泥水管道選擇與接力泵位置計算

馬鳳偉

中鐵十六局集團有限公司（450000）

0 概述

南水北調穿黃隧洞總設計長度4250m，分過河段和邙山段兩部分，其中過河段3450m，邙山段800m。隧洞最深覆土35m，采用豎井始發技術，施工豎井深40m。根據地質勘探報告，本工程選用了德國海瑞克生產的泥水加壓式盾構機進行施工。由于黃河地區地質條件復雜，因此泥水環流系統的設計和選擇非常重要。本文僅針對泥水環流系統的兩個重要方面進行了詳細的解析和闡述。圖1為泥水環流系統控制界面。

圖1 泥水環流系統控制界面

1 泥漿管的選擇與設計

1.1 基本原始參數

泥漿管總長:3450m；管道內徑:350mm；泥漿泵理論揚程:76～78m。

1.2 設計計算

1.2.1 管道壁厚計算

1）計算公式:

其中:δ—管道壁厚；dg—管道內徑；p—泵的出口壓力；σ—材料許用應力；a—附加厚度，一般鑄鐵管取7～9mm，鋼管取 1～2mm。

2）計算過程:

①泥漿泵出口壓力。泥漿泵的出口壓力一般可使用泵的揚程進行近似計算，而在泥水環流系統中，泥漿泵有進泥泵和排泥泵兩種，一般情況下排泥泵的負荷要大于進泥泵，因此可使用排泥泵的揚程計算:

P=ρgh=1.3×103×10×73=0.95MPa

其中，ρ—排泥密度；h—排泥泵揚程。

δm=1.0×3.5=3.5mm

綜上所述:δ=δ0+δm=2.8+3.5=6.3mm，由于泥漿管在實際使用過程中不可避免的要承受沖擊壓力，因此取壁厚安全系數 n=1.5，則:

δ=1.5×6.3=9.45mm

實際管道在加工過程中存在誤差，考慮管道的制造誤差，取 δ=10mm。

1.2.2 管道選擇

1）規格型號選擇:經計算泥漿管的壁厚為10mm，則管道外徑為370mm。查管材規格型號表可選擇外徑為377 mm，壁厚為10mm的鋼管。

2）材料選則:市場上現有無縫鋼管，螺旋焊接鋼管，直縫焊接鋼管等多種鋼管。現做如下分析:

①壓力要求。根據GB8163-87的規定，普通鋼管用作流體運輸，必須進行流體壓力試驗。其靜水試驗壓力計算公式為:

其中，p—試驗壓力，MPa；S—公稱壁厚，mm；σs—規定屈服點的 60%，N/mm2；D—公稱外徑，mm。

由表1可見,螺旋鋼管足以滿足環流系統對壓力的要求。

②磨損要求。泥漿管道的磨損，現在還沒有統一的計算公式，相關的經驗參數也很少,但泥漿管道的抗磨損系數一般與材料的化學成分有關（見表2）。

表1 不同材料鋼管的力學性能比較

圖2 螺旋管抗壓試驗

表2 不同材料化學成分表

在化學成分中，C含量主要影響材料的硬度，Si含量和Mn含量影響材料的耐磨性，S含量和P含量則影響材料的韌性。從表中可以看出,材料Q235B的抗磨性能是比較好的，但較之20#，45#鋼其S、P含量過高，一定程度上影響了它的硬度和耐磨性能。上述四種材料45#鋼的耐磨性最好，但Q235B的耐磨性能已足以滿足施工需要。

3）市場價格分析。市場上現有較多規格的管材供應,經調查繪制如下表3。

表3 管材市場價格分析

綜上可知針對穿黃工程的施工需要,材料為Q235B的螺旋焊接管性價比最高,因此管道選擇以螺旋焊接鋼管為主。

2 中繼泵加裝位置計算

2.1 原始計算參數

施工豎井深度:40m；進泥泵揚程:76m；排泥泵揚程:78 m；進泥流量:1100m3/h；排泥流量:1200m3/h；管道內徑:350 mm；隧道長度:3450m；地面段管路:200m；閘閥:100m/個；出口壓力:400～500kPa。

2.2 計算過程

2.1.1 進泥接力泵安裝位置

1）沿程損失:

又由L=1+n×11=1+31.5計算得:

其中:L—當量長度；1—理論安裝位置；n—彎頭個數，此處取 n=6；11—查表得直徑 350mm，45°彎頭的當量長度為5.25m。

2）入口水頭損失:

V—入口流速，可使用（1）中計算流速；ξE—入口損失系數，一般管式入口ξE=1，法蘭入口ξE=0.5，圓滑喇叭入口ξE=0.05，喇叭入口 ξE=0.1～0.2。此處選用管式入口，取 ξE=1，代入公式得HE≈0.522m。

3）閘閥水頭損失:

本循環系統中選用350mm的刀式閘閥,查表得350mm閘閥的損失系數ξT=0.11，故單個閘閥的水頭損失為:HT≈0.66m。

4）出口水頭損失:

泥漿泵揚程計算公式如下:

圖3 中繼泵安裝示意圖

考慮到穿黃隧洞有一段深40m的豎井,40m水柱壓力約為400KPa，做如下補充計算:計算可得1≈199m，即豎井段垂直管路可抵消4bar出口壓力下約199m長度的管損，故地面進泥泵可維持更長距離，也即1=1330m+199m=1529m。

綜上接力泵的安裝距離應為11=1529-200m=1329m，12=1329+1330m=2659m。2.1.2排泥接力泵安裝位置

1）沿程損失:

0.01379≈0 .014，又有 L=1+n×11=1+31.5 計算得:

2）入口水頭損失:

3）閘閥水頭損失:

4）出口水頭損失:

代入揚程公式，則:

計算得排泥泵可維持的理論長度l=1425m,考慮計算過程中的誤差，取儲備系數1.25，所以排泥接力泵的理論加裝位置應為l/1.25=1140m。由于豎井深度為40m，加大了泵的負荷程度，作如下補充計算:

計算可得在3bar的出口壓力下，排泥泵的剩余揚程可抵消479m管路損耗，因此整條隧道（3450m）至少要使用4臺排泥泵。也即除去盾構機上的排泥泵，還需3臺接力泵，且分別在推進1140～1425m范圍內安裝最合適,取中間值1282m。則接力泵的安裝距離應為11=479m，12=479+1282 m=1761m，13=1761+1282m=3043m。

圖4 中繼泵安裝

3 結論

通過本文的計算和分析,解決了穿黃工程泥水環流系統管道和泥漿泵的選用和設計問題,同時也為穿黃工程泥水環流系統的設計施工提供了理論支持和技術指導,減少了不必要的設備采購，節約了施工成本。

[1]白銘聲,等.流體力學與流體機械[M].煤炭工業出版社,1980.

[2]全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會組織編寫.工業泵選型手冊[M].化工出版社,1998.

[3]吳宗澤主編.機械設計使用手冊[M].化學工業出版社,1999.

[4]長江水利委員會、黃河水利委員會.穿黃工程地質專題報告[M].2005.