CN109594603A - 一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型rov型挖沟机 - Google Patents

Abstract

本发公开了一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，用于快速清理已埋海油管道上方的淤泥。本发明包括滑撬、浮力材料、ROV本体以及射流型ROV型挖沟机控制系统，其中，ROV本体整体是一体化的金属框架，为系统的各个部件提供安装和支撑；浮力材料位于ROV本体上部，为挖沟机提供一定的浮力；滑撬位于ROV本体底部；射流型ROV型挖沟机控制系统由挖泥机的控制器、姿态传感器、海管检测传感器、动力包、伺服阀箱、推进器系统、高压泵和喷射臂组成，连接在ROV本体内部，控制器根据各传感器提供的信息控制规划挖沟机的工作路径和工作性能。本发明为海油管道的开挖和清理提供新的解决方案，同时为海油工程的顺利清理和实施提供了保障。

Description

一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机

技术领域

本发明涉及的是一种射流型ROV型挖沟机，该系统是一种能够快速清理已埋海油管道上方淤泥的系统，属于海上作业机械领域。

背景技术

遗弃海洋石油管道在十年左右需要清理、开挖、回收。浅海的海管通常浅埋在海底1米左右，上面覆盖较厚的淤泥。传统的清理淤泥方法采用清泥船清理海管上的污泥后，用起管船将海管拉起、回收后分段切割，此方法费用较高，主要在于海管上方污泥的清理需要大型船舶支持挖沟机在水下工作，每天需要工作费用近二十余万元。若采用有缆作业型机器人(ROV)携带挖沟机清理海管也不能满足要求，一方面挖沟机较重(24吨)，目前的国内外的ROV都携带不了这么重的设备，如进行特别研制，无论功率和费用都很高；另一方面挖沟机清理淤泥时会产生较大反作用力，会导致系统无法自稳。

海底挖沟机有犁式挖沟机、海底射流式挖沟机、海底机械式挖沟机三种。各种海底挖沟机的比较可以得出：(1)按照最大作业水深能力由浅到深依次为射流式挖沟机、犁式挖沟机、机械式挖沟机。(2)对于各种不同的海底土质，机械式挖沟机和犁式挖沟机的适应能力较强，射流式挖沟机次之。(3)在同样速率下，犁式挖沟机的功率消耗最低。(4)根据目前有关海底挖沟机的参考资料，比较各种海底挖沟机的挖沟速度，犁式挖沟机适合于在粘土及散沙中高速工作，速度高于机械式挖沟机，而在砂土中犁式挖沟机的速度则低于机械式挖沟机。犁式挖沟机的速度分布跨度大(20～800m.hf-1)，机械式挖沟机的速度主要集中在100～300m.hf-1。挖沟速率主要受海底土壤类型和挖沟作业的功率影响，该项参数能够反映海底挖沟装备技术的先进性。(5)通过对现有机型可埋设的管道直径和施工中可能出现的埋设管道的直径进行统计，得到射流式挖沟机可以埋设管道直径的范围最大，最大可达到84＂。犁式挖沟机因受牵引力因素的制约，其埋管直径一般在24-40＂。如果是对已埋管道进行清理开挖，而不是为管道预埋开挖新的管道，则由于已埋管道上方的土质相对周围较为松散，并且采用犁式挖沟机容易对土层下方的管道造成破坏，后期不易清理，适合采用射流形式挖沟机，所以采用射流助推型ROV型挖沟机具有较为突出的优点。

发明内容

本发明提供的是一种一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV(有缆作业型机器人)型挖沟机，目的在于能够快速清理已埋海油管道上方淤泥。

本发明具体内容如下：一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其整体包括：滑撬5、浮力材料6、ROV本体7以及射流型ROV型挖沟机控制系统；其中，ROV本体7整体是一体化的金属框架，结构尽量简化轻质，为系统的各个部件提供安装和支撑；浮力材料6位于ROV本体上部，为射流助推型ROV型挖沟机提供一定的浮力，保证ROV水下安全稳定运行；滑撬5位于ROV本体底部，用于支撑射流助推型ROV型挖沟机在海底水平运动，减少系统在水下压强，避免陷入海底淤泥之中；射流型ROV型挖沟机控制系统由挖泥机的控制器、姿态传感器、海管检测传感器3、动力包、伺服阀箱、推进器系统、高压泵和喷射臂4组成。

海管检测传感器采用TSS管缆探测系统，能够检测海管的埋藏深度、海管相对ROV的水平偏移量，为射流助推型ROV型挖沟机自动清理提供准确的海管位置信息；

推进器系统由4个前向推进器8、2个侧向推进器2和4个垂向推进器1组成，其中前向推进器分布在ROV本体后端，垂向推进器分布在ROV本体的四个角，侧向推进器分布在ROV本体前侧两端，通过推进器系统挖沟机能够进行三维空间位移和旋转运动；各推进器产生的推力公式如下：

可根据各推进器进行推进器标定试验，标定出各参数量，为进行整机计算和动力学建模打下基础。

将各推进器推力进行整理，设定挖泥机的质量为m，前向运动加速度为a，则有：

ma＝f_{左前向推力}+f_{右前向推力}-f_{左侧摩擦力}-f_{右侧摩擦力}-f_水阻力-f_{喷射反作用力}*cos45 (6)

为保证挖泥机能够按照检测海管的方向运动，可通过侧向推进器进行调整，如保持当前航向运用，则有如下公式：

f_左侧向力＝f_右侧向力 (7)

为保证挖泥机正常作业，需保证挖泥机接触海底，则有：

f_后垂向力+f_前垂向力+mg＝f_{喷射反作用力}cos45 (8)

喷射臂布置在挖沟机前侧，可以根据实际任务需要，调节喷射臂的间距和俯仰角来达到最佳的效果；挖泥机上的喷射臂是两条，每条喷射臂上各有一排喷射孔，喷射孔相邻孔的出水角度分别向内向外斜向45°角，两条喷射臂交叉可形成较大的喷水区域。

设单孔的喷射水中心压力为P_m，其它个点的压力P随着距离r的增大而逐渐减小至环境压力。

式中，b_1/2——射流的半宽厚度

P_m——射流中心处的动压

其中

式中，u_max——射流中心处的流速

式中，Q——喷嘴流量

u——喷嘴出口流速

ν——流体动力粘度

l——喷嘴距喷射面距离

基于推导的公式，所产生的射流区域是圆形区域，挖泥机工作的区域为的垂直和水平剖面在挖泥机有效速度下能够保证挖泥的海管从海床下露出来。

挖泥机的控制器是控制系统的核心部件，用于根据TSS管缆探测系统提供的海管信息，规划推进器，控制挖泥机前进方向，保证挖泥机能够沿着浅埋在海床的海管方向移动，同时能够根据检测挖泥机的姿态信息控制垂直推进器和侧向推进器，保证挖泥机正确的工作姿态；姿态传感器用于检测挖泥机实时姿态信息，保证系统按照既定的姿态工作；TSS管缆探测系统用于检测浅埋海床下的海管，为挖泥机提供海管位置信息；动力包是由电机、液压泵、油箱和若干液压元件组成，为挖泥机的液压系统提供能源和动力；伺服阀箱是根据挖泥机控制器提供的控制信息分配各向推进器、高压泵等执行元件的动力，控制各个执行元件工作流量和工作速度；高压泵为喷射臂提供高压水流，喷射臂是产生高压水的机构，是挖泥机进行挖泥的执行工具。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

(1)本发明方案适合全海域的海管开挖情况，系统功率大，结构紧凑，作业效率高的特点。

(2)与现有方案相比，本发明能够安放在海管回收船上，而不需要单独提供挖泥机的辅助船，能够极大节约海上工程作业成本，提高作业效率。

(3)本挖泥机采用的两条交叉且具有一定喷射角度的喷射嘴，能够有效提高挖泥能力，而且扩大了单次挖泥的区域实现不同地质特点的清理能力。

(4)两条喷射臂的间距和角度具有可调性，能够适应较为复杂地形的海底区域和不同土质地层挖掘。

(5)该发明为水下机器人运动控制提供有效借鉴方案，具有重要的实际工程意义和理论价值。

附图说明

图1射流型ROV型挖沟机整体结构示意图

图2推进器全误差建模分析

图3系统受力分析

图4喷射水喷射时土体的受力情况

图5喷射嘴到喷射面的锥形

图6喷射臂吹泥垂直剖面分析

图7喷射臂吹泥水平剖面分析

图8射流型ROV型挖沟机控制系统示意图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明。

实施1：如图1所示，射流型ROV型挖沟机的整体分为如下几个部分：喷射臂布置在挖沟机前侧，可以根据实际任务需要，调节两喷射臂的间距和俯仰角，达到最佳的效果；管道检测传感器采用TSS管缆探测系统能够检测海管的埋藏深度、海管相对ROV的水平偏移量，为射流助推型ROV型挖沟机自动清理提供准确的海管位置信息；ROV本体整体是一体化的金属框架，结构尽量简化轻质，为系统的各个部件提供安装和支撑；浮力材料为射流助推型ROV型挖沟机提供一定的浮力，保证ROV水下安全稳定运行；推进器系统由水平6个推进器和垂直4个推进器组成，能够进行三维空间位移和旋转运动；滑撬用于支撑射流助推型ROV型挖沟机在海底水平运动，减少系统在水下压强，避免陷入海底淤泥之中。

实施2：如图2所示，射流型ROV型挖沟机系统共有10个推进器，其中4个水平前进方向推进器，4个纵向推进器，2个侧向推进器。射流型ROV型挖沟机系统各推进器产生的推力公式如下：

可根据各推进器进行推进器标定试验，标定出各参数量，为进行整机计算和动力学建模打下基础。

实施3：如图3所示，将各推进器推力进行整理，设定挖泥机的质量为m，前向运动加速度为a，则有：

ma＝f_{左前向推力}+f_{右前向推力}-f_{左侧摩擦力}-f_{右侧摩擦力}-f_水阻力-f_{喷射反作用力}*cos45 (6)

为保证挖泥机能够按照检测海管的方向运动，可通过侧向推进器进行调整，如保持当前航向运用，则有如下公式：

f_左侧向力＝f_右侧向力 (7)

为保证挖泥机正常作业，需保证挖泥机接触海底，则有：

f_后垂向力+f_前垂向力+mg＝f_{喷射反作用力}cos45 (8)

实施4：挖泥机上的喷射臂是两条，每条喷射臂上各有一排喷射孔，喷射孔相邻孔的出水角度分别向内向外斜向45°角，两条喷射臂交叉可形成较大的喷水区域。

如附图4所示，设单孔的喷射水中心压力为P_m，其它个点的压力P随着距离r的增大而逐渐减小至环境压力。

式中，b_1/2——射流的半宽厚度

P_m——射流中心处的动压

其中

式中，u_max——射流中心处的流速

式中，Q——喷嘴流量

u——喷嘴出口流速

ν——流体动力粘度

l——喷嘴距喷射面距离

基于推导的公式，所产生的射流区域是圆形区域，如图5所示，挖泥机工作的区域为的垂直(如附图6所示)和水平剖面(如附图7所示)在挖泥机有效速度下能够保证被埋在泥中的海管从海床下露出来。

实施5：如附图8所示，射流型ROV型挖沟机控制系统由挖泥机的控制器、姿态传感器、TSS海管检测、动力包、伺服阀箱、前向推进器、垂向推进器、侧向推进器、高压泵和喷射臂组成。挖泥机的控制器是控制系统的核心部件，用于根据TSS管缆探测系统提供的海管信息，规划推进器，控制挖泥机前进方向，保证挖泥机能够沿着浅埋在海床的海管方向移动，同时能够根据检测挖泥机的姿态信息控制垂直推进器和侧向推进器，保证挖泥机正确的工作姿态。姿态传感器用于检测挖泥机实时姿态信息，保证系统按照既定的姿态工作。TSS海管检测用于检测浅埋海床下的海管，为挖泥机提供海管位置信息。动力包是由电机、液压泵、油箱和若干液压元件组成，为挖泥机的液压系统提供能源和动力。伺服阀箱是根据挖泥机控制器提供的控制信息分配各向推进器、高压泵等执行元件的动力，控制各个执行元件工作流量和工作速度。前向推进器有四个，用来控制挖泥机的前向位移速度，同时平衡喷射臂工作时产生的反作用力。垂向推进器有四个，分布在ROV本体的四个角，用于控制挖泥机的升沉方向位移和挖泥机的俯仰姿态。侧向推进器有两个，分布在ROV本体前侧两端，用于控制挖泥机的前进方向。高压泵为喷射臂提供高压水流。喷射臂是产生高压水的机构，是挖泥机进行挖泥的执行工具。

Claims (5)

1.一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其特征在于：包括：滑撬(5)、浮力材料(6)、ROV本体(7)以及射流型ROV型挖沟机控制系统；

其中，ROV本体整体是一体化的金属框架；浮力材料位于ROV本体上部；滑撬位于ROV本体底部；射流型ROV型挖沟机控制系统由挖泥机的控制器、姿态传感器、海管检测传感器(3)、动力包、伺服阀箱、推进器系统、高压泵和喷射臂(4)组成，连接在ROV本体内部。

2.根据权利要求1所述的一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其特征在于：所述海管检测传感器采用TSS管缆探测系统。

3.根据权利要求1所述的一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其特征在于：所述推进器系统由4个前向推进器8、2个侧向推进器2和4个垂向推进器1组成，其中前向推进器分布在ROV本体后端，垂向推进器分布在ROV本体的四个角，侧向推进器分布在ROV本体前侧两端。

4.根据权利要求1所述的一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其特征在于：所述喷射臂为两条，布置在挖沟机前侧，可以调节喷射臂的间距和俯仰角来达到最佳的效果；每条喷射臂上各有一排喷射孔，喷射孔相邻孔的出水角度分别向内斜向45°和向外斜向45°角。

5.根据权利要求1所述的一种用于快速清理海管上方淤泥的射流型ROV型挖沟机，其特征在于：所述的射流型ROV型挖沟机控制系统工作过程为：

挖泥机的控制器根据TSS管缆探测系统提供的海管信息，规划推进器，控制挖泥机前进方向；同时挖泥机的控制器根姿态传感器提供的姿态信息控制垂向推进器和侧向推进器，保证挖泥机正确的工作姿态；伺服阀箱根据挖泥机控制器提供的控制信息分配各向推进器、高压泵等执行元件的动力，控制各个执行元件工作流量和工作速度。