基于正交投影法的导管架平台切割技术优选

时间：2024-07-28

冯士伦，朱晓宇，杨虎，李焱，唐友刚

1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350

2.天津大学建筑工程学院，天津 300350

导管架平台拆除过程中，一项重要的施工技术是切割导管架平台结构，其操作复杂，难度极大，且危险性极高[1]。目前已有的工作主要集中于导管架平台切割拆除技术的研究，对切割技术的原理、适用范围、经济性、安全性等有了比较全面的分析，但是对于切割技术的性能比较、选用方法、优选排序，却研究甚少。本文主要针对5种导管架平台海上切割技术的各项性能进行比较分析，并基于正交投影法进行优选排序，为海上平台切割作业方法的选择提供指导。

1 切割技术

1.1 火焰切割技术

火焰切割[1]（Flame Cutting）是导管架平台水面以上桩腿切割的主要技术方法，主要包括乙炔气切割、丙烷气切割、天然气切割等，这些切割方法采用的割炬大同小异，包括乙炔接头、氧气接头、乙炔阀、氧气接头、预热氧气阀、切割氧气阀、割嘴等。使用乙炔割炬枪可以手工操作切割，也可以将割炬枪固定在磁力爬行切割工具上，利用磁力吸在桩腿上，构成磁力爬行切割机进行切割。

1.2 水下氧弧切割技术

水下氧弧切割技术[2]是利用电弧放电产生的高温和氧气助燃使被切割金属构件燃烧熔化，并借助氧气流的冲力将切割缝中的熔融金属及氧化熔渣吹除以形成割缝，从而达到切割目的。

1.3 高压水射流切割技术

高压水射流切割技术[3]是利用大功率柱塞泵将常压水加压到上百兆帕，而后将其从特制的高压耐磨喷嘴中喷射出，在高压高速水射流中加入一定数量的、具有一定质量和硬度的磨料颗粒（石榴石、铜渣等）而形成液固两相流，水射流接触到海洋构件时产生极大的冲击力，从而可以高效切割目标构件。切割压力达到140 MPa以上，可以用于切割钢铁、合金类材料等。

1.4 金刚石绳锯切割技术

金刚石绳锯机切割作业系统由夹紧机构、电磁阀箱、进给机构、张紧机构、驱动装置、导向装置、切割框架等组成。工作时，驱动装置高速运转，进给机构带动串珠绳运动，利用金刚石的硬度与绳索的柔性对切割对象进行高速磨削以完成切割任务[4]。此种切割技术安装方便，操作简单，安装费用较低，切割噪音低，无污染。

1.5 液压剪切割技术

液压剪（别名鹰嘴剪）由钳体、液压油缸、可动刀片和固定刀片等组成，由液压系统为液压油缸提供油压，利用液压剪的可动刀片和固定刀片的张合进行剪切。液压剪适用于非再利用结构部分的拆解切割[5]。

2 基于正交投影法的导管架切割技术优选

2.1 正交投影法介绍[6]

正交投影法是一种基于有限方案选择的多目标决策方法。正交投影法以与理想解的“垂面”距离大小作为判断方案优劣的标准。如图1所示，点M和N分别为理想解点和负理想解点，点J和I分别为MN与以MN为法向量的两个平面的交点，点X，Y为两平面的任意一点，设点M，N，X，Y所对应的向量为a，b，x和y，则点X,Y之间的距离方程式为[6]：

图1 垂直距离示意

式中：“·”为向量的点积，“||||”指范数。

该式可以推广到n维。利用正交投影法寻找最优解，即是确定式（1）距离的最小点。与最优解的“垂面”距离越小，则该方案越好；反之，则越差。基于此原理和方法，可以对5种切割技术进行优选排序。

本文基于正交投影法编程进行优选排序，正交投影法的计算原理和步骤详见文献[6-7]。

2.2 应用案例分析

综合对比评估5种导管架切割技术方法的各项技术指标，构建出切割技术优选指标体系，包括切割能力、环境适用性、经济适用性和社会影响这4类，将4类指标细化得到指标体系：切割精度、适用范围、工作效率、环境适应能力、故障率、设备使用成本、人工劳动成本、环境污染和海域占用时间等，分别用 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9分别代表体系中的指标。考虑不同切割方式的技术指标B1～B9，综合专家的资料经验进行修正，得到表1；考虑不同专家的资历、经验，得到专家对技术指标的重要性排序，见表2。

表1 切割技术性能评估值

表2 专家对技术指标的重要性排序

基于表1和表2，根据文献[6-7]的正交投影法编制程序计算，得到不同切割技术的垂直面距离Pi（i=1，2，3，4，5），即表3所示切割技术评估值。

表3 切割技术评估值

由表3得到，液压剪切割技术垂直面距离P5最小，为最优切割技术；水下氧弧切割技术垂直面距离P2最大，为技术指标最低切割技术。由表3得到不同切割技术的优选排序为：液压剪切割>高压水射流切割>金刚石绳锯切割>火焰切割>水下氧弧切割。显然该排序将环境保护放在重要位置，水下氧弧切割过程中发生化学反应，对于环境的污染较其他切割技术严重，所以排序在后。而液压剪切割属于纯物理过程，不会污染海洋环境，所以排序在第一位，此外切割施工过程风险小，简便，也是优势。