絞吸挖泥船泥漿管道輸送模型構建*

熊 庭 楊 文 鄧 勇 劉建偉 曹 福 李善奇

(武漢理工大學能源與動力工程學院1) 武漢 430063) (長江宜昌航道工程局2) 宜昌 443003)

絞吸挖泥船泥漿管道輸送模型構建*

熊 庭1)楊 文1)鄧 勇2)劉建偉2)曹 福2)李善奇2)

(武漢理工大學能源與動力工程學院1)武漢 430063) (長江宜昌航道工程局2)宜昌 443003)

根據絞吸式挖泥船泥漿輸送過程和輸送原理，構建了絞吸挖泥船泥漿管道輸送系統模型，根據模型可確定不同體積分數下泥漿的實用流速，通過泥漿輸送過程中管路揚程和泥泵揚程的計算，確定施工工況點，可求出不同泥漿體積分數下的流量和施工產量.同時，根據實船“長獅10”單泵施工數據，對泥漿輸送模型中泥漿實用流速、施工產量進行了驗證.結果表明，實船施工數據和理論計算數據基本一致，誤差在可控范圍內.

絞吸船；泥漿管道輸送；模型構建；實船驗證

絞吸式挖泥船是目前廣泛運用的一種疏浚設備，運用于沿海和內河港口航道的建設與維護、河道與湖泊清淤工程，以及環保疏浚建設中.泥漿管道輸送系統是絞吸挖泥船十分重要的組成部分，對疏浚施工效率影響十分大，也是施工中的主要能耗系統之一.正確的泥漿管道輸送系統模型是施工操作和施工動態優化的基礎，同時對于絞吸船新船建設和舊船改造也具有積極意義.國內外許多學者對泥漿管道輸送進行了一系列的研究，這些工作對于分析泥漿輸送具有積極意義[1-4].但多數研究均是根據理論模型和實驗室數據推導而成，沒有實際船舶的施工數據進行有效的驗證.

針對泥漿管道輸送過程，本文建立了管道輸送模型，可利用該模型計算出不同泥漿體積分數下的實用流速以及施工產量，同時根據長江宜昌航道工程局提供的實船試驗船舶“長獅10”的施工數據對泥漿管道輸送模型進行了驗證.

1 泥漿管道輸送模型

1.1 管路流速確定

1) 根據實際施工中泥漿體積分數和吸排泥管直徑確定管路臨界流速 對于平均粒徑小于0.55 mm的粘土，以及粉土，其臨界流速為[5]

(1)

式中：vc1為泥漿臨界速度，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；CV為疏浚泥土顆粒體積分數；Dp為排泥管內徑，m；ds為疏浚泥土顆粒平均粒徑，可參考土質參數表1，利用插值法取土壤顆粒平均粒徑；ρs為疏浚泥土顆粒密度，t/m3.

當數據土質平均粒徑大于0.05 mm時，按下式計算.

(2)

式中：vss為顆粒在靜水中的沉降速度，m/s，可參考表1選取；ds為疏浚泥土顆粒平均粒徑，mm.

表1 土質參數表

2) 按照實際施工經驗確定臨界流速 根據實際施工經驗，臨界流速可按照表2確定.當挖泥船排泥管徑為560mm，施工工況為中、細砂(以細砂為主)，選擇的臨界流速vc2=3.6m/s.若管中流速過高，將會加大泥管的磨損；若過低又將引起關內泥漿沉淀而淤積.目前國家沒有統一的設計標準，一般選擇臨界流速比計算值略大而經驗值.

表2 臨界流速參考值

3) 實用流速的確定 實用流速，即為經濟流速，應按下列要求選取：盡量使體積分數最大，不使體積分數受流速提高的影響；避免管路泥漿摩阻增加太多，當細顆粒土摩阻較小時，可適當增大流速；土質復雜，體積分數變化大，流速可適當增大；較大的流速摩阻增大、泥泵功率增加，如能提高生產率，降低比油耗率，則仍取較大流速；如果實用流速選擇太小，管道中泥沙將淤積甚至堵塞，造成施工減產甚至停工.

實用流速的選擇應與挖掘生產率相匹配.絞吸式挖泥船挖掘生產率不但與土質、絞刀的功率和性能有關，還與泥泵所能產生的吸入流量有關.

計算法可按下式進行初步計算.

(3)

式中：vp為實用最低流速，m/s；vc為臨界流速，m/s，按輸泥平均體積分數計算；Kv為相關系數，

按表3選取.

表3 實用流速系數表

按照凱夫公式計算沉降速度.

(4)

將沉降速度與實用流速進行對比分析，以進一步確認在設計工況流速下不會發生沉降.根據上述2種算法，排泥管內實際流速按較大值選取.

1.2 管路揚程計算

當承建的施工項目確定以后，相應的工況條件也就基本確定，如開挖的土質、所需的排距及相應的排高，因而所需的揚程也就基本確定.

1) 泥管折算長度計算 為便于計算說明，本文中排泥管內徑與水上、水下，以及陸上管內徑一致.根據船上管、水上管對陸上管長的折算比，以及吸排泥管附件局部阻力的折算長度比可以分別計算出吸泥管的折算長度∑L1s和排泥管的折算長度∑L1p.折算比可參考表4、表5.

表4 船上管、水上管對陸上管長的折算比

表5 不同管徑局部阻力的折算長度

膠套、彎管折算岸管長度計算公式為[6]

(5)

式中：l為折算為岸管的長度,m；ζw為清水局部阻力系數；λw為清水沿程阻力系數.

(6)

其中：c為管壁粗糙系數，管壁光滑1.676 7，新制焊接管1.948，修補舊管2.219 90(適用于管徑400～1 000 mm)；d為泥管內徑，mm.

輸泥管路中使用的彎管均為圓管均順轉彎的彎管，彎管清水局部阻力系數ζw為[7]：

(7)

式中：R為泥管彎曲半徑,m;θ為彎管角度，(°).根據計算，90°彎管ζw取為1.03，60°彎管取為0.48，45°彎管取為0.31，30°彎管取為017.

2) 管路總耗用清水水頭計算 管路的水頭損失即耗用的清水水頭大致可概括為4個部分.

(1) 由于排高所損失的水頭H1

(8)

式中：Z為排高， m；ρw為清水密度，t/m3.

(2) 管路的沿程損失H2

(9)

式中：λw1為吸泥管沿程阻力系數；λw2為排泥管沿程阻力系數；∑L1s1為吸泥管折算長度，m(不含吸泥管中的附件局部阻力的折算長度)；∑L1p1為排泥管折算長度,m(不含排泥管中的附件局部阻力的折算長度)；Ds為吸泥管內徑，m；Dp為排泥管內徑，m；vs為吸泥管內流速，m/s；vp為排泥管內流速，m/s.

(3) 管路中，附件局部阻力引起的水頭損失，如吸口、彎頭、接頭等引起的水頭損失，第一部分為吸泥管中局部阻力引起的水頭損失，第二部分為排泥管(含水上管、沉管、陸上管等)引起的水頭損失：

(10)

式中：∑λw3為吸泥管附件阻力系數之和；∑λw4為排泥管附件阻力系數之和.

(4) 管路出口的流速所產生的速度損失水頭

(11)

管路總耗用的清水水頭為

(12)

根據吸泥管、排泥管(含水上管、沉管、陸上管等)以及吸排泥管中附件局部阻力折算的直管長度，管路總耗用清水水頭可簡化為

(13)

式中：∑L1s為吸泥管折算后的長度，m；∑L1d為排泥管折算后的長度，m；vs為吸泥管平均流速；Ds為吸泥管內徑，mm；Dp為排泥管內徑，mm；為吸泥管沿程阻力系數；λw2為排泥管沿程阻力系數；ρw為清水密度，t/m3；Z為水面至排泥管出口中心垂直距離，即排高，m.

由此，可以計算出管路總耗用清水揚程.

3) 管路總耗用泥漿水頭計算

(1) 泥漿沿程摩阻系數λm為[8]

(14)

式中：β為土壤系數，淤泥2.5，細砂3.0，粗砂4.0，礫石5.0，珊瑚礁等粒徑較大且有棱角取7.0；ρm為泥漿密度，t/m3；ρw為清水密度，t/m3.

(2) 根據泥漿沿程摩阻系數，可以計算出管路總耗泥漿水頭Hm為

(15)

式中：y為水面離海底的距離，即挖深，m.

1.3 泥泵揚程計算

1) 泥泵清水特性曲線擬合[9]在泥泵出廠時，廠家大多會提供泥泵清水特性數據，在泥泵使用初期，泥泵磨損較小，可以直接采用廠家提供的泥泵清水特性數據，利用Matlab軟件擬合出其表達式.

利用Matlab軟件的Polyfit多項式擬合函數進行擬合，得到泥泵清水Q-H曲線的關系式為

H=-0.437 7Q3+1.340 2Q2+

(16)

得到的泥泵清水特性Q-H曲線見圖1.

圖1 Matlab擬合的泥泵Q-H曲線

2) 泥泵泥漿特性的換算 泥泵的泥漿揚程Hm、不同土質的泥漿密度ρm、不同土質的泥沙顆粒體積分數CV可分別按下式進行換算：

(17)

(18)

(19)

式中：Hm為泥泵輸送泥漿時的揚程，kPa；Hw為泥泵輸送清水時的揚程，kPa；ρm為泥漿密度，t/m3；KH為土質換算系數；r為天然土密度，t/m3；ρw為水密度，t/m3，海水取1.025，清水取1.00；C為泥漿天然土體積密度，%；CV為土顆粒體積密度，%；ρs為土顆粒密度，t/m3.

土質換算系數KH的取值見表6.

表6 泥泵泥漿揚程土質換算系數表

1.4 工況點的確定

泥泵輸出的總水頭稱之為有效總水頭，泥泵輸出的有效總水頭曲線和管路需要的總水頭曲線的相交區域，即為泥泵及管路系統的工作區域，泥泵和管道Q-H特性曲線的交點挖泥船吸揚系統的工況點.

在實際施工模型計算中，根據施工過程中泥泵和管路的水頭曲線，利用matlab軟件擬合出絞吸式挖泥船吸揚系統施工工況點，見圖2，為長江宜昌航道工程局“長獅10”絞吸船在單泵施工條件下、淤泥質土質、泥漿體積分數為30%時特定排泥距離時的工況點.

圖2 “長獅10”單泵施工工況點擬合圖

在泥泵和管道基本參數不變的情況下，系統工況點主要受到泥漿體積分數和流量這一對因素的支配.泥漿體積分數與泥泵和管道Q-H特性有著密切的關系，隨著泥漿體積分數的升高，管道沿程阻力損失變大，泥泵的出口壓力也隨著泥漿體積分數的增加而增加，當泥漿體積分數降低時情況恰好相反，所以泥漿體積分數的變化直接引起系統工況點的變化.泥漿流速是影響泥泵和管道Q-H特性的另一個重要參量，它直接影響到疏浚的產量和吸揚系統的效率，而且關系到管道系統的安全運行.泥漿流速直接影響到泥漿的流動狀態，而泥漿的流動狀態又直接影響到管路的阻力損失.當泥漿流速較高時，泥漿的紊動較強，管路中的泥沙就會隨水一起流動；當泥漿流速較低時，泥漿的紊動就較弱，管路中的泥沙就可能會沉積于管道底部，嚴重時甚

至引起堵管、爆管和拉管等故障.

2 實船施工介紹

“長獅10”輪是由江蘇海新船重工廠為長江宜昌航道工程局建造的新型非自航絞吸式挖泥船，可以挖掘淤泥、粘土、砂質土等疏浚土質，標定疏浚能力約為4 500 m3/h.

黃驊港綜合港區航道疏浚施工項目為長江宜昌航道工程局在沿海的一重大項目，主要是為滄州港務集團完成黃驊港港口深水航道疏浚建設，并利用挖掘的泥土吹填出港口岸線.根據泥漿排距、疏浚土質和施工的要求，“長獅10”分別采用單泵、雙泵施工.本文利用“長獅10”集成監測系統采集相關數據，根據單泵施工的相關數據對絞吸船泥漿管道輸送模型進行驗證.實際施工時泥漿排距1 000 m左右，挖深約為17 m，疏浚土質為淤泥.

3 數據對比分析

3.1 數據對比

1) 據模型可以計算出不同泥漿體積分數下的泥漿流速值，施工中的實際流速值和模型計算的泥漿流速值對比見圖3，以施工中實際流速為標準，理論計算的泥漿流速相比實際泥漿流速的誤差見圖4.

圖3 不同泥漿體積分數下理論流速和實際流速對比圖

圖4 不同泥漿體積分數下理論流速誤差圖

由圖3、圖4可以看出，在不同泥漿體積分數下，泥漿理論實用流速較實際流速小.以實際流速為標準，泥漿理論實用流速小于實際流速12%～18%.

2) 不同泥漿體積分數下施工產量和模型計算產量對比見圖5，以實際施工產量為標準，理論計算的施工產量相比實際施工產量的誤差見圖6.由圖5～6可以看出，理論施工產量在實際施工產量附近波動，誤差基本在10%以內.

3.2 對比結果分析

1) 實際流速大于理論實用流速12%～18%，且在體積分數較低時實際流速大于理論實用流速的幅度較大，在達到一定體積分數時實際流速大于

圖5 不同泥漿體積分數下理論產量和實際產量對比圖

圖6 不同泥漿體積分數下理論產量誤差圖

理論實用流速的幅度相對較低.

在實際施工中操作人員為了防止管道堵塞人為的增加了泥泵轉速，故而實際流速大于理論流速.同時，為方便操作，實際施工時，為減少對柴油機的損耗，操作員習慣于使泥泵處于額定轉速的80%，85%，90%，95%當中的一檔，使得泥漿流速往往穩定在某一值附近，當施工情況變化較大時，才對泥泵的施工轉速進行調整.由于泥漿體積分數的不斷變化，當體積分數較低時，所需的理論流速相對較低，故而實際流速大于理論流速的幅度較大，當泥漿體積分數較高時，所需的理論流速相對較高，所以實際流速大于理論流速的幅度較小.

2) 理論施工產量與實際施工產量的偏離基本在10%以內.

4 結 論

1) 根據“長獅10”實船試驗參數，代入絞吸式泥漿管道輸送模型中進行計算，理論數據與實際數據誤差在一定范圍內，模型整體正確.

2) 在不同的泥漿體積分數下，泥漿實際流速大于理論流速12%～18%，這主要是由于操作人員為防止堵管，人為的增加泥漿流速所造成.

3) 在泥漿管道輸送模型參數選取過程中，應考慮施工中設備實際情況以及施工設備的安裝工藝等具體情況，當參數在一定范圍數值內時，建議選擇其中偏大的值.

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The Construction of Cutter Suction Dredger Slurry Pipeline Transport Model

XIONG Ting1)YANG Wen1)DENG Yong2)LIU Jianwei2)CAO Fu2)LI Shanqi2)

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan43006,China)1)(YangtzeRiverYichangWaterwayEngineeringBureau,Yichang443003,China)2)

As for slurry transportation of suction dredger, this paper builds a pipeline transportation system model for it, based on its processes and principles. The model can help to identify the real-time flow rates of different concentrated slurries, to locate the perfect operating areas by the calculation of pipeline lift and pump lift, and to get the quantity of flow and the output of slurry production under conditions of different slurry concentrations. Besides, data has been collected from one-pump production of real ship “Chang Shi 10” to verify practically the quantity of flow and the slurry output gained from the above pipeline transportation system model. The comparison results show that the actual production data is in good consistency with the theoretical calculation and its error is in a controlled range.

suction dredger; pipeline slurry transportation; model building; real ship verification

2015-01-12

*國家自然科學基金面上項目(批準號：51179144)、長江宜昌航道工程局計劃資助項目(批準號：20143h0337)資助

U615

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.006

熊 庭(1982- )：男，博士，副教授，主要研究領域為疏浚工程與管道輸送技術