基于正交投影法的導(dǎo)管架平臺(tái)切割技術(shù)優(yōu)選

馮士倫 ，朱曉宇 ，楊 虎 ，李 焱 ，唐友剛

1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350

2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350

導(dǎo)管架平臺(tái)拆除過(guò)程中，一項(xiàng)重要的施工技術(shù)是切割導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，其操作復(fù)雜，難度極大，且危險(xiǎn)性極高[1]。目前已有的工作主要集中于導(dǎo)管架平臺(tái)切割拆除技術(shù)的研究，對(duì)切割技術(shù)的原理、適用范圍、經(jīng)濟(jì)性、安全性等有了比較全面的分析，但是對(duì)于切割技術(shù)的性能比較、選用方法、優(yōu)選排序，卻研究甚少。本文主要針對(duì)5種導(dǎo)管架平臺(tái)海上切割技術(shù)的各項(xiàng)性能進(jìn)行比較分析，并基于正交投影法進(jìn)行優(yōu)選排序，為海上平臺(tái)切割作業(yè)方法的選擇提供指導(dǎo)。

1 切割技術(shù)

1.1 火焰切割技術(shù)

火焰切割[1]（Flame Cutting） 是導(dǎo)管架平臺(tái)水面以上樁腿切割的主要技術(shù)方法，主要包括乙炔氣切割、丙烷氣切割、天然氣切割等，這些切割方法采用的割炬大同小異，包括乙炔接頭、氧氣接頭、乙炔閥、氧氣接頭、預(yù)熱氧氣閥、切割氧氣閥、割嘴等。使用乙炔割炬槍可以手工操作切割，也可以將割炬槍固定在磁力爬行切割工具上，利用磁力吸在樁腿上，構(gòu)成磁力爬行切割機(jī)進(jìn)行切割。

1.2 水下氧弧切割技術(shù)

水下氧弧切割技術(shù)[2]是利用電弧放電產(chǎn)生的高溫和氧氣助燃使被切割金屬構(gòu)件燃燒熔化，并借助氧氣流的沖力將切割縫中的熔融金屬及氧化熔渣吹除以形成割縫，從而達(dá)到切割目的。

1.3 高壓水射流切割技術(shù)

高壓水射流切割技術(shù)[3]是利用大功率柱塞泵將常壓水加壓到上百兆帕，而后將其從特制的高壓耐磨噴嘴中噴射出，在高壓高速水射流中加入一定數(shù)量的、具有一定質(zhì)量和硬度的磨料顆粒（石榴石、銅渣等） 而形成液固兩相流，水射流接觸到海洋構(gòu)件時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力，從而可以高效切割目標(biāo)構(gòu)件。切割壓力達(dá)到140 MPa以上，可以用于切割鋼鐵、合金類材料等。

1.4 金剛石繩鋸切割技術(shù)

金剛石繩鋸機(jī)切割作業(yè)系統(tǒng)由夾緊機(jī)構(gòu)、電磁閥箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置、切割框架等組成。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置高速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)串珠繩運(yùn)動(dòng)，利用金剛石的硬度與繩索的柔性對(duì)切割對(duì)象進(jìn)行高速磨削以完成切割任務(wù)[4]。此種切割技術(shù)安裝方便，操作簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用較低，切割噪音低，無(wú)污染。

1.5 液壓剪切割技術(shù)

液壓剪（別名鷹嘴剪）由鉗體、液壓油缸、可動(dòng)刀片和固定刀片等組成，由液壓系統(tǒng)為液壓油缸提供油壓，利用液壓剪的可動(dòng)刀片和固定刀片的張合進(jìn)行剪切。液壓剪適用于非再利用結(jié)構(gòu)部分的拆解切割[5]。

2 基于正交投影法的導(dǎo)管架切割技術(shù)優(yōu)選

2.1 正交投影法介紹[6]

正交投影法是一種基于有限方案選擇的多目標(biāo)決策方法。正交投影法以與理想解的“垂面”距離大小作為判斷方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，點(diǎn)M和N分別為理想解點(diǎn)和負(fù)理想解點(diǎn)，點(diǎn)J和I分別為MN與以MN為法向量的兩個(gè)平面的交點(diǎn)，點(diǎn)X，Y為兩平面的任意一點(diǎn)，設(shè)點(diǎn)M，N，X，Y所對(duì)應(yīng)的向量為a，b，x和y，則點(diǎn)X,Y之間的距離方程式為[6]：

圖1 垂直距離示意

式中：“·”為向量的點(diǎn)積，“||||”指范數(shù)。

該式可以推廣到n維。利用正交投影法尋找最優(yōu)解，即是確定式（1）距離的最小點(diǎn)。與最優(yōu)解的“垂面”距離越小，則該方案越好；反之，則越差。基于此原理和方法，可以對(duì)5種切割技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選排序。

本文基于正交投影法編程進(jìn)行優(yōu)選排序，正交投影法的計(jì)算原理和步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。

2.2 應(yīng)用案例分析

綜合對(duì)比評(píng)估5種導(dǎo)管架切割技術(shù)方法的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，構(gòu)建出切割技術(shù)優(yōu)選指標(biāo)體系，包括切割能力、環(huán)境適用性、經(jīng)濟(jì)適用性和社會(huì)影響這4類，將4類指標(biāo)細(xì)化得到指標(biāo)體系：切割精度、適用范圍、工作效率、環(huán)境適應(yīng)能力、故障率、設(shè)備使用成本、人工勞動(dòng)成本、環(huán)境污染和海域占用時(shí)間等，分別用 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9分別代表體系中的指標(biāo)?？紤]不同切割方式的技術(shù)指標(biāo)B1～B9，綜合專家的資料經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，得到表1；考慮不同專家的資歷、經(jīng)驗(yàn)，得到專家對(duì)技術(shù)指標(biāo)的重要性排序，見(jiàn)表2。

表1 切割技術(shù)性能評(píng)估值

表2 專家對(duì)技術(shù)指標(biāo)的重要性排序

基于表1和表2，根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]的正交投影法編制程序計(jì)算，得到不同切割技術(shù)的垂直面距離Pi（i=1，2，3，4，5），即表3所示切割技術(shù)評(píng)估值。

表3 切割技術(shù)評(píng)估值

由表3得到，液壓剪切割技術(shù)垂直面距離P5最小，為最優(yōu)切割技術(shù)；水下氧弧切割技術(shù)垂直面距離P2最大，為技術(shù)指標(biāo)最低切割技術(shù)。由表3得到不同切割技術(shù)的優(yōu)選排序?yàn)椋阂簤杭羟懈?高壓水射流切割>金剛石繩鋸切割>火焰切割>水下氧弧切割。顯然該排序?qū)h(huán)境保護(hù)放在重要位置，水下氧弧切割過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于環(huán)境的污染較其他切割技術(shù)嚴(yán)重，所以排序在后。而液壓剪切割屬于純物理過(guò)程，不會(huì)污染海洋環(huán)境，所以排序在第一位，此外切割施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)小，簡(jiǎn)便，也是優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）考慮本文的技術(shù)指標(biāo)體系，切割技術(shù)優(yōu)選排序?yàn)椋阂簤杭羟懈罴夹g(shù)>高壓水射流切割技術(shù)>金剛石繩鋸切割技術(shù)>火焰切割技術(shù)>水下氧弧切割技術(shù)。

（2）對(duì)于水上結(jié)構(gòu)切割，選擇切割技術(shù)的順序?yàn)椋阂簤杭羟懈罴夹g(shù)>高壓水射流切割技術(shù)>金剛石繩鋸切割技術(shù)>火焰切割技術(shù)。

（3）對(duì)于水中結(jié)構(gòu)切割，選擇切割技術(shù)的順序?yàn)椋阂簤杭羟懈罴夹g(shù)>高壓水射流切割技術(shù)>金剛石繩鋸切割技術(shù)>水下氧弧切割技術(shù)。

（4）對(duì)于泥面以下結(jié)構(gòu)的切割，選擇切割技術(shù)的順序?yàn)椋焊邏核淞髑懈罴夹g(shù)>金剛石繩鋸切割技術(shù)>水下氧弧切割技術(shù)。

（5）由于液壓剪切割技術(shù)屬于破壞性拆除，切割后的樁腿結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，不能重復(fù)使用。如果考慮導(dǎo)管架拆除后重復(fù)利用，則任何位置的拆除不能使用液壓剪切割技術(shù)。