)機(jī)架底部“門”型結(jié)構(gòu)中穿過,如圖3所示。為了防止海管同挖溝機(jī)機(jī)架直接摩擦而造成海管損壞,一般會(huì)在“門”型結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)安裝尼龍滾輪。一方面,較軟的尼龍滾輪能夠緩解由于碰撞對(duì)海管造成的損壞。另一方面,滾輪同海管接觸處為滾動(dòng)形式,也能夠更好地減小拖拽阻力。一般海管挖溝埋深要求為1.5m左右,為了保護(hù)下沉海管并對(duì)其進(jìn)行限位,導(dǎo)向滾輪一般設(shè)定為滑鞋底部以下1.5m左右,這樣基本能夠保證海管挖溝過程中海管不會(huì)偏離出“門”型結(jié)構(gòu),這就使得導(dǎo)向結(jié)構(gòu)較深地深入泥面以下。由于整個(gè)挖溝機(jī)本體在水下向前行進(jìn)要在船舶的拖拽作用力下進(jìn)行,深入泥內(nèi)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)將會(huì)造成相當(dāng)大的阻力,一般情況下將超過10t。目前針對(duì)這種情況國(guó)內(nèi)一般采取以下兩種方式進(jìn)行解決。(1)精簡(jiǎn)“門”型導(dǎo)向結(jié)構(gòu),使用較細(xì)較厚的鋼管焊制導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。由于減小了前行方向的接觸面積,拖拽阻力可相應(yīng)降低。這一方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,制造成本相對(duì)較低。缺點(diǎn)是拖拽阻力降低幅度不是很大,尤其是硬質(zhì)土壤工況下,阻力仍然相當(dāng)大。(2)增加高壓噴射水泵,在“門”型結(jié)構(gòu)框架上增加多個(gè)噴嘴,讓高壓噴射水泵水流通過噴口沖刷挖溝機(jī)前行方向土壤,使其破散以減小阻力。這種方法在國(guó)內(nèi)較多挖溝機(jī)上得到較好的應(yīng)用,是比較普遍的一種做法,它能夠較大地減小挖溝機(jī)前行阻力,尤其適用于在較硬土壤中工作。但是這種做法的缺點(diǎn)也是顯而易見的,就是此方案增加了噴射水泵,增加了水泵成本和整體功率,無論對(duì)于電泵還是液壓泵都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能力造成較大的影響。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是較大地減小了挖溝機(jī)前行阻力,適用硬質(zhì)土壤;缺點(diǎn)是增加了成本、整體重量及總功率。綜合上述兩種方案的長(zhǎng)處,采用方案1中較細(xì)較厚的鋼管焊制導(dǎo)向結(jié)構(gòu),同時(shí)將“門”型框架從挖溝機(jī)前端后移至低壓噴射水泵出水噴口處,利用軸流泵向前的分流沖刷“門”型框架前端土壤,將其稀釋,以達(dá)到減小阻力的目的。此綜合方案的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的,不僅減少了水泵數(shù)量,降低了成本,也能夠較好地減小拖拽阻力。同時(shí),由于沒有高壓噴射泵,在其他資源同等情況下,還可以適當(dāng)增加低壓軸流水泵功率,提升整體效率。此綜合方案需要更加精細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算,防止“門”型導(dǎo)向系統(tǒng)與水泵噴射系統(tǒng)相干擾。4噴射口的改進(jìn)一般挖溝機(jī)噴射口制作比較簡(jiǎn)單,如圖4左圖所示。低壓噴射泵水泵出水口一般通過一個(gè)三通將水流一分為二,分別向海管兩側(cè)噴射,通常如圖4所示,為直管連接到三通處,然后在最下端做一個(gè)縮徑,以增加噴射水流壓力。由于這種設(shè)計(jì)形式是在海管兩側(cè)豎直噴沖,很容易在海管下端形成一個(gè)土壤凸臺(tái),使海管不能在自重作用下下沉。針對(duì)上述情況,進(jìn)行了如下一些較小的改進(jìn),圖4中的右圖為優(yōu)化后的噴射口設(shè)計(jì)方案。(1)在噴射管下端制作一個(gè)法蘭連接,可方便地根據(jù)海管挖溝深度要求,及時(shí)調(diào)整下端短截噴口的長(zhǎng)度。(2)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),調(diào)整下端噴口角度,偏向內(nèi)側(cè)前方,經(jīng)驗(yàn)偏角為前行方向3°,內(nèi)側(cè)海管方向5°。這樣不僅能夠減小海管底部凸臺(tái)的形成,