挖泥船疏浚輸泥管的材料選擇

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

隨著耙吸挖泥船逐步向大型化、高效化發(fā)展，其船體結構上配置的輸泥管材質選擇成為耙吸挖泥船的重要研究課題。尤其在挖掘土質多樣化的情況下，疏浚輸泥管的磨損情況愈加嚴重。選擇耐磨性好，性價比高、適應性強的耐磨材料可使得船舶在施工中提高作業(yè)效率，有效降低檢修費用。

1 國內挖泥船耐磨材料的應用

1.1 疏浚管系的磨損情況

耙吸挖泥船作為河道清淤，航道疏浚的工程船舶，在施工過程中通過泥泵的作用，將泥土、碎石從水底經由船上配置的吸排泥管輸送到指定地點，如直接裝艙或吹岸作業(yè)。在管道輸送過程中，因為實際挖掘土質多樣化，疏浚吸排泥管的磨損情況非常嚴重，通常表現為管內壁腐蝕與沖刷、應力腐蝕開裂、材質裂化、疲勞裂紋等。磨損現象是挖泥船作業(yè)必須面對的問題，在一定程度上也影響了疏浚船隊的施工效率，管道的嚴重磨損，不僅降低了疏浚作業(yè)的安全性，也增加了管路更換和維修的費用，造成整船的停工，形成較大的經濟損失。

通常認為管道的腐蝕與管道的材質、腐蝕介質的特性及其濃度，以及管道內介質的流速和流態(tài)等因素有關。在耙吸挖泥船作業(yè)的過程中，主要的輸送介質是各類泥沙，碎石和水，其不同的固體顆粒含量、濃度、速度及壓力對吸排泥管系產生的磨損程度不同，磨損機理復雜。但不管介質組成如何，管路自身材質的耐磨性對降低磨耗損失，提高船舶作業(yè)可靠性起著至關重要的作用[1]。

1.2 挖泥船上耐磨材料的應用現狀

目前，國內疏浚行業(yè)采用的耐磨材料一般有： 普通低碳鋼板、低合金鋼、耐磨復合內襯、特殊熱處理鋼、夾套高鉻鑄管及雙金屬鑄造復合管。

前兩種材料雖然價格便宜，但耐磨性能較差，尤其普通低碳鋼管，耐磨及耐蝕性差，使用壽命短，除了在早期的挖泥船輸泥直管中采用過外，目前已基本不再使用。

耐磨復合內襯材料主要指以耐磨陶瓷作為防磨內襯。陶瓷屬于高耐磨材料，但在管線輸送泥漿的壓力之下，陶瓷內襯難以與外部基層鋼管發(fā)生同步的彈性變形，造成內襯材料極易破裂剝落的現象。同時陶瓷材料的成本高，也在一定程度上限制了其在吸排泥管中的使用。

特殊熱處理鋼是指經過特殊熱處理技術提高鋼板的硬度，使得耐磨性顯著提高，具有良好的冷彎性和可焊性的鋼板。近年來，該類鋼板發(fā)展較快，其主要品牌有瑞典HARDOX系列、德國XAR系列、德國DILLIDUR系列、法國CREUSABRO 4000、日本NK-EH系列，比較常用的是HB400左右的鋼板，既有一定的強度又有比較好的加工性。在國內疏浚行業(yè)中，HARDOX400已有成功運用，如在挖泥船的部分受力構件，如錐形泥門結構面板、泥門導軌、裝載箱入口等處。

夾套高鉻鑄管是一種復合管，以高鉻鑄造管為內層，外層為加套普通鋼外板，在管與管之間的空隙處填充特殊的水泥砂漿。外層碳鋼管可根據鑄件的形狀特點采用焊接或螺栓連接，主要用于制作一些彎管或三通、四通管，但其重量較重。

雙金屬鑄造復合管是采用離心鑄造技術將兩種材料(基板和耐磨層)鑄造成整體。通常外層基板為普通的碳鋼，內部耐磨層則采用高鉻鑄鐵。其生產成本較低，但在澆注過程中不易控制尺寸，厚度誤差較大，同夾套高鉻鑄管，其單重較重。

以上材料因各種原因或局限，未能充分滿足疏浚行業(yè)對吸排泥管系應有耐磨性好、單重輕、易制作的要求，雖然目前在國內的挖泥船上有著各種不同的選用，但相關管路的耐磨性并不理想，船舶檢修頻率高[2]。

2 耐磨復合板的發(fā)展及應用

2.1 耐磨復合板的發(fā)展

耐磨復合鋼板是采用復合制造技術將高耐磨的合金層材料溶敷在基板上的耐磨復合材料。耐磨復合板的制造，從最初的手動堆焊發(fā)展到現在的合金粉末溶合，其耐磨性越來越好。耐磨復合板以其高耐磨性、抗沖擊、易于加工以及高的性能價格比優(yōu)勢，在節(jié)能、節(jié)材、保護環(huán)境方面展示出了巨大的效益。20世紀60年代許多工業(yè)發(fā)達國家就開始研究耐磨堆焊材料并逐步開發(fā)出了各類耐磨復合板材。決定耐磨復合板性能的耐磨合金一般由碳化鉻組成。碳化鉻屬于高鉻合金體系，除了具有極強的耐磨性外，還具有相當的耐腐蝕和耐高溫性能。據此產生的各類高鉻耐磨復合板是按照高碳高鉻要求來配比合金含量的耐磨板材，其合金層含碳的質量分數達5%～6%，含鉻量在30%以上，耐磨性是高鉻鑄鐵的1～2倍，熱處理耐磨鋼板的4～7倍，高錳鋼的5～10倍，熱軋鋼的15～25倍。

近幾年來，耐磨復合板主要應用在冶金、煤炭、建材、化工、發(fā)電等工業(yè)設備中，在大面積磨損的工況下，使用效果明顯優(yōu)于其它耐磨材料。隨著我國疏浚產業(yè)的快速發(fā)展，疏浚作業(yè)面臨的工況環(huán)境日益復雜，疏浚土質多樣化，對疏浚設備的耐磨性和使用壽命提出了更高的要求。疏浚業(yè)亟需高耐磨性的復合板。

目前市面上的高鉻耐磨復合板有多種不同的產品，國外的代表品牌有澳大利亞合金鋼公司的Arco1600，美國SAS公司的信鉻鋼SA1750CR，英國的WA等，由于有一套完善的生產工藝及嚴格規(guī)范的質量控制體系，國外品牌產品與國內的耐磨復合板比較，其成型好，變形小，抗拉強度高，抗沖擊性好，耐磨層碳化鉻硬質相微觀硬度高且大顆粒數量多，分布均勻，宏觀硬度達58～62 HRC，耐磨性好。

2.2 應用實例

2010年，上海振華重工(集團)股份有限公司承建了一艘萬m3級的耙吸船“新海虎8”輪，該船的設計挖泥工況為可挖淤泥、粘土、細粉砂、中細砂、粗砂、碎石和卵石。通常在挖泥作業(yè)時，固體顆粒、腐蝕性液體及氣體組成的多相流中，沖蝕、腐蝕和空蝕作用相互促進，導致挖泥船的輸排泥管磨損非常嚴重，據資料顯示，在國內某挖泥船的施工過程中，普通輸排泥管在輸送泥夾沙時的磨損情況是每輸送100萬m3泥沙，管壁磨掉1 mm，造成檢修頻率增加，維護成本高。因此在本船的疏浚吸排泥管系的制造過程中，船東、設計方、船廠充分比較各種耐磨材料，以耐磨、抗蝕性好、制作簡單、質量輕為出發(fā)點，經過分析論證，最終選用信鉻鋼作為本船輸泥管路的主要耐磨材料。

信鉻鋼(SA1750CR耐磨板)是一種高碳高鉻耐磨復合板，其含碳量4.0%～5.0%，含鉻量：30%～40%。碳化鉻硬質相微觀硬度最高達HV1750且數量多，抗腐蝕性強[3]。采用獨特的合金粉末制造工藝，保證了穩(wěn)定的化學成分，從而保證了復合板的耐磨性，同時解決了傳統(tǒng)堆焊稀釋率大，基板機械性能受損、易斷裂、耐磨層整塊剝落等問題，且有硬度高、平整性好、耐沖擊、單重輕等優(yōu)點。通過冶金結合，抗拉強度最高可達345 MPa，適合中等沖擊場合。特別是其耐磨性是傳統(tǒng)熱處理鋼的12倍，錳鋼板的15倍，熱軋板Q235的30倍左右，使用壽命相應延長。其價格在本船建造期間大約是高鉻鑄鐵的1.5倍，雙金屬復合管的2倍，特殊熱處理鋼的3倍，錳鋼板的5倍，故性價比較高。

信鉻鋼從橫截面上可分為基板層、滲透線(過渡層)以及耐磨層，見圖1。

圖1 SA1750CR耐磨復合板橫截面

在冶金過程中，耐磨層會出現許多應力自然釋放的發(fā)絲狀裂縫，這些應力縫始于耐磨層，止于基板層，且分布均勻，利于板材卷彎。但也正是由于這些應力縫，無法測試其機械性能，同時限制了其用于受力結構件。

利用信鉻鋼高耐磨、耐腐蝕、抗沖擊、單重輕的優(yōu)點，最終本船對于不易施工維修拆換的泥艙段中泥泵吸入管系的所有直管采用信鉻鋼(SA1750CR耐磨板)；同時，為降低整船重量重心以及后期的航運施工成本，在甲板上的泥泵排出管系中的所有直管也采用了信鉻鋼。信鉻鋼板厚采用12.5+12.5 mm，根據吸排泥效率計算，全船泥管在三角艙的最小直徑DN700，而信鉻鋼在此板厚條件下，最小內彎直徑為500 mm，在此條件下內彎耐磨層不容易剝落，滿足吸排泥管卷圓加工要求，信鉻鋼的卷圓及成型見圖2、3。

圖2 SA1750CR耐磨復合板卷圓

圖3 SA1750CR耐磨復合板制作的吸排泥管

在制造過程中，船廠要求供貨商按照要求提供相應厚度及尺寸的板材，使得板材利用率大大提高，從而降低制造成本。而三通、彎管等管件，因為造型復雜，耐磨復合板不易成型，故選用耐磨性好的夾套高鉻鑄管。對于磨損性不大的低濃度排放管，則從成本方面考慮采用Q345鋼板進行卷制。全船輸泥管路的材質選用見表1。

表1 全船輸泥管路材質選用

船東在使用過程中，信鉻鋼(SA1750CR耐磨復合板)制造的泥管因耐磨性好，使用壽命延長了，從而將節(jié)約巨大的停產進塢維修費用、往返費用及更換材料費用，有效保證工程施工進度。

2.3 耐磨復合板在疏浚行業(yè)的發(fā)展前景

我國疏浚施工能力持續(xù)提高，疏浚設備制造和研發(fā)能力不斷進步，關鍵的疏浚裝備不斷實現國產化。在此基礎上，以高耐磨性為特征的耐磨復合板成為疏浚裝備發(fā)展的重要研究材料。在國內，耐磨復合板雖然在各大行業(yè)已有較為廣泛的應用，但對于疏浚領域，其尚處于起步階段。同時由于復合板缺少船級社的論證，盡管理論上能滿足設計的機械強度，但仍限制了其在挖泥船結構件上的應用。

對于挖泥船而言，輸泥管路、泥泵襯板、耙頭等裝備對耐磨性要求較高，耐磨復合板的高耐磨性和可加工性非常適宜在此類磨損部件上使用。而且隨著國內外對耐磨復合板的深入研究，復合制造技術不斷進步，檢測手段不斷提高，鋼廠的生產工藝及質量控制體系愈發(fā)完善成熟，相關板材生產標準、鋼板特性將逐步形成系列化，標準化，最終得到各方檢驗機構的認可。耐磨復合板必將在疏浚挖泥船上得到更廣泛的應用[4-5]。

3 結束語

施工作業(yè)的磨損環(huán)境無法避免，惟有設法降低磨耗，減少磨損帶來的時間、經濟損失。“新海虎8”船的疏浚輸排泥管路采用新型的耐磨復合板卷制(信鉻鋼，SA1750CR耐磨復合板)，經實踐檢驗，得到了成功運用。隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展，相信在不遠的將來，一定會有更多的新技術、新材料、新工藝運用到疏浚挖泥船上，有效地提升我國的疏浚裝備制造能力。

[1] 林海波.疏浚系統(tǒng)耐磨材料的應用研究[J].船舶與海洋工程,2012(4):60-63.

[2] 王 進.挖泥船吸排泥管耐磨管材的選用[J].港口科技,2012(5):39-41.

[3] 謝昌林.信鉻鋼耐磨復合板在疏浚領域內的使用情況[C]∥第十九屆世界疏浚大會論文集,北京,2010:430-433.

[4] 唐琳琳.高鉻耐磨復合板的性能特點及應用領域[J].露天采礦技術,2011(2):82-83.

[5] 張立國.耐磨復合板及其使用技術問題[J].水泥工程,2012(3):50-53.