本發(fā)明屬于水下工程或海洋工程領域，具體涉及一種海底管道、電纜埋設開溝機及其開溝方法。

背景技術：

在海洋石油開采和跨洋通訊中有許多管線被布放在海底，為保護管線的安全運營需要將其埋設與海底地層中一定深度，沖射式開溝機是完成這項工作的良好設備。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)公開號為CN201410425564的中國專利(公開日期：2014年12月3日，專利名稱：一種海底開溝裝置)采用液壓馬達驅動，需要配套發(fā)電機、電動機、液壓馬達，以及很長的液壓管路，成本高，液壓油容易泄漏，污染海洋環(huán)境。公開號為CN200820015530的中國專利(公開日期：2009年7月8日，專利名稱：潛水挖溝機)；采用液壓驅動兩臺軸流泵作為開溝動力，兩臺軸流泵固定在框架上，由托板支撐，該裝置同樣存在成本高的缺點，同時由于采用托板移動需要拖船拖動，給施工帶來不便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有挖溝機的不足，提出一種水輪機驅動沖射式水下開溝裝置及其開溝方法，可以進行高低壓結合噴沖，開鑿傳統(tǒng)開溝機無法開鑿的硬粘土，還可以避免發(fā)生液壓油泄露。

本發(fā)明一種水輪機驅動沖射式水下開溝裝置由水面支持系統(tǒng)和水下開溝機系統(tǒng)組成；所述的水面支持系統(tǒng)由母船、控制柜、柴油機、高壓水泵、輸水管和臍帶纜組成；所述的水下開溝機系統(tǒng)包括閥門、開溝機和成像聲納。所述的開溝機由開溝機外殼、軸流泵葉片、水輪機、導流噴嘴和導流葉片組成；所述的水輪機設置在開溝機外殼內，軸流泵葉片固定在水輪機的轉軸上；水輪機的水輪機出水口下方設有導流噴嘴；導流噴嘴固定在開溝機外殼上；導流噴嘴內壁設有導流葉片；控制柜控制柴油機；柴油機驅動高壓水泵；輸水管的輸入口與高壓水泵的輸出口連接；輸水管的一個輸出口與水輪機的水輪機入水口連接，另一個輸出口處設有閥門；所述臍帶纜的一端固定在母船上，另一端用于吊放開溝機；所述的成像聲納固定在開溝機外殼外壁上，將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜傳輸給控制柜。

所述輸水管設有閥門的輸出口與高壓噴沖臂的輸入口通過連接法蘭固定。

所述的高壓噴沖臂由高壓噴沖臂外殼和高壓噴嘴組成；所述的高壓噴沖臂外殼與輸水管的輸出口通過連接法蘭固定；所述的高壓噴嘴包括垂向噴嘴和傾斜噴嘴；垂向噴嘴布置在兩側，兩個垂向噴嘴之間布置多個傾斜噴嘴，相鄰傾斜噴嘴的夾角為30～50°，且相鄰傾斜噴嘴的傾斜方向不同。

本發(fā)明一種水輪機驅動沖射式水下開溝裝置在土層抗剪強度小于90KPa粘土區(qū)域的開溝方法，具體如下：

(1)開溝作業(yè)在管線布放之后，母船?？吭诠芫€上方，閥門關閉，將水下開溝機系統(tǒng)放入水中，使水下開溝機系統(tǒng)位于管線正上方，導流噴嘴與管線外壁的距離為1～1.5m。

(2)啟動柴油機，高壓水泵開始工作，壓力為1～2MPa的高壓水流沿輸水管從水輪機入水口流入，從水輪機水出口流出；在高壓水流的驅動下，水輪機開始工作，帶動軸流泵葉片旋轉，產生流量為15000m³/h、流速為10m/s的射流，對海底土層進行沖刷，完成開溝作業(yè)。

(3)成像聲納將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜傳輸給控制柜。

(4)開溝機一邊工作，母船一邊沿設定路線向前移動，完成開溝作業(yè)。

本發(fā)明一種水輪機驅動沖射式水下開溝裝置在土層抗剪強度大于或等于90KPa粘土區(qū)域的開溝方法，具體如下：

(1)開溝作業(yè)在管線布放之前，輸水管設有閥門的輸出口與高壓噴沖臂的輸入口通過連接法蘭固定，閥門打開。母船?？坑谠O定路線上方，將水下開溝機系統(tǒng)放入水中，使水下開溝機系統(tǒng)位于作業(yè)路線正上方，高壓噴嘴與海底的距離為1～1.5m。

(2)啟動柴油機，高壓水泵開始工作，壓力為1～2MPa的一部分高壓水流沿輸水管從水輪機入水口流入，從水輪機水出口流出；在高壓水流的驅動下，水輪機開始工作，帶動軸流泵葉片旋轉，產生流量為15000m³/h、流速為10m/s的射流，對海底土層進行沖刷，完成開溝作業(yè)。

(3)另一部分高壓水通過閥門流向高壓噴沖臂，經過高壓噴嘴后沿不同方向噴沖對硬粘土進行切割；而開溝機噴出的射流將切割后的粘土塊沖走，從而形成需要的溝槽。

(4)成像聲納將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜傳輸給控制柜。

(5)開溝機一邊工作，母船一邊沿設定路線向前移動，完成開溝作業(yè)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明僅需柴油機和高壓水泵驅動，省去了發(fā)電機、電動機、液壓泵站、液壓馬達等高成本裝置，使得造價降低，可靠性得到提高。由于沒有液壓系統(tǒng)，不會發(fā)生液壓油泄露，避免了對海洋環(huán)境的污染。同時本發(fā)明還可以進行高低壓結合噴沖，可開鑿傳統(tǒng)開溝機無法開鑿的硬粘土。因此，本發(fā)明對海底的工程地質環(huán)境適應性強，有著廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中開溝機的剖視圖。

圖3為本發(fā)明中高壓噴沖臂的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種水輪機驅動沖射式水下開溝裝置，由水面支持系統(tǒng)和水下開溝機系統(tǒng)組成；水面支持系統(tǒng)由母船1、控制柜2、柴油機3、高壓水泵4、輸水管5和臍帶纜7組成；水下開溝機系統(tǒng)由閥門6、開溝機8、成像聲納9、高壓噴沖臂10和連接法蘭11組成。

如圖2所示，開溝機8由開溝機外殼8-1、軸流泵葉片8-2、水輪機8-3、導流噴嘴8-6和導流葉片8-7組成；水輪機8-3設置在開溝機外殼8-1內，軸流泵葉片8-2固定在水輪機8-3的轉軸上；水輪機8-3的水輪機出水口8-5下方設有導流噴嘴8-6；導流噴嘴8-6固定在開溝機外殼8-1上；導流噴嘴8-6內壁設有導流葉片8-7，對水流起導向作用。母船1是整個水面支持系統(tǒng)的載體，控制柜2控制柴油機3；柴油機3驅動高壓水泵4；輸水管5的輸入口與高壓水泵4的輸出口連接；輸水管5的一個輸出口與水輪機8-3的水輪機入水口8-4連接，另一個輸出口與高壓噴沖臂10的輸入口通過連接法蘭11固定；輸水管5將高壓水泵4產生的一部分高壓水流輸送到水輪機8-3以驅動水輪機，另一部分高壓水流輸送到高壓噴沖臂10；臍帶纜7的一端固定在母船1上，另一端用于吊放開溝機；成像聲納9固定在開溝機外殼8-1外壁上，將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜7傳輸給控制柜2。

與高壓噴沖臂10輸入口連接的輸水管5輸出口處設有閥門6，控制流向高壓噴沖臂的流量。

如圖3所示，高壓噴沖臂由高壓噴沖臂外殼10-1和高壓噴嘴組成；高壓噴沖臂外殼10-1與輸水管5的輸出口通過連接法蘭11固定；高壓噴嘴包括垂向噴嘴10-2和傾斜噴嘴10-3；垂向噴嘴10-2布置在兩側，兩個垂向噴嘴10-2之間布置六個傾斜噴嘴10-3，相鄰傾斜噴嘴10-3的夾角為40°，且相鄰傾斜噴嘴10-3的傾斜方向不同。

高壓噴沖臂10可以拆卸，可以根據海底地層的地質條件確定是否需要高壓噴沖，當海底地層抗剪強度大時，則安裝高壓噴沖臂，以切割硬粘土。當?shù)貙涌辜魪姸容^小時，則不安裝高壓噴沖臂，減小功耗。

該水輪機驅動沖射式水下開溝裝置有兩種開溝模式，具體如下：

1、高-低壓結合噴沖開溝模式(先開溝作業(yè)模式)

該模式適合在硬粘土區(qū)域開溝作業(yè)(土層抗剪強度大于90KPa)，開溝作業(yè)在管線的布放作業(yè)之前，具體過程如下：

(1)母船?？坑谝?guī)劃好的作業(yè)路線上方，將水下開溝機系統(tǒng)放入水中，使其位于作業(yè)路線正上方，高壓噴沖臂接近海底硬地層。水下開溝機系統(tǒng)包括：開溝機、閥門、高壓噴沖臂，閥門為打開狀態(tài)。

(2)啟動柴油機，高壓水泵開始工作，壓力為1～2MPa的一部分高壓水流沿輸水管從水輪機入水口5-4流入，從水輪機水出口5-5流出；在高壓水流的驅動下，水輪機開始工作，帶動軸流泵葉片旋轉，產生流量為15000m³/h、流速為10m/s的射流，對海底土層進行沖刷，完成開溝作業(yè)。

(3)另一部分高壓水通過閥門流向高壓噴沖臂，經過噴嘴后沿不同方向噴沖對硬粘土進行切割；而開溝機噴出的射流將切割后的粘土塊沖走，從而形成需要的溝槽。

(4)成像聲納將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜7傳輸給控制柜2。

(5)開溝機一邊工作，母船一邊沿設定路線向前移動，完成開溝作業(yè)。

2、低壓噴沖開溝模式(后開溝作業(yè)模式)

該模式適合在普通粘土區(qū)域開溝作業(yè)(土層抗剪強度小于90KPa)，開溝作業(yè)進行之后，管線已經布放于海底，具體過程如下：

(1)母船?？吭诠芫€上方，將水下開溝機系統(tǒng)放入水中，使其位于管線正上方，導流噴嘴8-6接近管線。水下開溝機系統(tǒng)不攜帶高壓噴沖臂，閥門關閉；

(2)啟動柴油機，高壓水泵開始工作，壓力為1～2MPa的高壓水流沿輸水管從水輪機入水口5-4流入，從水輪機水出口5-5流出；在高壓水流的驅動下，水輪機開始工作，帶動軸流泵葉片旋轉，產生流量為15000m³/h、流速為10m/s的射流，對海底土層進行沖刷，完成開溝作業(yè)。

(3)成像聲納將測量的開溝機開溝深度信號通過臍帶纜7傳輸給控制柜2。

(4)開溝機一邊工作，母船一邊沿設定路線向前移動，完成開溝作業(yè)。

盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。