基于ROV的水下高压水射流系统及工艺研究

陈凤生，徐志毅，王雪斌，朱智慧，高 辉，刘飞飞，狄 冰，莫子翠

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程建设中心，广东 深圳 518051；2.中海辉固地学服务(深圳)有限公司，广东深圳 518051；3.北京石油化工学院，北京 102617)

清除海底导管架上附着的海生物是海洋平台维护工作的关键环节之一，传统的清除技术有高压水冲洗技术、空化射流冲洗技术和液压打磨技术[1]，这些清除技术一般都需要潜水员在水下辅助操控，对人员技术要求较高、人工劳动强度极大。水压产生反作用力、清洗的碎屑和残渣飞溅、清洗时视线不佳都会对人员产生一定危险，人工局限性导致清洗速度和效率都不高。而笔者基于ROV的水下高压水射流系统是清除装置和ROV联合作业、只需远程操控的系统，全程几乎不需要潜水员下水作业，弥补了传统清除技术中存在的一系列不足，大大降低了作业人员的工作强度和技术要求，并且具有清洗成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点[2-3]，完全符合海洋平台导管架清洗的需求。

1 高压水射流原理及系统组成

高压水射流技术作为一门新兴技术越来越受到人们的关注，广泛应用于管道、道路、设备等的清洗；多种材料的切割、采矿工程；以及建筑混凝土的破碎、清洗、打毛等项目[4-5]。

1.1 高压水射流技术简介

高压水射流技术是通过高压柱塞泵等大功率液压泵将常压水加压到几十或者上百兆帕后，以极高的速度(30～400 m/s)从耐高压的专用喷嘴(喷嘴直径一般在几mm甚至小于2 mm范围内)喷射出，喷射出的射流束蕴含着极高的能量，所以接触到物体时会产生强大的冲击力，射流束作用于材料表面产生的冲击力大于附着物的附着力时，就可清理设施表面附着物[6]。通过调整射流的水压、流量、冲击角度、喷嘴结构以及孔径可实现不同的功能[7]。当用于海生物清理时，压力一般控制在49～77 MPa，水束的方向与表面成30°为清理的最佳冲击角度；一旦达到140 MPa以上的压力就可用于切割钢铁类材料[8-9]。

1.2 高压水射流系统组成

高压水射流系统包括高压水发生装置、水射流控制系统、执行系统三部分组成。其中高压水发生装置包括高压水泵机组和增压器机组；水射流控制系统包括各类液压阀以及电控柜；执行系统包括高压水射流喷枪和喷枪旋转辅助机构。高压水射流系统组成如图1所示。执行系统需要专门设计，其他两部分只需对已有的一些设备或配件进行选型。

高压水泵站是高压水射流系统的动力来源和核心部件，是产生高能量水射流的关键。我国的高压水泵机组功率较低，而发达国家拥有200～300 kW的大功率高压水泵机组设备，适用于清洗、除锈、破碎等不同工程要求。大功率的超高压泵机组大多由柴油机提供动力，常常由绞车承载，方便移动[27]。进行海底导管架附着海生物清除时，只需能提供70 MPa压力的液压泵站即可达到清除目的，所用泵站可提供的最大流量为90 L/min 。

如果需要的射流压力特别大，液压泵站无法提供时，还可接入水压液压增压器，如图2所示。

液压增压器本质上就是液压增压缸，是一种利用两腔活塞(柱塞)作用面积不相等，将输入低压转换为高压或超高压的液压元件[10]。其特点是：可提供比低压端更高的压力；高、低压腔的工作介质可以为同一介质，也可以使用不同介质；高低压活塞直线运动，无侧向力，寿命长；可以减少或省去高压部分的液压控制元件；体积相对较小。 液压增压器主要用于需要增压、稳压或高压的场合。

控制系统比较简单，且技术比较成熟，故此处不做具体介绍。下面主要对执行系统进行详细介绍，包括设计、仿真和实际效果展示。

2 高压水射流执行系统的结构以及设计

高压水射流执行系统是整个水下高压水射流系统中“作业在一线”的核心部分，其结构和设计参数决定着高压水射流系统的工作效率以及质量。水射流执行系统结构简图和三维结构图分别如图3、图4所示。该执行系统由高压水射流喷枪和喷枪旋转辅助机构两部分组成，接下来对其各部分的结构及其设计要点进行逐步介绍。

2.1 高压水射流喷枪的设计及参数确定

喷枪主要由喷嘴、喷头、旋转喷头连接杆和高压水管连接头组成，设计要点如下：

(1)喷嘴是高压水最终的出口，所以喷嘴的出口直径和内部形状是喷嘴设计的关键参数。将喷嘴内部形状设计为锥直型，这样可以减少高压水经过喷嘴时的能量损失[11]。通过查阅相关文献并参考国内外类似设备发现，1.6 mm喷嘴最为常见，最后应用FLUENT对其进行仿真计算，结果显示喷嘴孔径为1.7 mm时喷枪的清除效果最佳，所以将其设计为1.7 mm。此外，由于射流束以极高的速度和压力从喷嘴出口喷出，所以对喷嘴出口会有较大的磨损，所以实际加工时喷嘴应选用耐磨材料。

(2)在设计喷头时，主要考虑的是连接喷嘴的个数以及倾角，这将直接影响水射流离开喷嘴时的动压和速度，以及喷枪旋转时水射流扫过的面积。进而影响到喷枪的清除效果和工作效率。经过FLUENT仿真计算和以往的经验，并结合泵站所能提供的流量，最后确定喷头连接2个倾角为30°的喷嘴，此时效果最佳。

(3)旋转喷头连接杆只是起连接作用，在不影响喷枪旋转辅助机构安装以及正常工作的前提下，应尽量使其体积小一点，这样既可以减少喷枪质量，还可以让高压水迅速充满喷枪，缩短系统启动时间。

(4)高压水管连接头既是高压水的接入口，又是喷枪中动静连接的关键部位，此处属于动密封，所以在高压水连接头与喷枪杆连接的部位安装了耐磨的动密封圈。此外，为了保证同轴度和避免相互磨损，在高压水管连接头内部安装了铜轴套。

(5)为了方便ROV夹持，还在传动箱外侧加设了柔性夹持结构；同时在喷枪的另一侧安装了防碰撞保护罩，以保证喷枪在工作的过程中不会被损坏。

2.2 喷枪旋转辅助机构

喷枪旋转辅助机构的主体为旋转喷头传动箱，其内部是1个二级减速传动系统，由液压马达带动小齿轮转动，然后小齿轮将转矩传给中间齿轮，中间齿轮再将转矩传给大齿轮，最后大齿轮通过键传动带动喷枪旋转。中间齿轮的转动轴上下通过2个嵌入式的小轴承与箱体连接，喷枪与箱体底部通过推力轴承连接，限制喷枪向下运动，高压水管连接头通过螺钉与箱体端盖固定，限制了喷枪向上运动，这样就可以保证喷枪相对于整个旋转辅助机构只做旋转运动。

3 高压水射流的FLUENT仿真

为了进一步验证系统设计的合理性以及对不合理的一些设计参数进行优化，通过商用软件FLUENT对喷枪内外高压水的流动状态进行仿真分析。利用GAMBIT建立喷枪模型并进行网格划分，其中喷嘴数为2 ，喷嘴倾角为30°，喷嘴出口直径为1.6 mm。将创建好的喷枪模型导入FLUENT中，设置边界条件，分别将入口边界条件设置为压力入口和流量入口，压力入口中入口压力设置为泵站所能提供的最大压力，即70 MPa，流量入口中入口流量设置为泵站所能提供的最大流量，即90 L/min，假设该喷枪在100 m水深下工作，出口压力设置为1 MPa。进行数值计算后得到动压云图和速度云图。将不同入口边界条件下得到的动压云图和速度云图分别进行对比，结果如图5、图6所示。

由图5、图6可知，入口流量为90 L/min时，喷嘴出口处的最大动压约为95 MPa，最大速度约为410 m/s；入口压力为70 MPa时，喷嘴出口处的最大动压约为75 MPa，最大速度约为360 m/s。由此可以发现，按入口流量为90 L/min的流量入口边界条件计算出的喷嘴出口最大动压和最大速度均比按入口压力为70 MPa的压力入口边界条件计算出的大，说明喷嘴数为2、出口直径为1.6 mm时，喷枪所需流量小于90 L/min。即泵站流量有所富余(也可根据流量计算公式计算喷嘴出口处的流量，可以得到相同的结论)。于是将碰嘴直径增加到1.8 mm，其他参数与喷嘴直径为1.6 mm时保持一致，再次进行数值计算后得到的动压云图和速度云图如图7、图8所示。

由图7、图8可以看出，入口流量为90 L/min时，喷嘴出口处的最大动压约为60 MPa，最大速度约为320 m/s；入口压力为70 MPa时，喷嘴出口处的最大动压约为75 MPa，最大速度约为350 m/s。由此可知，按入口流量为90 L/min的流量入口边界条件计算出的喷嘴出口最大动压和最大速度均比按入口压力为70 MPa的压力入口边界条件计算出的小，说明喷嘴数为 2、出口直径为1.8 mm时，喷枪所需流量大于90 L/min。即泵站流量不足(也可根据流量计算公式计算喷嘴出口处的流量，可以得到相同的结论)。

综上所述，当喷嘴出口直径取1.6～1.8 mm之间的某一值时，喷枪2个喷嘴所需流量正好等于泵站所能提供的最大流量90 L/min，此时喷枪的清除效果最好。所以喷嘴出口直径取其中间值1.7 mm。由仿真结果可以看出，按该参数设计出的高压水射流系统的有效射程(对海生物有清除能力的射流束长度)能达到50 mm，可以满足导管架附着海生物的清除要求，设计合理。

4 实际效果展示

4.1 执行系统实物模型

水下高压水射流执行系统在旋转辅助机构侧视角和喷枪侧视角下的实物模型分别如图9、图10所示。该装置因加工材料为不锈钢，表面未做防锈处理，所以外表面呈银白色。为了方便观察喷枪结构，展示时没有安装防碰撞保护罩。

4.2 陆上实验及水下实际作业

系统在下水作业之前需进行陆上实验，对其清除效果进行相关测试，如图11所示。旋转喷枪被绳子紧固在固定架上，右侧连接液压油路管道给旋转马达提供动力，左侧连接高压水管道。实验开始时，喷枪匀速旋转并喷射出高压水射流，水射流对地面产生强烈冲击，造成半径约1 m、深度约0.1 m的槽口。

系统在水下进行实际作业过程中，其实际工况可以通过ROV自带摄像头观测，结果如图12所示。ROV机械臂操控旋转喷枪喷射出高压水射流，对导管架表面附着海生物进行清除工作，图12上半部分是未清除导管架部分，下半部分是已清除导管架部分，通过对比可以看出，未清除部分海生物附着严重，已清除部分基本没有海生物附着，清除效果明显。此次水下实际作业的清除效果对比证明了本系统在实际工程中应用的可行性。

5 结论

高压水射流技术广泛应用于各个领域，以参与的实际项目为例对水下高压水射流系统作了深入研究，详细地介绍了高压水射流清洗装置的组成以及关键部位(执行系统)的设计，并对所设计的喷枪进行了FLUENT仿真，验证了喷枪设计参数的合理性，最后将整套高压水射流系统进行陆上实验和水下实际作业，结果显示：该系统操作简单，对海生物的清除效果明显、效率高，使作业时间大幅度缩短，完全满足海底导管架附着海生物的清理要求；并且全程由ROV控制，无需潜水员下水作业，实现了海生物清理的自动化操作。与传统的清除方法相比，由于其作业工期短、人员配备少，从而大大降低了清理成本，提高了经济效益，将来可以大范围用于海底导管架附着海生物的清理。