樁腿內(nèi)清淤裝置設(shè)計(jì)與水射流分析

徐 戎，楊銀歡，隋昱良，肖文生

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100； 2.廣州打撈局，廣州 510260； 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

海洋石油生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命一般為20 a，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)法律規(guī)定，海洋生產(chǎn)設(shè)施達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命后，若無(wú)其他用途，必須進(jìn)行拆除。2002年我國(guó)國(guó)家海洋局頒布的《海洋石油平臺(tái)棄置處置管理暫行辦法》中規(guī)定：在領(lǐng)海以內(nèi)海域進(jìn)行全部拆除的平臺(tái)，其殘留海底的樁腿應(yīng)當(dāng)切割至海底泥面4 m以下[1-2]。樁腿內(nèi)切割方式因具有作業(yè)效率高、風(fēng)險(xiǎn)低、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。樁腿內(nèi)切割前需要進(jìn)行樁腿內(nèi)雜質(zhì)的清除工作，高效、安全的樁腿內(nèi)清淤裝置是海洋平臺(tái)拆除作業(yè)的核心技術(shù)之一。水射流技術(shù)具有傳遞能量集中、無(wú)磨損和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]，在樁腿內(nèi)清淤作業(yè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

陳安明等[4]優(yōu)化了射流破巖及沖擊力測(cè)試裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了水射流圍壓對(duì)破巖沖蝕作用的影響；劉霄良等[5]通過(guò)數(shù)值模擬的方式分析了淹沒(méi)環(huán)境對(duì)高壓水射流的作用規(guī)律，研究了水射流的環(huán)境壓力、射流壓力及噴頭直徑對(duì)射流作用的影響；黃飛等[6]通過(guò)試驗(yàn)分析了不同形狀噴嘴的水射流沖擊特性，得到了沖擊形態(tài)與射流沖擊壓力的變化規(guī)律；廖華林等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究了淹沒(méi)條件下射流壓力、噴距、噴射角和作用時(shí)間對(duì)射流破巖效果的影響，得到了淹沒(méi)條件下水射流破巖的最優(yōu)噴距和噴射角；牛爭(zhēng)鳴等[8]探討了水力粉碎的機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了高壓水射流功率對(duì)水力粉碎效果的影響；池寅等[9]利用數(shù)值模擬的方式研究水射流沖埋海床土體的過(guò)程，得到射流壓力與沖埋深度的變化規(guī)律。

本文設(shè)計(jì)的樁腿內(nèi)水射流清淤裝置利用高壓水射流將樁腿內(nèi)的雜質(zhì)擊碎，通過(guò)輸送管道排到樁腿外部。為了獲得樁腿內(nèi)水射流流場(chǎng)的變化規(guī)律，基于淹沒(méi)射流理論，運(yùn)用Fluent仿真軟件，對(duì)樁腿內(nèi)水射流流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，得到了不同射流壓力下流場(chǎng)的變化規(guī)律和不同距離靶面上射流動(dòng)壓，為樁腿內(nèi)清淤流場(chǎng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 樁腿內(nèi)水射流清淤裝置及計(jì)算模型

1.1 樁腿內(nèi)水射流清淤裝置

樁腿內(nèi)水射流清淤裝置由水射流系統(tǒng)、清淤泵、輸送管道、固定與防護(hù)裝置等4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓水射流由船載高壓柱塞泵提供，經(jīng)過(guò)高壓管線與底部的多孔噴嘴，對(duì)平臺(tái)樁腿底部的淤泥雜質(zhì)進(jìn)行水射流沖擊破碎。底部雜質(zhì)在高壓水射流的連續(xù)作用下破碎并形成混合泥漿，混合泥漿通過(guò)清淤泵的輸送管道排到樁腿外部。在清淤裝置工作過(guò)程中，高壓水射流具有2個(gè)作用：一是水射流對(duì)樁腿底部的淤泥等雜質(zhì)的沖蝕作用，使淤泥等雜質(zhì)破碎剝離；二是水射流的擾動(dòng)作用使破碎的雜質(zhì)形成均勻穩(wěn)定的攜砂泥漿。

1—噴頭組；2—樁腿；3—清淤泵；4—固定與防護(hù)裝置；5—排泥管道；6—高壓水管；7—導(dǎo)流罩；8—淤泥、水泥塊等雜質(zhì)。

1.2 水射流噴頭計(jì)算模型

水射流清淤裝置采用多孔噴頭，噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)噴頭上共7個(gè)噴嘴，噴頭上噴嘴的布置方式如圖2a所示，噴頭上的噴嘴按60°間隔方式排布，且每個(gè)噴嘴的軸線均通過(guò)噴頭的軸線；噴頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2b所示，噴頭入口直徑為16 mm，噴嘴入口直徑為6 mm，噴嘴出口直徑為2 mm，軸線上的噴嘴口距噴頭入口54 mm。

2 水射流仿真模型與參數(shù)

水射流仿真模型滿足以下3個(gè)假設(shè)條件：

1) 射流的流體介質(zhì)為不可壓縮流體，且滿足牛頓內(nèi)摩擦定律。

2) 射流為連續(xù)穩(wěn)定流體，環(huán)境介質(zhì)與射流介質(zhì)相同。

3) 射流周圍環(huán)境壓力不變，且只受重力作用。

圖2 多孔噴頭結(jié)構(gòu)示意

2.1 控制方程與湍流模型

2.1.1 控制方程

由于所研究的水射流為連續(xù)穩(wěn)定射流，且其體積壓縮系數(shù)很小，可看作定常不可壓縮流體，故其在直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程可表示為：

(1)

式中：ux、uy、uz分別為流體在x、y、z方向上的分速度，m/s。

射流介質(zhì)為黏性流體，在射流流動(dòng)時(shí)遵循牛頓第二定律，故在直角坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)方程為[10-11]：

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；p為壓力，Pa。

2.1.2 湍流模型

工程中的射流均為湍流射流，為了能夠更好地預(yù)測(cè)噴嘴處流場(chǎng)情況，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行水射流的模擬計(jì)算。湍流模型的湍動(dòng)能k方程、耗散率ε方程為[12-13]：

(3)

(4)

其中：

(5)

式中：Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；ρε為耗散項(xiàng)；Ym為可壓縮修正項(xiàng)；Sk和Sε為自定義源項(xiàng)。Cμ、σk、σε、Cε1、Cε2、Cε3均為常數(shù)，在Fluent中取默認(rèn)值。

2.2 射流基本參數(shù)

噴嘴的射流模型可近似等效為孔口出流模型，根據(jù)孔口出流模型，利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可推得噴嘴出口處流速計(jì)算式為[14]：

(6)

式中：Cv為流速系數(shù)，約為0.97～0.99；Δp為噴嘴出口兩側(cè)的壓差，Pa；ρ為流體密度，kg/m3。

連續(xù)射流作用于靶面上的沖擊壓力是不隨時(shí)間變化的恒定壓力，即滯止壓力[15-16]。在連續(xù)穩(wěn)定的射流作用下，滯止壓力等于水射流的中心動(dòng)壓。根據(jù)伯努利方程可得滯止壓力為：

(7)

式中：ps為射流的滯止壓力，Pa；v為射流流速，m/s。

3 噴頭流場(chǎng)模擬分析

3.1 仿真條件設(shè)置

利用Mesh對(duì)水射流模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)噴嘴處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，水射流流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖3所示。采用壓力入口與壓力出口邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，其出口壓力設(shè)置為0 MPa，環(huán)境壓力設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；考慮重力的作用，在y方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2。

3.2 射流壓力對(duì)射流的影響研究

射流壓力是影響水射流流速的重要參數(shù)。在20～200 MPa開(kāi)展不同射流壓力下水射流仿真分析，得到不同射流壓力下水射流速度云圖，如圖4所示。由圖4可知，噴頭射流的流速云圖關(guān)于噴頭軸線對(duì)稱；噴嘴口處水射流形成錐形等速核，其速度大小與噴嘴處速度大小相等；水射流離開(kāi)噴嘴后，隨著射流距離的增加，其流速逐漸降低，且射流范圍呈扇形發(fā)散。

圖3 水射流流場(chǎng)網(wǎng)格模型

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)噴頭軸線處水射流流速進(jìn)行分析研究，并繪制出噴頭軸線上不同射流壓力下流速變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，水射流在噴嘴處速度迅速提高，且到達(dá)噴嘴出口位置時(shí)射流速度達(dá)到最大值。射流壓力從20～200 MPa的變化過(guò)程中，隨著射流壓力的不斷增加，噴嘴出口處的射流速度不斷提高，當(dāng)射流壓力達(dá)到200 MPa時(shí)，噴嘴出口處流速可達(dá)632 m/s。射流壓力以20 MPa增幅變化過(guò)程中，隨著射流壓力的增加，噴嘴出口處射流速度的增幅變小。淹沒(méi)環(huán)境對(duì)水射流有明顯的削弱作用，且其噴嘴出口處射流速度越高，速度曲線變化越劇烈，對(duì)射流的削弱效果越明顯。

利用式(6)，計(jì)算得到不同射流壓力下噴嘴出口處流速的理論解，并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了分析驗(yàn)證。不同射流壓力下，噴嘴出口流速理論解與仿真解曲線如圖6所示。由圖6可知，數(shù)值仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果基本相等，數(shù)值仿真結(jié)果曲線與理論計(jì)算結(jié)果曲線變化規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 水射流速度云圖

圖5 噴頭軸線處不同射流壓力下水射流流速變化曲線

圖6 噴嘴出口流速理論解與仿真解曲線

3.3 射流距離對(duì)射流作用效果影響研究

射流速度隨著射流距離的增加而減小，且射流速度與靶面上射流的滯止壓力密切相關(guān)。控制射流壓力為200 MPa，對(duì)射流距離與射流動(dòng)壓進(jìn)行分析，得到不同距離的靶面上射流動(dòng)壓分布如圖7所示。

圖7 不同距離的靶面上動(dòng)壓云圖

由圖7可知，當(dāng)射流壓力一定時(shí)，隨著射流距離的增大，靶面上射流動(dòng)壓明顯降低，但射流作用面積逐漸增大。對(duì)于樁腿內(nèi)不同性質(zhì)的雜質(zhì)，可通過(guò)改變射流距離來(lái)完成雜質(zhì)的破碎清除。當(dāng)射流距離為20 mm時(shí)，射流動(dòng)壓可達(dá)46.1 MPa，可將樁腿內(nèi)水泥、石塊等雜質(zhì)沖擊破碎。當(dāng)射流距離為100 mm時(shí)，噴頭上各噴嘴在靶面上的作用范圍基本重合，可實(shí)現(xiàn)黏性土等易碎雜質(zhì)的大面積清除。

4 結(jié)論

1) 淹沒(méi)環(huán)境對(duì)水射流有明顯的削弱作用，且射流流速越高，射流流速衰減越快，削弱作用越明顯。

2) 水射流流速在噴嘴位置迅速增大，且到達(dá)噴嘴口位置時(shí)達(dá)到最大值。噴嘴口位置存在錐形等速核，其速度大小與噴嘴出口流速相等。

3) 水射流的速度隨射流壓力的增大而增大，射流壓力越大，水射流的速度越高，射流打擊效果越好。

4) 當(dāng)射流壓力一定時(shí)，靶面上射流的動(dòng)壓與射流距離呈負(fù)相關(guān)，射流作用面積與射流距離呈正相關(guān)。射流壓力對(duì)射流作用效果的影響規(guī)律可為樁腿內(nèi)水射流清淤裝置設(shè)計(jì)與作業(yè)提供理論依據(jù)。