渣漿泵卸貨設(shè)備在沉船打撈中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化

董紹雷

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了渣漿泵卸貨設(shè)備的工作原理和組成、內(nèi)部流道固液兩相流模型研究和設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合渣漿泵在打撈工程中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)渣漿泵的工程選型、管路匹配進(jìn)行了理論研究和探索優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：渣漿泵、固液兩相流、選型、管路匹配、“東方日出”

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)、國(guó)內(nèi)外海運(yùn)業(yè)的迅速發(fā)展，各個(gè)港口吞吐量持續(xù)增長(zhǎng)，進(jìn)、出我國(guó)領(lǐng)海的貨船也越來越大型化；相應(yīng)隨之而來的是沉船中往往載有大量礦砂、煤粉等散貨，因而在現(xiàn)代沉船打撈工程中，清除沉船艙內(nèi)的礦砂、煤粉等各種大小顆粒散貨，減輕沉船水下重量，往往成為第一步需要快速開展的工作。而水下卸貨工作的進(jìn)度與效果，往往對(duì)打撈工程的工期、起浮風(fēng)險(xiǎn)等方面有著直接的影響，與整個(gè)工程的成敗休戚相關(guān)。

針對(duì)“暢通”輪、“東方日出”輪等打撈工程中的卸貨和吸砂經(jīng)驗(yàn)，我們探索將目前廣泛應(yīng)用于煤炭部門水煤漿運(yùn)輸、采礦工業(yè)中礦渣輸送、水利工程中疏浚作業(yè)中的渣漿泵設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)引入到打撈工程中的水下卸貨和吸砂應(yīng)用，在“東方日出”輪打撈工程中進(jìn)行了水下除煤卸貨，取得了良好的卸貨效果。

1.渣漿泵卸貨設(shè)備系統(tǒng)工作原理和組成

渣漿泵卸貨設(shè)備主要有柴油原動(dòng)機(jī)、渣漿泵總成、輸送管路、吸頭和高壓水?dāng)嚢柙O(shè)備組成。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)渣漿泵泵軸帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，高壓水?dāng)噭?dòng)散貨顆?；旌虾Ｋ?，在渣漿泵的吸力作用下，吸頭吸進(jìn)固液兩相混合物，通過輸送管道輸送固液混合物到裝載駁船上，完成水下吸砂卸貨的工作。

渣漿泵按照工作原理劃分，與泥泵、沙礫泵統(tǒng)稱為離心式固液兩相流泵（又稱離心式雜質(zhì)泵），是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使水產(chǎn)生的離心力來工作的。渣漿泵在啟動(dòng)前，必須使泵殼和吸口管內(nèi)充滿水，然后啟動(dòng)柴油機(jī)，使泵軸帶動(dòng)葉輪和水做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固液混合物在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，經(jīng)蝸形泵殼的流道流入渣漿泵的壓水管路。渣漿泵葉輪中心處，由于固液混合物在離心力的作用下被甩出后形成真空，難船艙內(nèi)中的煤水混合物便在大氣壓力的作用下被壓進(jìn)泵殼內(nèi)，葉輪通過不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，使得固液混合物在葉輪的作用下不斷流入與流出，完成了從水下沉船中吸取散貨的整個(gè)工作流程。

2.渣漿泵內(nèi)部流道固液兩相流輸送理論和設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

2.1.“固液兩相流理論”簡(jiǎn)介

兩相流理論的基本觀點(diǎn)是：混合液中的固液兩相流在流場(chǎng)中存在著速度差.有著各自的速度場(chǎng)，固體顆粒的存在將使液體的速度場(chǎng)產(chǎn)生畸變。當(dāng)固體顆粒的速度小于液體速度時(shí)，固體顆粒相對(duì)于液體產(chǎn)生相對(duì)阻塞作用。當(dāng)固體顆粒的速度大于液體速度時(shí)，固體顆粒相對(duì)于液體產(chǎn)生相對(duì)抽吸作用。因此，在水泵工作時(shí)，固體顆粒對(duì)泵性能的影響、主要表現(xiàn)為固體顆粒在泵流道的流場(chǎng)中.特別是在葉輪流道的流場(chǎng)中對(duì)液體速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和水力損失的影響，也就是對(duì)泵的能量轉(zhuǎn)換過程的影響。

盡管固體顆粒不存儲(chǔ)壓力能，但固體顆粒速度在葉輪進(jìn)口、出口處有顯著差別，也就是說泵的葉輪可供給固體顆粒一定的動(dòng)能，這應(yīng)成為理論揚(yáng)程的一部分。

泵中固體和液體各以不同的速度運(yùn)動(dòng)，其速度差的大小，主要決定于固體的密度、濃度、粒徑及繞固液運(yùn)動(dòng)的邊界條件。水流運(yùn)動(dòng)的速度越高，固液兩相運(yùn)動(dòng)的速度差也越小，葉型和流道變化的規(guī)律越趨近于清水。但是速度太高，能量損失加大，泵的水力效率就很低。

2.2. 打撈卸貨中的渣漿泵研究設(shè)計(jì)思想

根據(jù)水下吸砂上廣泛的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析，在運(yùn)用“固液兩相流理論”，結(jié)合現(xiàn)代渣漿泵的工程使用特點(diǎn)，確定打撈工程中水下卸貨渣漿泵的設(shè)計(jì)思想：

2.2.1.提高吸取效率。選擇合理的葉片進(jìn)出口角度、良好的葉片型線、合理的葉片寬度都有利于提高效率。

2.2.2.高耐磨性。較大的葉片寬度和較小的葉輪外徑等均有利于減少磨損；

2.2.3.過流能力。渣漿泵抽送的介質(zhì)中往往會(huì)有混有大顆粒固體，必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮對(duì)顆粒的通過能力。一般情況下，較少的葉片數(shù)、較大的葉片進(jìn)出口角度和較大的葉片寬度等都有利于防堵，提高過流能力。

2.2.4.汽蝕性。選擇合理的葉輪進(jìn)口直徑、葉片寬度等，以保證汽蝕性能要求。

2.3 .渣漿泵轉(zhuǎn)速的選擇

在改進(jìn)設(shè)計(jì)性能要求的情況下.轉(zhuǎn)速的選擇直接影響到過流部件的壽命，轉(zhuǎn)速越高。圓周速度越高，磨損越嚴(yán)重。根據(jù)流體磨損的原理.磨損量應(yīng)與作用力特性和速度特性有關(guān)。

式中 H—揚(yáng)程，m；

n— 轉(zhuǎn)速，r/min；

[K]— 常數(shù)，一般取值l00～150

常數(shù)[K]值的大小與渣漿泵的規(guī)格尺寸和介質(zhì)磨蝕性強(qiáng)弱有關(guān)。泵愈小、磨蝕性愈弱.取值可以越大。

另外.從汽蝕性能出發(fā)，也可按下式選擇

轉(zhuǎn)速：

式中C— 汽蝕比轉(zhuǎn)速，一般取值400～800；

—— 必需汽蝕余量，

Q—流量， 。

2.4. 渣漿泵進(jìn)口直徑計(jì)算

渣漿泵進(jìn)口直徑的選擇應(yīng)保證進(jìn)口流速大于臨界沉降速度。當(dāng)直徑小于200mm 時(shí)，臨界沉降速度的計(jì)算一般依據(jù)杜拉德公式：

式中 臨界沉降速度（m/s）

與粒徑、濃度有關(guān)的系數(shù)，一般取O.6～ 1.4，取凡一1.1：

g— 重力加速度.g=9.81（m/s。）；

d— 泵進(jìn)口直徑（m），；

s—固體物料的相對(duì)密度，?。?/p>

—流體的相對(duì)密度。

2.5. 渣漿泵漿體濃度控制

根據(jù)一些試驗(yàn)并結(jié)合濃度對(duì)泵壽命的影響，建議離心式渣漿泵輸送漿體的最大體積濃度不超過3O%為宜，即 ≤30% 。這是因?yàn)楸眠^流零部件的磨損量與濃度成正比，即漿體濃度越大，零件的磨損量也越大，也就是說泵的壽命也就越短。

3.渣漿泵的工程選型公式計(jì)算研究

打撈工程中在進(jìn)行渣漿泵卸貨設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)，不僅要考慮渣漿泵本身的性能參數(shù)，而且還要考慮所吸取的沉船艙內(nèi)固體顆粒的粒徑、粒形、比重沉降速度、固液兩相流體濃度、粘性和密度，以及它們對(duì)泵性能的影響等因素。整個(gè)卸貨系統(tǒng)選型合理，可充分發(fā)揮泵的性能，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)省能源；如果選型不當(dāng)，在泵的運(yùn)行中將發(fā)生抽空，汽蝕，效率低、壽命短（磨損快）等不良現(xiàn)象。

3.1. 由于固液兩相流體的性質(zhì)是多種多樣的，因此輸送管路對(duì)不同的固液兩相流體介質(zhì)的損失揚(yáng)程亦是各不相同的。誠(chéng)然，要找出適用沉船艙內(nèi)諸多不同固液兩相流體介質(zhì)的準(zhǔn)確阻力計(jì)算式是非常困難的。但參考?xì)v年來的工程實(shí)踐結(jié)果，計(jì)算選擇渣漿泵的揚(yáng)程及流量與實(shí)際的損失揚(yáng)程及流量誤差值在10% 之內(nèi)時(shí).是完全能滿足實(shí)際需要的。因此推薦如下通用渣漿泵選型揚(yáng)程計(jì)算式：

3.1.1.式中d為輸送管內(nèi)徑（m）； 為輸送管的阻力系數(shù)；L為輸送管長(zhǎng)度（m）；V為固液兩相流體平均流速（m/s）； 為沉船和泵入口的幾何高度差即靜揚(yáng)（mH2O）。

3.1.2. 為局部阻力與沿程阻力的比值系數(shù)。計(jì)入該值是為了簡(jiǎn)化計(jì)算局部損失而設(shè)。該式中 、 、 系數(shù)若選擇得當(dāng)時(shí).是完全可以滿足要求的。一般長(zhǎng)距離輸送（1000m）較適合，該值選擇范圍為0.03～ O.06；輸送管路長(zhǎng)時(shí)取小值，反之，則取大值。

3.2. 在實(shí)際打撈工程中的水下卸貨一般為1000 米之內(nèi)的短距離輸送，應(yīng)采用沿程與局部阻力分開計(jì)算的辦法，這樣計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，即應(yīng)用下式：

3.2.1.式中：K 為備用系數(shù)，對(duì)于ZJ系列渣漿泵取1、05～ 1.08即可； 為各種局部阻力件阻力系數(shù)之和。

3.2.2. 為輸送清水時(shí)的管路沿程阻力系數(shù)。長(zhǎng)距離輸送時(shí)，該值選用的準(zhǔn)確與否，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。 值計(jì)算方法如下：

對(duì)于吸取沉船船艙內(nèi)的煤粉等小顆粒輸送介質(zhì)，推薦采用公式：

式中 為管路粗糙度（mm）；因上述行業(yè)對(duì)管路磨損厲害，金屬管使用后磨損得很光，所以，對(duì)于無縫鋼管一般取 =0.046。當(dāng)然，沿程阻力系數(shù) 值考慮到雷諾數(shù)的大小還有很多計(jì)算方法，但通常流速V= 1.8～3.0m/s之間時(shí)，均可使用上述計(jì)算式，必要時(shí)可用其他方法進(jìn)行校核?？傊?，應(yīng)盡力做到準(zhǔn)確一些。

3.2.3. V為管內(nèi)平均流速，該值的選取一定要校核固液兩相流體的沉降流速，確保管內(nèi)部不發(fā)生嚴(yán)重的沉降而堵管；輸送固液兩相流體時(shí)在保證不沉降條件下，流速一般取 = 1.8～ 2.6 m/s之間較合理，流速過高會(huì)加速管路磨損。

3.2.4. 為輸送清水時(shí)的損失揚(yáng)程與輸送固液兩相流體時(shí)損失揚(yáng)程之比。它反映了輸送固液兩相流體與輸送清水的阻力損失并非完全一致。除該系數(shù)是

將清水管路損失轉(zhuǎn)換成固液兩相流體管路損失。其計(jì)算及選取辦法如下：

式中 為固相密度（ ）， 為固相流體質(zhì)量濃度（%）； 為固相平均粒度（mm）。對(duì)于打撈卸貨中輸送塊煤混合固液兩相流體時(shí)，建議 選擇范圍在0.88～ 0.95。

以上系數(shù)選取原則是：質(zhì)量濃度大時(shí)取小值，濃度小時(shí)取大值。

4.輸送管路與渣漿泵的合理匹配

為渣漿泵設(shè)計(jì)安裝配套輸送管路時(shí)，當(dāng)選定泵揚(yáng)程高于管路實(shí)際揚(yáng)程太多時(shí)，離心式渣漿泵輸送渣漿的管路系統(tǒng)的特性與渣漿泵的特性匹配不當(dāng)時(shí)，將會(huì)使泵發(fā)生抽空、震動(dòng)噪聲大，汽蝕、不能正常輸送、使用壽命大幅度下降、柴油原動(dòng)機(jī)超負(fù)荷工作等不正常情況。為了避免發(fā)生這些不正常事故，就要求在輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使管路特性與泵特性做好合理匹配。

與管路有關(guān)的泵特性曲線有Q—H曲線和Q—NPSHr曲線（圖1）。這兩條特性曲線由泵實(shí)際測(cè)試得到和驗(yàn)證校核。管路系統(tǒng)也有Q—H曲線和Q—NPSHd曲線。這兩條特性曲線也應(yīng)由實(shí)測(cè)得到和驗(yàn)證校核。

圖1 管路與泵的特性曲線

管路和泵組成的輸送系統(tǒng)的特征點(diǎn)，是管路的Q—H曲線與泵Q—H曲線的交點(diǎn)（圖1中的m點(diǎn)）是泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，即m點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量Qm和對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程Hm就是泵實(shí)際輸送的渣漿流量和渣漿揚(yáng)程；再一個(gè)特征點(diǎn)是管路的Q—NPSHa曲線與泵Q—NPSHr曲線的交點(diǎn)（圖1中的d點(diǎn)）

式中NPSHr——泵的必需汽蝕余量，其值由泵的特性曲線查得，所以要保證泵能正常運(yùn)行能不發(fā)生汽蝕，受管路系統(tǒng)制約的泵實(shí)際輸送流量Qm就一定要小于管路輸送系統(tǒng)的臨界汽蝕流量Qd，即Qm

5.渣漿泵卸貨設(shè)備在“東方日出”打撈工程中的實(shí)踐應(yīng)用

5.1.“東方日出”輪除煤卸載工程概述

2011年10月28日，裝載4100噸粉煤、總長(zhǎng)93米的巴拿馬籍散貨船“東方日出”輪與336米長(zhǎng)的集裝箱船“漢堡橋（HAMBURG BRIDGE）”輪在青島港2號(hào)錨地附近航道上對(duì)向航行時(shí)相撞，“東方日出”船體破損進(jìn)水沉沒。“東方日出”輪的沉沒，嚴(yán)重影響了青島海域過往船只的安全，也給當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境也造成了巨大威脅。

難船“東方日出”輪在青島港外航道上沉沒時(shí)船上裝有4100噸無煙粉煤，其中1#艙載煤1400噸，2#艙載煤2700噸。為了減少沉船起浮重量，保證沉船起浮成功，根據(jù)打撈方案，須盡力卸掉沉船上的大部分煤炭。沉船卸煤是整個(gè)打撈工程的關(guān)鍵，卸煤進(jìn)度及效果直接影響到整個(gè)打撈工程工期乃至沉船起浮成功與否。

5.2.渣漿泵卸貨設(shè)備在工程實(shí)際組裝調(diào)試案例

利用渣漿泵對(duì)沉船進(jìn)行水下吸煤作業(yè)，在煙臺(tái)打撈局打撈工程中尚屬首例。打撈技術(shù)人員對(duì)渣漿泵卸煤方案和卸煤的配套設(shè)備進(jìn)行多次計(jì)算校核，設(shè)計(jì)組裝了吸口攪拌吸頭裝置和配套輸送管路，并以“德瀛”船為工作母船進(jìn)行組裝固定，在打撈作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和避風(fēng)期間多次對(duì)整套卸貨設(shè)備進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試測(cè)試。

圖2 渣漿泵輸送出口管路效果圖

5.3. “東方日出”打撈的水下除煤工程施工過程

2011年11月24日17時(shí)，當(dāng)“德灜”船的主鉤緩緩地將吸煤泵吸口管放入沉船艙內(nèi)，柴油機(jī)啟動(dòng)渣漿泵后，吸煤泵管出口一股濃濃的黑水夾雜著細(xì)小顆粒噴涌而出，直沖駁船貨艙，半小時(shí)后，施工人員用水桶在輸送管口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，片刻將桶中的水倒掉后，桶底露出沉淀厚厚的煤粉、煤渣；沉船卸貨設(shè)備——大功率渣漿泵卸貨設(shè)備調(diào)試安裝成功。

根據(jù)“東方日出”輪打撈工程的作業(yè)需要， “德瀛”船于2011年11月24日1605時(shí)開始進(jìn)行卸煤作業(yè)，至12月24日0940時(shí)離開，工作有效時(shí)間合計(jì)299小時(shí)53分，即12天11小時(shí)53分。經(jīng)潛水員探摸，“東方日出”輪1#貨艙剩余煤量約900m ，2#貨艙剩余煤量約1600m ，整個(gè)卸貨工程共除煤估計(jì)不少于1300噸。但是青島外海冬季的惡劣氣象條件及較差海況制約了工作母船的持續(xù)作業(yè)能力，使打撈現(xiàn)場(chǎng)卸煤工作進(jìn)展不快，限制了最終的除煤卸貨量和效率。雖然“德瀛”船卸煤效果總體較好，但是考慮到打撈工期的影響，在經(jīng)過準(zhǔn)確核算現(xiàn)有的卸煤量已經(jīng)滿足了預(yù)定起浮沉船要求的前提下，為減少工期成本，結(jié)束了本次吸煤卸貨作業(yè)。

6.結(jié)束語：

“東方日出”輪順利起浮成功后，觀察其貨艙內(nèi)部的存煤情況可以看到，經(jīng)過理論計(jì)算改進(jìn)后的渣漿泵卸貨設(shè)備的水下吸煤實(shí)際效果較為理想，基本上達(dá)到了預(yù)定的除煤量目標(biāo)。

但是本次打撈現(xiàn)場(chǎng)的吸煤工作也暴露出了一些不足之處，首先是對(duì)沉船貨艙內(nèi)的吸煤存在多個(gè)盲區(qū)，還有大量煤粉囤積在角落難以吸?。蝗绻链谒碌膬A斜角度超過一定限度，實(shí)際吸煤工作將更加困難；其次是現(xiàn)場(chǎng)渣漿泵的葉輪和里襯磨損很快，需要更換修理，影響了設(shè)備的持續(xù)作業(yè)能力。這需要我們?cè)诤笃诠ぷ髦袑?duì)設(shè)備進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，對(duì)渣漿泵的轉(zhuǎn)速和吸取的固體顆粒大小等因素進(jìn)行綜合計(jì)算校核，做到效率和使用成本的平衡。

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