基于ROV的水下高壓水射流系統(tǒng)及工藝研究

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)過噴嘴時(shí)的能量損失[11]。通過查閱相關(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，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)水射流掃過的面積。進(jìn)而影響到噴槍的清除效果和工作效率。經(jīng)過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2個(gè)嵌入式的小軸承與箱體連接，噴槍與箱體底部通過推力軸承連接，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)過程中，其實(shí)際工況可以通過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，將來可以大范圍用于海底導(dǎo)管架附著海生物的清理。