一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法与流程

1.本发明属于海底电缆工程技术领域，涉及海缆抢修设备的确定方法。


背景技术：

2.海底电缆简称海缆，是海上风电输送并网、跨海域国际电网互联、海岛及海洋工程供电的重要组成部分。海缆在海底受到自然因素与人为因素容易导致破坏，海缆破坏会造成电网低频事故，极易造成大面积停电，所以海缆抢修工作需要在最短的时间内完成，以免对经济、生活等造成严重影响。海缆抢修主要分为四个部分，分别是海缆覆盖物清理、海缆水下切割、海缆打捞和海缆回放。直埋海缆覆盖物清理的去保护工作主要是针对深水区冲埋段海缆，冲埋段海缆的覆盖物多为土体。直埋海缆覆盖物清理的去保护工作中，通过射流设备对直埋海缆上方保护层进行射流冲蚀的方式是最高效、经济与安全的方法，利用射流冲蚀土体，暴露出海缆，便于后续切割工作的开展。
3.目前，在直埋海缆的去保护工作中，射流设备的选择主要有两种方法：一是依靠经验对设备进行选型，这种方法没有准确的理论依据，往往造成选型不合理，导致资源的严重浪费；二是通过试运行实验的方法确定设备型号，由于射流作用土体的时间短，水体浑浊，射流过程中信息获取较为困难，只能得到最终射流去保护结果，很难对其进行机理性分析，实验结果对实际施工的指导意义不大，造成不必要施工的成本。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法。
5.本发明的技术方案包括以下步骤：
6.步骤一、测定直埋海缆去保护工作段土体的土壤物理特性，包括：比重、密度、含水率、体积模量、剪切模量、摩擦角、黏聚力、临界破坏压力；
7.步骤二、根据土壤物理特性和土体射流破坏的必要条件：射流在土体表面半宽范围内的平均作用力大于土体的临界破坏压力，初步估计射流关键参数，包括：喷嘴出口的速度v0、喷嘴出口直径d、水射流的靶距l；
8.步骤三、依据初步估计射流关键参数，在ansys中建立直埋海缆射流破土模型，划分网格，并导出k文件；
9.步骤四、在ls_prepost中对k文件进行修改，使用ale算法，定义材料、边界条件、接触、载荷、控制方程，得到修正k文件；
10.步骤五、将修正k文件导入到ls_dyan中进行求解分析，得到仿真模型；
11.步骤六、在ls_prepos中对仿真模型进行后处理，得到直埋海缆去保护工作的仿真结果；
12.步骤七、对仿真结果进行分析，若满足直埋海缆去保护工作的要求，则将步骤二初步估计射流关键参数作为准确的射流关键参数，若不满足直埋海缆去保护工作的要求，则
调整初步估计的射流关键参数，重新执行步骤三至步骤六，直至确定准确的射流关键参数；
13.步骤八、根据准确的射流关键参数确定射流设备参数，包括：水泵扬程、射流直径、喷嘴安装方式、水泵的选型，指导射流设备选型与参数设计。
14.进一步地，所述步骤一中，土壤物理特性的测定中，比重采用比重瓶法进行测定，密度采用环刀法进行测定，含水率采用烘干法进行测定，剪切模量和体积模量使用触探仪及k0固结实验进行测定，摩擦角和黏聚力采用直剪实验进行测定，临界破坏应力通过三轴压缩实验进行测定。
15.更进一步地，所述步骤二中，射流在土体表面半宽范围内的平均作用力为：
[0016][0017]
其中，v0为喷嘴出口的速度，ρ为海水的密度，d为喷嘴出口直径，α为喷嘴的水射流扩散角，l0为水射流的等速核长度，l为水射流的靶距。
[0018]
大于土体的临界破坏压力，先依据直埋海缆去保护工作的实际施工过程选取喷嘴出口直径d和水射流的靶距l，则可求出喷嘴出口的速度v0的范围值，从而初步估计出射流关键参数：喷嘴出口的速度v0、喷嘴出口直径d、水射流的靶距l。
[0019]
更进一步地，所述步骤三中，建立直埋海缆射流破土模型中，先初步建立1/2射流模型尺寸，然后采用soid_164实体单元，赋予4种空材料，将射流源与水域共节点，再建立土体模型和海缆模型，土体与海缆要求共节点，并要求模型尺寸能够消除边界效应影响；在划分网格中，对模型进行网格划分，在射流破坏附近地水域网格与土体网格都要进行加密处理。
[0020]
更进一步地，所述步骤四中，对k文件进行修改的步骤如下：
[0021]
①
定义材料：土壤材料模型中，将步骤一得到的土壤物理特性输入到关键字*mat_147_fhwa_soil与冲蚀算法*mat_add_erodion中，土壤单元算法采用*section_soild，参数保持默认；直埋海缆的材料模型关键字为*mat_rigid，包括：密度、杨氏模量和泊松比，直埋海缆的单元算法采用*section_soild，参数保持默认；射流源与水域模型关键字为*mat_009_null，状态方程定义为*eos_grunersen，水域和射流源单元算法*section_soild的elfor设为固定值，其余保持默认；将上述参数赋予给模型，并将射流源与水域分别定义ale物质，关键字为*ale_multi_material_group，采用ale算法；
[0022]
②
定义边界条件：将土体底部进行全约束，1/2射流模型对称面法线方向限制平动，其他两个方向限制转动；土体及水域的侧面及底端施加非反射边界条件以模拟空间无限大区域，关键字为*boundary_non_refelecting；
[0023]
③
定义接触：将土体和直埋海缆与射流源和水域通过关键字*constrained_lagrange_in_soild定义流固耦合，从面slave为土体和直埋海缆组成的part，主面master为水域与射流源组成的part；
[0024]
④
定义载荷：射流连续喷射表现为喷嘴出口源源不断地出现带有垂直速度地流体，通过设定喷射速度函数曲线和关键字*boundary_prescribed_motion_set将曲线与射流流体的速度值关联，即可实现连续喷射的射流源；
[0025]
⑤
定义控制方程：体积粘度*control_bulk_viscosity，保持默认；ale和欧拉计算
设置全局控制参数*control_ale，保持默认；控制沙漏*control_hourglass，保持默认；计算时间*control_termination，时间步长*control_timestep，输出频率*database_binary_d3plot，均依据直埋海缆去保护工作的要求而定。
[0026]
更进一步地，所述步骤六中，所述步骤六中，直埋海缆去保护工作的仿真结果包括：
①
提取土壤单元时间-位移历史数据，绘制在射流方向上的时间-位移曲线以得到土壤冲蚀位移；
②
测量靠近直埋海缆上方单元的最大破坏宽度；
③
提取模型直埋海缆单元应力与应变的历史数据保存成模型应力应变文件，在xyplot中提取模型应力应变文件绘制出模型应力-应变曲线，得到模型应力-应变曲线与实际直埋海缆应力-应变曲线的对比图。
[0027]
更进一步地，所述步骤七中，仿真结果不满足直埋海缆去保护工作的要求并需对初步估计的射流关键参数进行调整的情况包括：
①
射流方向上的时间-位移曲线的土壤冲蚀位移并未达到直埋海缆的埋设深度，则需增大喷嘴出口的速度v0或减小水射流的靶距l；
②
最大破坏宽度小于直埋海缆直径，则需增大射流的喷嘴出口直径d；
③
模型应力-应变曲线与实际直埋海缆应力-应变曲线的对比图中，模型中直埋海缆出现受损，则需减小喷嘴出口的速度v0、水射流的靶距或喷嘴出口直径d。
[0028]
更进一步地，所述步骤八中，依据喷嘴出口的速度v0确定射流设备的水泵扬程，依据喷嘴出口直径d确定射流设备的喷嘴直径，依据水射流的靶距l指导射流设备的喷嘴安装方式；依据射流速度和射流直径能计算出射流流量，从而能确定水泵的流量，指导射流设备的水泵的选型设计。
[0029]
本发明与现有技术相比，通过试验方法对直埋海缆去保护工作的土体土壤物理特性进行测定，并基于水射流技术建立直埋海缆去保护工作的射流冲蚀仿真模型，不仅考虑到了直埋海缆在去保护工作中的土体和水域工况以及射流关键参数，还对水射流冲蚀的直埋海缆进行了受力分析，避免高速射流对海缆产生二次破坏；本发明通过对直埋海缆在不同工况下的射流破土仿真结果的分析，实现对射流关键参数的准确确定，对射流设备选型与参数设计提供了准确可靠的依据。
附图说明
[0030]
图1为本发明的流程图。
[0031]
图2为直埋海缆射流破土的模型示意图。
[0032]
其中：1-射流源；2-水域；3-土体；4-直埋海缆。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
[0034]
实施例
[0035]
本实施例中，以基于南海粉砂质砂土体作为直埋海缆的保护层，对本发明的实施作进一步具体说明。
[0036]
流程图如图1所示，该直埋海缆去保护工作的射流设备的确定方法具体如下所述：
[0037]
(1)确定保护层土体的土壤物理特性
[0038]
土壤物理特性的测定中，密度采用比重瓶法进行测定，密度采用环刀法进行测定，含水率采用烘干法进行测定，剪切模量和体积模量使用触探仪及k0固结实验进行测定，摩擦角和黏聚力采用直剪实验进行测定，临界破坏应力通过三轴压缩实验进行测定。
[0039]
通过测定得到土壤物理特性：：比重为2.64、含水率为32％、密度为1.88g/cm3、剪切模量为2.1e-5mbar、体积模量为4.5e-5mbar、摩擦角为0.366rad，黏聚力为1.5e-7mbar，土壤发生破坏极限应力为1e-6mbar。
[0040]
(2)初步估计射流关键参数与土体参数
[0041]
射流在土体表面半宽范围内的平均作用力为：
[0042][0043]
其中，v0为喷嘴出口的速度，ρ为海水的密度，d为喷嘴出口直径，α为喷嘴的水射流扩散角，l0为水射流的等速核长度，l为水射流的靶距。
[0044]
由(1)知土体发生破坏的极限应力为1e-6mbar，即0.1mpa，土体能够发生破坏的条件是射流在土体表面半宽范围内的平均作用力大于土体破坏极限应力，在本实施例中在实际施工过程中喷嘴的类型多为锥直型喷嘴，则取扩散角α＝16
°
,等速核长度l0＝(4.8-8)d，在本实施例中取l0＝4.8d。由上述公式可知影响射流作用的主要参数为喷嘴出口的速度v0、喷嘴出口直径d、水射流的靶距l，本实施例中初步取喷嘴出口直径d＝0.3cm，水射流的靶距l＝1cm，需满足则喷嘴出口的速度v0需大于15.6m/s，所以在本实施例中先取v0＝33m/s进行数值模拟，如有必要再进行调整。
[0045]
在本实施例中，通过计算得到：
[0046]
初步估计射流关键参数：喷嘴出口的速度v0＝33m/s，喷嘴出口直径d＝0.3cm，水射流的靶距l＝1cm。
[0047]
(3)制作k文件
[0048]
初步确定1/2射流模型尺寸，土体3模型尺寸长6cm，宽4cm，高9cm；水域2尺寸长5cm，宽5cm，高10cm；射流源1直径0.3cm，高0.1cm，水射流的靶距为1cm；直埋海缆4模型为直径0.5cm，长6cm。
[0049]
在ansys_apdl中划分网格，定义三维实体单元solid_164单元，赋予4种空材料；将射流源1与水域2共节点，再建立土体模型和海缆模型，土体3与海缆4要求共节点，并要求土体模型尺寸能够消除边界效应影响；最后对模型进行网格划分，在射流破坏附近地水域网格与土体网格都要进行加密处理。射流源1单元个数95，水域2单元个数240576，土体3单元个数162060，直埋海缆4单元个数2820，模型如图2所示，导出k文件并保存模型。
[0050]
(3)修正k文件
[0051]
导入k文件至ls_prepost。
[0052]
①
定义材料：土壤材料模型中，将步骤(1)中的土壤物理特性输入到关键字*mat_147_fhwa_soil与冲蚀算法*mat_add_erodion中，土壤单元算法采用*section_soild，参数保持默认；直埋海缆4的材料模型关键字为*mat_rigid，在本实施例中密度为2.7，杨氏模量
7.0，泊松比0.3，直埋海缆4的单元算法采用*section_soild，参数保持默认；射流源1与水域2材料模型关键字为*mat_009_null，密度为1.0，同时定义状态方程*eos_grunersen，射流源1与水域2单元算法*section_soild的elform设为11，其余保持默认。将上述参数赋予不同模型part；将射流源1与水域2分别定义ale物质，关键字为*ale_multi_material_group，采用ale算法。
[0053]
②
定义边界条件：将土体底部进行全约束，1/2射流模型对称面法线方向限制平动，其他两个方向限制转动；土体3及水域2的侧面及底端施加非反射边界条件以模拟空间无限大区域，关键字为*boundary_non_refelecting。
[0054]
③
定义接触：将土体3和直埋海缆4组成一个part，水域2和射流源1组成一个part，将土体3和直埋海缆4与射流源1和水域2通过关键字*constrained_lagrange_in_soild定义流固耦合，从面slave为土体3和直埋海缆4组成的part，主面master为水域2与射流源1组成的part。
[0055]
④
定义载荷：射流连续喷射表现为喷嘴出口源源不断地出现带有垂直速度地流体，通过设定喷射速度函数曲线和关键字*boundary_prescribed_motion_set将曲线与射流流体的速度值关联，即可实现连续喷射的射流源，本实施例中射流速度等于喷嘴出口的速度，为33m/s。
[0056]
⑤
定义控制方程：体积粘度*control_bulk_viscosity，保持默认；ale和欧拉计算设置全局控制参数*control_ale，保持默认；控制沙漏*control_hourglass，保持默认；计算时间*control_termination，计算时长2000us；时间步长*control_timestep，endtim为10；输出频率*database_binary_d3plot，dt为25。
[0057]
最后得到修正k文件。
[0058]
(5)制备仿真模型
[0059]
在ls_dyna软件中，打开solver求解器菜单，选择start ls_dyna analysis命令按钮，在start input and output对话框中将修正k文件录入进行求解分析，通过该仿真分析得到仿真模型。
[0060]
(6)得到仿真结果
[0061]
在ls_prepost将(5)中得到的仿真模型进行后处理，打开ls_dyna binary plot文件。一是提取土壤单元时间-位移历史数据，绘制在射流方向上的时间-位移曲线观察土壤冲蚀位移，用于判断土壤冲蚀位移是否达到海缆埋设深度；二是测量靠近直埋海缆4上方单元的最大破坏宽度，用于比较最大破坏宽度是否大于直埋海缆4的直径；三是提取模型直埋海缆4单元应力与应变的历史数据保存成模型应力应变文件，然后在xyplot中提取模型应力应变文件进行模型应力-应变曲线绘制，将模型应力-应变曲线对比实际直埋海缆应力-应变曲线，用于分析海缆的受损状况。
[0062]
通过上述后处理即可得到仿真结果。
[0063]
(7)重新确定射流关键参数
[0064]
在上述(2)中得到的是射流关键参数的初步估计值：喷嘴出口的速度v0＝33m/s，喷嘴出口直径d＝0.3cm，水射流的靶距l＝1cm。初步估计的射流关键参数有可能不满足直埋海缆去保护工作的要求，故而需要对(6)中后处理得到的仿真结果进行分析，重新确定射流关键参数。
[0065]
具体地，对(6)中后处理得到的仿真结果进行分析，通过仿真结果评价射流关键参数是否满足需求，若满足直埋海缆去保护工作的要求，则将步骤二初步估计射流关键参数作为准确的射流关键参数，若不满足直埋海缆去保护工作的要求，则调整初步估计的射流关键参数，重新执行(3)至(6)，直至确定准确的射流关键参数。
[0066]
更具体地，若(6)中射流方向上的时间-位移曲线的土壤冲蚀位移并未达到直埋海缆4的埋设深度，说明射流能量较小导致不能够完成直埋海缆4的清理任务，需增大射流速度或减小射流靶距，即增大喷嘴出口的速度v0或减小水射流的靶距l，使得冲坑深度增加，以实现清理的目的；若最大破坏宽度小于直埋海缆4的直径，亦不能完成清理任务，需要增大射流的喷嘴出口直径d，扩大最大破坏宽度；若直埋海缆4出现受损，说明射流能量较大，需减小射流速度、射流靶距或射流直径，即减小喷嘴出口的速度v0、水射流的靶距或喷嘴出口直径d。根据上述对仿真结果的分析，对射流关键参数进行调整，重新执行步骤(3)至(6)，直至射流土壤冲蚀位移超过直埋海缆4的埋设深度、最大破坏宽度大于直埋海缆4的直径、直埋海缆4未发生损坏，可以确定在此射流关键参数条件下，满足直埋海缆去保护工作的要求。
[0067]
在实施例中，对仿真结果进行分析，在2000us内，射流土壤冲蚀位移即冲蚀深度为5cm，最大破坏宽度为0.5cm，海缆未发生损坏，已经满足直埋海缆去保护工作的要求，不需要对射流关键参数进行调整，确定的射流关键参数为：喷嘴出口的速度v0＝33m/s，喷嘴出口直径d＝0.3cm，水射流的靶距l＝1cm。
[0068]
(8)指导射流设备选型与参数设计
[0069]
采用自下向上的方法，步骤(7)确定射流关键参数中，喷嘴出口的速度v0对应射流速度，即可确定射流设备的水泵扬程；喷嘴出口直径d对应射流直径，即可确定射流设备的喷嘴直径；水射流的靶距l对应射流靶距，即可用于指导射流设备的喷嘴安装方式。另外，由射流速度和射流直径能计算出射流流量，从而能确定水泵的流量，指导射流设备的水泵的选型设计。
[0070]
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。