泥泵簡易除氣裝置設計研究

嚴 巍，林海波

（1. 中港疏浚有限公司，上海 200120；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

在疏浚施工實踐中，不同地區、不同工程，其土質情況差異很大。耙吸挖泥船主要是通過泥泵的吸入能力，將疏浚土吸入泥艙或直接排出。但遇到含有油氣的土質，對耙吸挖泥船的工作效率影響很大。因為泥泵通常是離心泵，在疏浚的過程中含有油氣的土質由于壓力的作用會在泥泵內產生大量的氣體，導致泥泵吸空，致使泥泵的疏浚效率大大降低甚至不能工作。同時，泥泵吸入大量的氣體也會加劇“氣蝕”，使泥泵葉輪、內膽等過早損壞。

2011年底新海虎4輪接到委內瑞拉馬拉開波工程的任務。該航道部分區段內的疏浚土質含有大量的油氣，從資料及實際施工顯示該段含氣層主要集中在表層0.3～0.5m厚度內，水深12.0～12.3m。為了提高疏浚效率，在投入施工前，加裝了一套簡易除氣裝置，通過實際使用比較，施工效率有很大的提高。本文以此為例進行研究。

1 簡易除氣裝置原理

根據除氣裝置的工作原理，利用船上現有設備[1～3]，因地制宜，既能使成本投入較小，又能達到一定除氣效果，提高施工效率。

1.1 系統主要設備組成及設計思路

系統主要由如下設備組成：氣體收集器（泥泵吸口專用短管）、噴射泵、高壓沖水泵、閥和管系。其設計思路是：在泥泵的吸入端，安裝噴射泵，配以適當管系、閥件來吸除氣體，以提高泥泵吸入真空，吸出的氣體連同部分泥水混合物排入泥艙或排出船外。噴射泵的工作水由船上原有的高壓沖水泵配以適當的管系、閥件來提供。由于含有氣體的疏浚土一般都是密度較小的松散的淤泥，施工時耙頭不需要高壓沖水，所以可以借助船上現有的高壓沖水泵為噴射泵提供動力水。現有的高壓沖水泵是變頻控制，可在一定范圍內調整轉速，以達到噴射泵所需的合適驅動功率。泥泵的吸入短管采用專用短管，在短管內部上方安裝一塊“舌形板”，使之深入泥泵吸口，在短管內形成一個集氣腔以利于氣體聚集。噴射泵吸除的氣體和泥水混合物通過連接到低濃度排放管直接排出或排入泥艙。當此除氣裝置不使用時只要關閉該裝置上的各閥，更換原有的泥泵吸入短管即可恢復到原來的管路狀態，簡易除氣裝置原理見圖1。

1.2 基本使用操作

1) 施工前開啟除氣裝載管系上配置的所有截止閥；

2) 當耙吸管到位后開啟高壓沖水泵，調節轉速達到噴射泵所需的工作壓力；

3) 開啟泥泵后，按普通耙吸狀態進行施工。

其中高壓沖水泵的調節尤為關鍵。操作人員根據噴射泵的工作壓力，在實際施工中反復摸索，經過多次試驗比較，高壓沖水泵輸出壓力調整到0.7～0.8MPa較合適，除氣效果明顯。

2 除氣裝置效率

為檢驗此除氣裝置的效果，摸索該設備達到使用效果的操作方法，在同一施工區域、基本相同的施工條件下進行比較試驗。

圖1 簡易除氣裝置原理

2.1 不使用除氣裝置

在不使用除氣裝置的情況下，調整施工狀態航速在 2.5～3.0kn，波浪補償器蓄能器壓力設置在 4.8MPa，拉起耙唇，打開引水窗，使油氣外冒，減少泥泵吸入，隨時觀察施工狀態，如出現進艙流速、密度都降低，則及時提升耙頭，調整至穩定狀態。操縱屏幕顯示：在含氣層影響下其進艙濃度、泥泵真空、泥泵流量等均急速下降。

根據施工數據統計，54min裝載土方量為1287m3，施工效率約為1430m3/h。具體施工數據統計（平均值）見表1。

表1 施工數據統計（平均值）

2.2 使用除氣裝置

在使用除氣裝置后，施工航速調整為2.5～3.0kn，波浪補償器蓄能器壓力設置為4.8MPa，耙頭正常著地，除氣裝置的截止閥全開，高壓沖水泵壓力調節到1MPa左右，多次試驗比較，高壓沖水泵壓力調整到0.7～0.8MPa與噴射泵的工作壓力較匹配，各項施工參數較穩定，耙唇及引水窗可根據實際施工效果調節。其進艙濃度、泥泵真空、泥泵流量等施工參數比較穩定。

根據施工數據統計，51min裝載土方量為7040m3，施工效率約為8282m3/h。具體施工數據統計（平均值）見表2。

2.3 除氣裝置效果

根據上述施工數據統計結果，在航速、泵機轉速、波浪補償器壓力等施工參數配置相同情況下，其采集數據及疏浚界面截圖見圖2～6。

表2 具體施工數據統計（平均值）

圖2 泥泵真空度對比

圖3 泥泵排壓對比

圖4 裝載速度對比

圖5 進艙濃度對比

2.4 施工效果對比分析

在實際施工中觀察疏浚控制系統相關界面可看到：波浪補償器正常工作時，在未開啟除氣裝置時，泥泵幾乎沒有出現真空甚至是正壓，泥漿濃度極低，流量、流速快速下降。此時，通過頻繁調節耙頭引水窗及耙唇對地角度，快速起升耙管，使流量、流速上升到相對正常值時再將耙頭下降，但2min之內又出現之前的情況。如此反復，提升耙頭后清水入泥艙勢必造成部分泥漿溢流，故對裝艙效果也產生影響，約 5km的疏浚距離，約 54min的施工時間，裝艙量僅1287m3，單位時間裝艙量極低僅有 1430m3/h（見采集數據及疏浚界面截圖）。而且，造成耙管系統頻繁的調節，泥泵的工作很不穩定等情況，如長期處于這種工作狀態對設備很不利。

當開啟除氣裝置施工時，施工情況明顯改善，觀察各項施工參數都比較平穩且達到較理想的施工要求。泥泵真空度達到30kPa以上，泥漿濃度達到1.30t/m3，進艙泥漿濃度、真空、流量、流速等也保持在正常范圍內小幅波動，沒有出現急速下降的現象。而且，耙頭深度、耙唇對地角度、引水窗等調節到相對合適的位置后基本保持穩定正常施工。同樣的施工距離及施工時間下，裝艙量增加到 7040m3，單位時間裝艙量達到8282m3/h（見采集數據及疏浚界面截圖）基本達到正常情況。

根據上述數據比較，開啟除氣裝置將提高進艙濃度約45%，增加泥泵真空約30kPa，提高排壓約20kPa，施工效率提高約為5.8倍。可以看出，這一簡易除氣裝置在含氣體土質實際施工中發揮了顯著的作用，達到了預期的效果。但是，由于不使用除氣裝置的測量次數、數據較少，該數據分析可能存在一定誤差，還有分析方法也存在一定缺陷，主要有：1) 不使用除氣裝置測試數據有限，不能多樣本比對；2) 不使用除氣裝置時，耙頭經常提高，不能保持著地，各施工參數變化很大，含氣量情況不明，對真空度、進艙濃度、施工效率分析等存在一定影響；3) 上述分析方法只是取其平均值，對未使用除氣裝置時，由于含氣影響，耙頭提升且不著地的數據沒有剔除，對分析結果存在一定影響。

3 存在問題

從新海虎4輪的實際使用情況看，雖然效果比較好，整套設備的投資成本也比較低，操作比較方便，而且基本不影響其他土質工況的正常施工。但由于改裝時間比較倉促，還有需要完善的必要。問題主要有：

1) 噴射泵選型要與泥泵特性匹配；

2) 該船除氣裝置是利用現有的高壓沖水泵作為驅動源，現有高壓沖水泵的轉速調節旋鈕操作時，轉速變化比較大，致使壓力變化也比較大，影響噴射泵效果；

3) 船上現有高壓沖水泵的管系直徑較大，而接入噴射泵的管徑較小，高壓沖水泵起、停時水流沖擊比較大，產生較大震動；

4) 除氣裝置上的所有截止閥都是手動操作，且安裝位置比較高，不利于操作。

4 結 語

從新海虎4輪的實際使用情況看，簡易除氣裝置效果比較好，能夠顯著地提高疏浚效率，整套設備的投資成本也比較低，操作比較方便。其中高壓沖水泵的轉速調整很重要，壓力過高或過低都不利于噴射泵的有效工作，壓力過高雖然除氣比較好，但一定程度上也影響到泥泵泵吸效能，壓力過低可能達不到除氣效果。但可以肯定的是采用簡易的除氣裝置可以解決含有氣體的土質的疏浚問題，提高疏浚效率。

[1] 郭立軍. 泵與風機[M]. 北京：中國電力出版社，1985.

[2] 李之義，等. 船舶輔助機械[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 王振瑯，曾 湛. 大型耙吸挖泥船裝艙系統設計研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 38-45.