一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置及其开沟方法与流程

本发明属于水下工程或海洋工程领域，具体涉及一种海底管道、电缆埋设开沟机及其开沟方法。

背景技术：

在海洋石油开采和跨洋通讯中有许多管线被布放在海底，为保护管线的安全运营需要将其埋设与海底地层中一定深度，冲射式开沟机是完成这项工作的良好设备。通过文献检索发现公开号为CN201410425564的中国专利(公开日期：2014年12月3日，专利名称：一种海底开沟装置)采用液压马达驱动，需要配套发电机、电动机、液压马达，以及很长的液压管路，成本高，液压油容易泄漏，污染海洋环境。公开号为CN200820015530的中国专利(公开日期：2009年7月8日，专利名称：潜水挖沟机)；采用液压驱动两台轴流泵作为开沟动力，两台轴流泵固定在框架上，由托板支撑，该装置同样存在成本高的缺点，同时由于采用托板移动需要拖船拖动，给施工带来不便。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有挖沟机的不足，提出一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置及其开沟方法，可以进行高低压结合喷冲，开凿传统开沟机无法开凿的硬粘土，还可以避免发生液压油泄露。

本发明一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置由水面支持系统和水下开沟机系统组成；所述的水面支持系统由母船、控制柜、柴油机、高压水泵、输水管和脐带缆组成；所述的水下开沟机系统包括阀门、开沟机和成像声纳。所述的开沟机由开沟机外壳、轴流泵叶片、水轮机、导流喷嘴和导流叶片组成；所述的水轮机设置在开沟机外壳内，轴流泵叶片固定在水轮机的转轴上；水轮机的水轮机出水口下方设有导流喷嘴；导流喷嘴固定在开沟机外壳上；导流喷嘴内壁设有导流叶片；控制柜控制柴油机；柴油机驱动高压水泵；输水管的输入口与高压水泵的输出口连接；输水管的一个输出口与水轮机的水轮机入水口连接，另一个输出口处设有阀门；所述脐带缆的一端固定在母船上，另一端用于吊放开沟机；所述的成像声纳固定在开沟机外壳外壁上，将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆传输给控制柜。

所述输水管设有阀门的输出口与高压喷冲臂的输入口通过连接法兰固定。

所述的高压喷冲臂由高压喷冲臂外壳和高压喷嘴组成；所述的高压喷冲臂外壳与输水管的输出口通过连接法兰固定；所述的高压喷嘴包括垂向喷嘴和倾斜喷嘴；垂向喷嘴布置在两侧，两个垂向喷嘴之间布置多个倾斜喷嘴，相邻倾斜喷嘴的夹角为30～50°，且相邻倾斜喷嘴的倾斜方向不同。

本发明一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置在土层抗剪强度小于90KPa粘土区域的开沟方法，具体如下：

(1)开沟作业在管线布放之后，母船停靠在管线上方，阀门关闭，将水下开沟机系统放入水中，使水下开沟机系统位于管线正上方，导流喷嘴与管线外壁的距离为1～1.5m。

(2)启动柴油机，高压水泵开始工作，压力为1～2MPa的高压水流沿输水管从水轮机入水口流入，从水轮机水出口流出；在高压水流的驱动下，水轮机开始工作，带动轴流泵叶片旋转，产生流量为15000m³/h、流速为10m/s的射流，对海底土层进行冲刷，完成开沟作业。

(3)成像声纳将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆传输给控制柜。

(4)开沟机一边工作，母船一边沿设定路线向前移动，完成开沟作业。

本发明一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置在土层抗剪强度大于或等于90KPa粘土区域的开沟方法，具体如下：

(1)开沟作业在管线布放之前，输水管设有阀门的输出口与高压喷冲臂的输入口通过连接法兰固定，阀门打开。母船停靠于设定路线上方，将水下开沟机系统放入水中，使水下开沟机系统位于作业路线正上方，高压喷嘴与海底的距离为1～1.5m。

(2)启动柴油机，高压水泵开始工作，压力为1～2MPa的一部分高压水流沿输水管从水轮机入水口流入，从水轮机水出口流出；在高压水流的驱动下，水轮机开始工作，带动轴流泵叶片旋转，产生流量为15000m³/h、流速为10m/s的射流，对海底土层进行冲刷，完成开沟作业。

(3)另一部分高压水通过阀门流向高压喷冲臂，经过高压喷嘴后沿不同方向喷冲对硬粘土进行切割；而开沟机喷出的射流将切割后的粘土块冲走，从而形成需要的沟槽。

(4)成像声纳将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆传输给控制柜。

(5)开沟机一边工作，母船一边沿设定路线向前移动，完成开沟作业。

本发明的有益效果：

本发明仅需柴油机和高压水泵驱动，省去了发电机、电动机、液压泵站、液压马达等高成本装置，使得造价降低，可靠性得到提高。由于没有液压系统，不会发生液压油泄露，避免了对海洋环境的污染。同时本发明还可以进行高低压结合喷冲，可开凿传统开沟机无法开凿的硬粘土。因此，本发明对海底的工程地质环境适应性强，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中开沟机的剖视图。

图3为本发明中高压喷冲臂的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种水轮机驱动冲射式水下开沟装置，由水面支持系统和水下开沟机系统组成；水面支持系统由母船1、控制柜2、柴油机3、高压水泵4、输水管5和脐带缆7组成；水下开沟机系统由阀门6、开沟机8、成像声纳9、高压喷冲臂10和连接法兰11组成。

如图2所示，开沟机8由开沟机外壳8-1、轴流泵叶片8-2、水轮机8-3、导流喷嘴8-6和导流叶片8-7组成；水轮机8-3设置在开沟机外壳8-1内，轴流泵叶片8-2固定在水轮机8-3的转轴上；水轮机8-3的水轮机出水口8-5下方设有导流喷嘴8-6；导流喷嘴8-6固定在开沟机外壳8-1上；导流喷嘴8-6内壁设有导流叶片8-7，对水流起导向作用。母船1是整个水面支持系统的载体，控制柜2控制柴油机3；柴油机3驱动高压水泵4；输水管5的输入口与高压水泵4的输出口连接；输水管5的一个输出口与水轮机8-3的水轮机入水口8-4连接，另一个输出口与高压喷冲臂10的输入口通过连接法兰11固定；输水管5将高压水泵4产生的一部分高压水流输送到水轮机8-3以驱动水轮机，另一部分高压水流输送到高压喷冲臂10；脐带缆7的一端固定在母船1上，另一端用于吊放开沟机；成像声纳9固定在开沟机外壳8-1外壁上，将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆7传输给控制柜2。

与高压喷冲臂10输入口连接的输水管5输出口处设有阀门6，控制流向高压喷冲臂的流量。

如图3所示，高压喷冲臂由高压喷冲臂外壳10-1和高压喷嘴组成；高压喷冲臂外壳10-1与输水管5的输出口通过连接法兰11固定；高压喷嘴包括垂向喷嘴10-2和倾斜喷嘴10-3；垂向喷嘴10-2布置在两侧，两个垂向喷嘴10-2之间布置六个倾斜喷嘴10-3，相邻倾斜喷嘴10-3的夹角为40°，且相邻倾斜喷嘴10-3的倾斜方向不同。

高压喷冲臂10可以拆卸，可以根据海底地层的地质条件确定是否需要高压喷冲，当海底地层抗剪强度大时，则安装高压喷冲臂，以切割硬粘土。当地层抗剪强度较小时，则不安装高压喷冲臂，减小功耗。

该水轮机驱动冲射式水下开沟装置有两种开沟模式，具体如下：

1、高-低压结合喷冲开沟模式(先开沟作业模式)

该模式适合在硬粘土区域开沟作业(土层抗剪强度大于90KPa)，开沟作业在管线的布放作业之前，具体过程如下：

(1)母船停靠于规划好的作业路线上方，将水下开沟机系统放入水中，使其位于作业路线正上方，高压喷冲臂接近海底硬地层。水下开沟机系统包括：开沟机、阀门、高压喷冲臂，阀门为打开状态。

(2)启动柴油机，高压水泵开始工作，压力为1～2MPa的一部分高压水流沿输水管从水轮机入水口5-4流入，从水轮机水出口5-5流出；在高压水流的驱动下，水轮机开始工作，带动轴流泵叶片旋转，产生流量为15000m³/h、流速为10m/s的射流，对海底土层进行冲刷，完成开沟作业。

(3)另一部分高压水通过阀门流向高压喷冲臂，经过喷嘴后沿不同方向喷冲对硬粘土进行切割；而开沟机喷出的射流将切割后的粘土块冲走，从而形成需要的沟槽。

(4)成像声纳将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆7传输给控制柜2。

(5)开沟机一边工作，母船一边沿设定路线向前移动，完成开沟作业。

2、低压喷冲开沟模式(后开沟作业模式)

该模式适合在普通粘土区域开沟作业(土层抗剪强度小于90KPa)，开沟作业进行之后，管线已经布放于海底，具体过程如下：

(1)母船停靠在管线上方，将水下开沟机系统放入水中，使其位于管线正上方，导流喷嘴8-6接近管线。水下开沟机系统不携带高压喷冲臂，阀门关闭；

(2)启动柴油机，高压水泵开始工作，压力为1～2MPa的高压水流沿输水管从水轮机入水口5-4流入，从水轮机水出口5-5流出；在高压水流的驱动下，水轮机开始工作，带动轴流泵叶片旋转，产生流量为15000m³/h、流速为10m/s的射流，对海底土层进行冲刷，完成开沟作业。

(3)成像声纳将测量的开沟机开沟深度信号通过脐带缆7传输给控制柜2。

(4)开沟机一边工作，母船一边沿设定路线向前移动，完成开沟作业。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。