DE2452726C3

DE2452726C3 - Vorrichtung zum Ausheben von Gräben im Meeresgrund

Info

Publication number: DE2452726C3
Application number: DE2452726A
Authority: DE
Inventors: Nuke Ming Chang; Elmer R. Remkes
Original assignee: Santa Fe International Corp Orange Calif (vsta)
Current assignee: Santa Fe International Corp Orange Calif (vsta)
Priority date: 1973-11-06
Filing date: 1974-11-06
Publication date: 1979-06-13
Also published as: GB1483412A; NO743977L; SE7413955L; DK579874A; AU498789B2; NL7414468A; NO140995C; NO140995B; SE419353B; US3877238A; AU7501574A; DE2452726A1; DE2452726B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausheben von Gräben im Meeresgrund mit Einrichtungen zum Einlegen von Unterwasser-Rohrleitungen in die Gräben, bei der auf einem von einem Wasserfahrzeug gezogenen, auf dem Grund bewegten Schlitten ein oder mehrere Düsen für mittels eines Schlauches vom Wasserfahrzeug geliefertes Hochdruckwasser zum Herstellen des Grabens durch Spülen sowie eine oder zwei mittels ebenfalls das Hochdruckwasser verwendender Strahlpumpen betriebene Absaugrohre für das mit Wasser vermischte Grabenaushubmaterial angeordnet sind.

Es sind bereits mehrere Systeme zum Verlegen von Rohrleitungen auf dem Meeresgrund bekannt. Verschiedene dieser Systeme weisen einen auf dem Meeresboden verfahrbaren Schlitten mit entsprechend angeordneten Strahldüsen auf, welche den Meeresboden aufwühlen und auf diese Weise einen Graben zur Aufnahme der Rohrleitung ausbilden.

Aus der US-PS 33 68 358 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher ebenfalls ein auf dem Meeresboden verfahrbarer Schlitten zur Anwendung gelangt und auch Strahldüsen für das Ausheben des Grabens vorgesehen sind. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt mehrere Absaugrohre, die jeweils eine einzelne Düse aufweisen, die jeweils in den unteren Einlaßenden der Absaugrohre angeordnet sind. Dabei wird ein unter Druck befindliches Strömungsmittel, welches flüssig oder gasförmig sein kann, zu den Strahldüsen gefördert.

Darüber hinaus ist aus der Zeitschrift »Journal of Hydraulic Research«, Band 6, Nr, 2 (1968), Seite 130 bis 160 eine Strahlpumpe bekannt^ bei welcher ein sich düsenförmig Verengendes Rohrende mit allseitigem Abstand in ein trichterförmig bzw. stromlinienförmig erweitertes Ende eines Mischrohres hineinragt. Der von dem Düsenrohr abgegebene Düsenstrahl hoher Geschwindigkeit überträgt sein Moment durch einen turbulenten Mischvorgang auf das in das Mischrohr hineingezogene Strömungsmittel.

Bei der ineinandergesteckten Anordnung von Düsenrohr und Mischrohr bzw. Ansaugrohr ergeben sich jedoch hohe Reibungsverluste, so daß bei einer Verwendung dieser Anordnung zum Ausheben von Gräben am Meeresboden sich starke Kavitationserscheinungen einstellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Ausheben von Gräben im Meeresgrund der eingangs definierten Art zu schaffen, um Kavitationserscheinungen im Absaugrohr zu vermeiden.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß d.:durch gelöst, daß jede Strahlpumpe zwei koaxial hintereinander angeordnete Düsen aufweist, die zwischen sich einen mit dem umgebenden Meerwasser in Verbindung stehenden Zwischenraum bilden und von denen die vordere Düse an einer Knickstelle des Absaugrohrs von der Seite her in dieses koaxial ginorgführt ict_

Bei dieser relativen Anordnung der zwei Düsen wird gegenüber den bekannten Vorrichtungen der besondere Vorteil erreicht, daß das mit niedriger Durchsatzmenge und hohem Druck gelieferte Wasser vollständig zur Absaugung einer vorbestimmten Menge an Schlamm aus dem zu ziehender. Graben ausgenutzt werden kann. Dabei wird von der Bedingung ausgegangen, daß in jedem Fall ein Hochdruckwasserstrahl erforderlich ist, um die notwendige Hebe- oder Saugleistung zu gewährleisten. Die Verwendung eines Hochdruck-Wasserstrahls zur Lieferung der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit oder Durchsatzmenge führt jedoch bei den anderen erwähnten Konstruktionen zu schwerwiegenden Kavitationsproblemen, die jedoch durch die erfindungsgemäße Anordnung der Düsen beseitigt werden.

Insbesondere kann dadurch, daß sich die Flüssigkeit des Hochdruckstrahls im umg^bendi. a Wasser ausdeh-

•io nen kann, die verfügbare hohe Energie reduziert werden. Durch die Anordnung der Strahldüse mit einem zweckmäßigen Abstand zur zweiten Düse kann die gewünschte Absaugleistung erreicht werden, während zugleich das Kavitationsproblem ausgeschaltet wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich auch bei tiefem Wasser von 60 m Tiefe und mehr einsetzen.

Im einzelnen kann die Erfindung noch dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Düsen einstellbar ist und zwischen ca. 50 bis 750 mm liegt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Hilfsbeischiffs zur Betätigung eines Meeresbodenschlittens und eines Absaugsystems,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung in vergrößertem Maßstab des Meeresbodenschlittens und des Absaugsystems,

Fig. 3 eine in nochmals vergrößertem Maßstab gehaltene Seitenansicht eines Abschnitts der Absaugvorrichtung,

Fig.4 einen in erneut vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 3 und

Fig.5 eine graphische Darstellung der bei einer bevorzugten Ausführungsform der Absaugvorrichtung erreichten StrömungS' oder Durchsatzmenge.

If) Fig, 1 ist ein mit 10 bezeichnetes Hilfsbeischiff

dargestellt, das einen bei 12 angedeuteten Meeres büdensehlitien mit Absaugvorrichtung mittels eines Α-Rahmens 14 und eines Portalkrans 16 tragt. Der A-Rahmen 14 trägt außerdem eine Verlängerung bzw. einen Ausleger 18, die bzw. der bei 20 am Heck des Hilfsbeischiffs 10 angelenkt und zwischen den in F i g. 1 ausgezogen und strichpunktiert eingezeichneten Stellungen verschwenkbar ist. Der Ausleger 18 vermag die Flüssigkeitsleitungen zur Verbindung zwischen dem Hilfsbeischiff und dem Meeresbodenschlitten zu tragen bzw. zu stützen, wenn letzterer auf dem Meeresboden eingesetzt wird. Das Beischiff 10 ist zudem mit einem Kran 22 zum Umsetzen des Meeresbodenschlittens 12, im folgenden einfach als Schlitten bezeichnet, aus einer Position an Deck des Beischiffs 10 in das Wasser und außerdem zum Einholen des Schlittens aus dem Wasser zum A.bsetzen an Deck versehen. Am Bug des Beischiffs 10 ist eine Spiere 13 montiert, von welcher mit dem Schlitten verbundene Schleppseile 15 zum Schleppen desselben abgehen.

Gemäß F i ⁿ 2 besteht der Schlitten selbst eus zwei im wesentlichen zylindrischen, in Querrichtung im Abstand voneinander angeordneter Pontons 24, die durch eine Anzahl von in Längsrichtung im Abstand verteilten, querverlaufenden Trägern 26 starr miteinander verbunden sind. Jeder Träger 26 besteht aus einem lotrechten und einem diagonalen Glied 28 bzw. 30 sowie einem querverlaufenden Glied 32, welches die oberen Enden der lotrechten und diagonalen Glieder 28 bzw. 30 miteinander verbindet. Die beiden vorderen Träger 26 sind außerdem durch nach vorn geneigte Streben 24 abgestützt, während der hintere Träger 26 durch nach rückwärts geneigte Streben 26 verstrebt ist. Ersichtlicherweise wird bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion des Schlittens ein Freiraum zwischen den Pontons 24 festgelegt, so daß letztere aus noch deutlicher werdenden Gründen eine auf dem Meeresboden abgelegte Rohrleitung zu beiden Seiten umgreifen. Die Pontons sind in Kammern unterteilt und mit zweckmäßigi .i Ventilen versehen, so daß sie geflutet und gelenzt werden können.

Vom Glied 32 des hinteren und des mittleren Trägers 26 stehen jeweils zwei auf Querabstände angeordnete lotrechte Rohre 40 ab, welche die vom Schlitten getragene, allgemein mit 41 bezeichnete Absaugvorrichtung haken. Die oberen Enden der lotrechten Rohre 40 des mittleren Trägers 26 sind durch eine Querstrebe 42 miteinander verbunden, während eine zusätz'iche Abstrebung der hinteren lotrechten Rohre 40 durch Diagonalstreben 44 gewän/leistet wird.

Die Absaugvorrichtung 41 wird von den lotrechten Rohren 40 so getragen, daß sie der Höhe nach gegenüber dem Schlitten einstellbar ist. Zu diesem Zweck wird der Träger für die Absaugvorrichtung 41 durch einen im wesentlichen rechteckigen Rahmen gebildet. Längs der Rückseite der beiden vorderen lotrechten Roiire 40 sowie längs der Vorderseite der beiden hinteren lotrechten Rohre 40 sind zwei auf Querabstände angeordnete, lotrecht verlaufende Platten 60 mit in Querrichtung miteinander fluchtenden, auf lotrechte Abstände verteilten Bohrungen 62 vorgesehen. Zwischen jeweils zwei Bohrungen 62 befindet sich je ein Knotenblech 64 zur Versteifung der Platten 60 Und der Rohre 40. Der der Halterung der Absaugvorrichtung 41 dienende Rahmen kann längs der lotrechten Rohre 40 in den gewünschten Höhenlagen eingestellt werden, indem Bolzen 63 durch die Bohrungen 62 der Platten 60 hindurchgeführl werden,

Die Absaugvorrichtung 41 besteht aus Struhlruhren 70 und Absaugrohren 72 sowie anderen Teilen, die, soweit nicht anders angegeben, in doppelter Ausfertigung lu beiden Seiten des Schlittens vorgesehen sind, so daß eine Beschreibung der einen Seite des Schlittens für beide Seiten ausreichen dürfte. Das obere Ende jedes Strahlrohrs 70 ist aufwärts gerichtet und nach rückwärts geneigt und mit Flüssigkeitsleitungen verbindbar, deren andere Enden auf dem Hilfsbeischiff 10 angeschlossen

lu sind, so daß Druckflüssigkeit vom Beischiff aus durch die Strahlrohre 70 pumpbar ist. Die Strahlrohre 70 erstrecken sich über eine etwa der Tiefe des iür die Rohrleitung herzustellenden Grabens entsprechende Strecke unter die Pontons 24 hinaus.

Das Absaugrohr 72 hat im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der über einen Übergangsabschnitt 84 (Fig. 3) in ein Schlammansaugrohr 86 von ovalem Querschnitt übergeht.

In den Fig. 3 und 4 sind die Sirahldüse und die Strahlpumpe für das Absaugsystem ?· der einen Seite des Schlittens näher dargestellt Das * bsaugsystem hat eine mit 100 bezeichnete Strahldüse und eine mit 102 bezeichnete Strahlpumpe, von denen letztere in einem Kniestück 104 des Absaugrohrs 72 angeordnet ist.

Die St^rahidüse 100 ist durch eine vom Übergangsabschnitt 84 aufwärts und einwärts abstehende Halterung 106 sowie durch eine einwärts ragende, am Absaugrohr 72 befestigte waagerechte Halterung 108 gehalten. Die Halterung 106 trägt dabei ein Wasserspeiserohr 112 für

JO die Strahldüse 100. Dabei läuft das Außenende der Halterung 106 zu beiden Seiten des Wasserspeiserohrs 112 in zwei Flansche 110 aus.

Eine bogenförmige Halterung 114 mit an beiden Seiten vorgesehenen Querflanschen 116 ist auf das Wasserspeiserohr 112 aufgesetzt, wobei das Wasserspeiserohr 112 mit Hilfe von den Flansch 110 und den Querflansch 116 durchsetzenden Schraubbolzen 118 an der Halterung 106 befestigt ist. Das Vorderend? des Wasserspeiserohrs 112 läuft in einen Düsenhalter 120, der seinerseits eine Düse 122 trägt.

D'z Strahlpumpe 102 wird durch ein in das A.bsaugrohr eintretendes Rohr 124 gebildet, das an seinem Vorderende eine Düse 126 aufweict. Ein das untere Ende des Rohrs 124 umschließender Düsenan-

■15· Schluß 128 läuft in einen Flansch 130 aus. Jm das untere Ende des Rohrs 124 herum ist ein ringförmiger Träger bzw. eine Abstützung 132 befestigt Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Strahlpumpe 102 axial mit der Strahldüse 100 fluchtet und daß der Düsenanschluß 128 an der Wand des Kniestücks 104 des Absaugrohrs 72 befestigt ist. wobei oas Rohr 124 und die Düse 126 so ausgerichtet sind, daß sie die Flüssigkeit axial durch einen Venturidüsenkegel 134, einen Auslaßrohrteil 136, einen Absaugauslaßkegel 138 und einen Rohrauslaß 140

y> strömen lassen. Die Strahldüsen 100 und die Strahlpumpen 102 sind zu beiden Seiten des Schlit'ens jeweils so angeordnet, daß sie die Flüssigkeit aus dem Rohrauslaß 140 an der gleichen Seite des Schlittens austragen, an welcher die betretende Pumpe und die betreffende Düse angeordnet sind.

Das Rohr 124 trägt mehrere langgestreckte, in Längsrichtung an seiner Außenfläche ver'aulende und auf Umfangsabstände um dieses Rohr herum verteilte Leisten oder Schienen 142, mit deren Hilfe das Rohr 124

f>5 verschiebbar in den fcüsenanschluß 128 eingesetzt ist. Mehrere an beiden Enden mit Gewinde versehene Schraubspindeln 144 verbinden die vom verschiebbaren Rohr 124 getragene Abstützung 132 mit einem an der

Halterung 114 befestigten Ringflansch 146, so daß das Rohr 124 innerhalb des Düsenanschlusses 128 in beiden Richtungen axial auf die Strahldüse 100 zu und von ihr weg verschiebbar ist, um den jeweiligen Axialabstand zwischen Rohr und Strahldüse einzustellen. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Strahldüse 100 und Strahlpumpe 102 eingestellt werden, da dieser Abstand — wie noch näher erläutert werden wird — einen Einfluß auf den Leistungsbedarf und auf die erreichte Saugwirkung hat.

Die Absaugvorrichtung wird nach dem Ablegen der Rohrleitung auf dem Meeresboden eingesetzt, wenn die Rohrleitung in einen Graben eingebracht und letzterer zugeschüttet werden soll. Zu diesem Zweck wird der Schlitten geflutet und vom Hilfsbcischiff 10 abgelassen. Sodann wird über die vom Ausleger 18 getragenen Leitungen 150 (Fig. I) vom Hilfsbeischiff 10 aus Hochdruckllüssigkcit, d. h. Seewasser, zu den Strahlrohren 70 gefördert. Die aus den entsprechenden Düsen ausströmende Hochdruckflüssigkeit wühlt den Meeresboden unmittelbar unterhalb der Rohrleitung und vor dem Schlitten auf. Der Schlitten sinkt dabei zu einer Tiefe ab. in welcher die Pontons 24 zu beiden Seiten der Rohrleitung auf dem Meeresboden ruhen. Sodann kann der Schlitten mittels der am Bug des Beischiffs angebrachten Schleppseile 15 geschleppt werden. Während das Beischiff geschleppt wird « itj Hochdruckflüssigkeit, d.h. Seewasser, über Leitungen vom Beischiff aus den Strahldüsen 100 zugeführt. Dabei stößt jede Düse 122 einen Flüssigkeitsstrahl mit hohem Druck und geringer Durchsatzmenge über den Zwischenraum zwischen ihr und dem Einlaß zur Strahlpumpe 102 aus. Hierbei wird die Hochdruckenergie der die Strahldüse 100 durchströmenden Flüssigkeit zu einem gewissen Teil in der Umgebungsflüssigkeit vernichtet, während durch den Flüssigkeitsstrom von der Düse 122 zur Strahlpumpe 102 auch Umgebungsflüssigkeit mitgerissen wird. Der Strahl der Strahldüse und die mitgerissene Flüssigkeit strömen somit durch die Strahlpumpe 102 und die Düse 126. Infolgedessen ist eine Strömung mit großer Durchsatzmenge und niedrigem Druck über die Düse 126 in den Venturidüsenkegel 134 und zum Absaugauslaß vorhanden. Der aus der Strahlpumpe austretende Strömungsstrahl erzeugt einen Sog an der Einlaßöffnung des Schlammsaugrohrs 86. so daß der durch die Verflüssigung bzw. Aufwühlen des Meeresbodens erzeugte Schlamm über das Schlammsaugrohr 86 nach oben strömt, um an der einen Seite des Grabens über den Rohrauslaß 140 ausgetragen zu werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform hat eine Strahldüse mit 25,4 mm Durchmesser der Einschnürung einen Strahlpumpeneinlaß mit einem Durchmesser von etwa 146 mm und eine Strahlpumpen-Einschnürung mit einem Durchmesser von etwa 89 mm. Das Absaugrohr 72 hat einen Durchmesser von etwa 508 mm, das Kniestück 104 hat einen Durchmesser von 610 mm bei einer Biegung von 45°, der Venturidüsenkegel 134 ist 406 mm lang und stellt einen Übergang von einem Durchmesser von 610 mm auf einen solchen von 355 mm her, der Auslaßrohrteil 136 ist etwa 2,1 m lang, der Absaugauslaßkegel 138 ist etwa 1,17 m lang und bildet einen Durchmesserübergang von 355 mm auf 610 mm, und der Rohrauslaß 140 ist 610 mm lang und hat einen Durchmesser von 610 nun. Vorzugsweise Hegt der Strahlpumpen-Düsenauslaß axial in einer Position in der Mitte des Venturidüscnkcgels.

Bei einer Fördermenge von 7570 l/min bei einem Druck von 172 kg/cm² kann die Vorrichtung bei einer Tiefe von etwa 85 m Schlamm in einer Menge von mehr als etwa 75 700 1/niin aus dein Graben absaugen.

In Fig.5 sind die Strömlings- oder Durchsalzmenge durch die Pumpe und die Absaugrohre sowie die Auslragrnenge der Absaugrohre als Funktion de«; Zwischenraumabstands, d. h. des Abstands 7\v^:schcn den Strahldüsen und den Einlassen der Sirahlpumpen, dargestellt. Die untere Kurve gibt die Strömungsmenge des mitgerissenen Wassers durch die Strahlpumpen 102. d. h. die Strömung aus den Strahldüsen und die durch diese mitgerissene Strömung, als Funktion des Spaltab stands an. Die mittlere Kurve gibt die Strömungsmenge des Schlamms durch die Absauf ohre als Funktion <W-Spahabsiands an. Die obere Kurve veraiiseliauÜLni ucn Gesamtaustrag aus den Absaug- oder Auslaßrohren als Funktion des Spaltabstands. Zu beachten ist der scharfe Anstieg der Strömungsmenge, wie er am Anfang bei allen drei Kurven auftritt, und speziell der Gesamtströmungs- oder -durchsatzmenge, wenn die Strahldüse vom Slrahlpumpeneinlaß wegbewegt wird. In einem Abstand von mehreren Zentimetern vom Strahlpumprneinlaß treten bei Vergrößerung des Abslands auf etwa 5Gi* bis 635 mm praktisch nur unbedeutende Änderungen der Strömungsmengen auf, worauf die Strömungsmenge bei weiterer Vergrößerung des Abstands abfällt. Wis erwähnt, werden jedoch bei einem zu engen Abstand zwischen Strahfdüse und Strahlpumpeneinlauf Kavilationsprobleme in der Strahlpumpe hervorgerufen. Da die Strahldüse ein beträchtliches Stück vom Strahlpumpeneinlauf angeordnet werden

kann, ohne daß eine nennenswerte Änderung der Strömungsmengen auftritt, wird der Abstand zwischen Strahldüse und Strahlpumpeneinlauf zweckmäßig auf etwa 305 mm und vorzugweise, je nach den anderen Parametern, wie Wasserliefe, Düsenform usw., in einem Bereich von 51 bis 762 mm eingestellt

Bekanntlich benötigen bestimmte bekannte Rohrverlegesysteme zwei Pumpensätze auf dem Rohrlege-Hilfsbeischiff. Dabei wird der eine Satz von Hochdruck-Flüssigkeitspumpen für die Strahldüsen benutzt, während der andere für das Absaugsystem vorgesehen ist. Im vorliegenden Fall wird jedoch von einer einzigen Pumpenanlage gelieferte Hochdruckflüssigkeit sowohl für das Strahldüsensystem als auch für das Absaugsystem benutzt. Die Absaugvorrichtung ist dabei so ausgelegt, daß ihre Pump- oder Fördererfordernisse an diejenigen zur Erzielung der Strahlwirkung angepaßt sind. Dies bedeutet, daß die iäem Absaugsystem zugelieferte Hochdruckflüssigkeit durch die vorstehend beschriebene Düsenanordnung auf den erforderlichen niedrigen Druck reduziert wird.

Der vorstehend beschriebene Meeresbodenschlitten wurde bereits tatsächlich für das Verlegen und Eingraben von Rohrleitungen in der Nordsee eingesetzt. Bei den anfänglichen Arbeiten konnten mit diesem Schlitten in einer Wassertiefe von etwa 110 m etwa 5490 m einer 864 mm-Rohrleitung mit 51 mm dickem Betonmantel in einer Zeit von 24 Stunden im Graben verlegt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ausheben von Gräben im Meeresgrund mit Einrichtungen zum Einlegen von Unterwasser-Rohrleitungen in die Gräben, bei der auf einem von einem Wasserfahrzeug gezogenen, auf dem Grund bewegten Schlitten ein oder mehrere Düsen für mittels eines Schlauches vom Wasserfahrzeug geliefertes Hochdruckwasser zum Herstellen des Grabens durch Spülen sowie eine oder zwei mittels ebenfalls das Hochdruckwasser verwendender Strahlpumpen betriebene Absaugrohre für das mit Wasser vermischte Grabenaushubmaterial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlpumpe (102) zwei koaxial hintereinander angeordnete Düsen (122 und 126) aufweist, die zwischen sich einen mit dem umgebenden Meerwasser in Verbindung stehenden Zwischenraum bilden und von denen die vordere Düse (126) an einer Knickstelle lies Absaugrohres (72) von der Seite her in dieses koaxial eingeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Düsen (122 und 126) einstellbar ist und zwischen ca. 50 bis 750 mm liegt.