絞吸船施工輸送過程分析

徐玉華，岳文飛

（1.中交海洋投資控股有限公司，海南　三亞　572000；2.中交天航南方交通建設有限公司，廣東　深圳　518040）

絞吸船施工輸送過程分析

徐玉華1，岳文飛2

（1.中交海洋投資控股有限公司，海南三亞572000；2.中交天航南方交通建設有限公司，廣東深圳518040）

絞吸船施工工藝復雜，涉及到挖掘工藝和輸送技術，其中輸送過程與泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相關。文中主要通過對輸送過程泥泵工況點、泥泵與柴油機特性匹配的分析，尋找到理論較優工況以及絞吸船施工輸送過程一般規律，探討絞吸船施工分析方法，以對絞吸船的有效施工操作提供指導。

絞吸船；施工；分析；效率

0　引言

絞吸船施工中，潮位、地形、土質、設備運轉參數等條件時刻改變著，施工狀態也隨之發生復雜變化，為了保證船舶生產效率的充分發揮，管理人員需較全面地了解絞吸船施工性能，才能根據實際條件設計出切實可行的施工方案，并及時準確地對施工狀態的優劣作出判斷，進而采取相應優化措施。

本文重點從泥泵柴油機特性、泥泵特性、管路特性、組合工況分析及經驗收集入手，以尋找絞吸船施工輸送過程一般規律，探討絞吸船施工分析方法。

1　絞吸船施工輸送過程

絞吸船施工過程由挖掘和輸送過程組成，即通過船上泵機驅動離心式泥泵，產生一定的真空，把絞刀挖掘所得的泥漿吸入、泵出再通過輸泥管線輸送、排出的過程。其中輸送過程與泵機性能、泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相關。

2　柴油機

2.1主要性能指標

柴油機性能通常可從動力性、經濟性、運轉性、可靠性、耐久性等方面進行評價。動力性和經濟性指標可分為指示指標和有效指標兩類[1]。

1）指示指標：包括平均指示壓力Pi，MPa、指示功率Ni，kW、指示熱效率ηi、指示燃油消耗率gi，kg/（kW·h）。

2）有效指標：包括平均有效壓力Pe，MPa、有效功率Ne，kW、有效熱效率ηe、有效燃油消耗率ge，kg/（kW·h）。

Ne=Ni-Nm

ηe=ηi·ηm

式中：Nm為機械損失功率；ηm為機械效率。

轉矩Me=

3）其他指標：充氣系數ηv、過量空氣系數α、機械損失功率Nm，kW、機械效率ηm。

2.2柴油機工況

工況是指柴油機在帶動各種設備運轉時的狀況，其中轉速n和負荷（轉矩Me或平均有效壓力Pe）是柴油機運轉變化的兩個主要參數。

2.3柴油機特性

隨著運轉工況變化，柴油機性能參數相應變化。柴油機有效性能參數（Ne、Pe、ηe等）隨工況（轉速、負荷）而變化的關系，稱為柴油機的特性。

1）負荷特性

指柴油機在轉速固定不變時，其主要性能指標及工作參數隨負荷而變化的規律。典型負荷特性曲線見圖1。

圖1　負荷特性曲線Fig.1　Characteristic curve of loading

2）速度特性

將油量調節機構（油泵齒條或拉桿）固定在某一位置時，改變柴油機的外負荷，使柴油機轉速變化，這樣測得的柴油機的主要性能指標和工作參數隨轉速ne而變化的規律，叫柴油機的速度特性。典型負荷特性曲線見圖2。

3　泥泵

3.1泥泵性能參數

圖2　速度特性曲線Fig.2　Characteristic curve of velocity

泥泵是一種輸送泥漿的離心泵。離心泵的基本性能參數有流量Q，m3/h、揚程H，m、軸功率Np、水功率Nu、效率η、轉速n、比轉速ns和需要的汽蝕余量（NPSHr）（或允許吸入真空度，或允許吸上高度）。泥泵性能參數在離心泵外還有允許通過最大球徑f。

3.2泥泵清水特性

3.2.1流量揚程特性

泥泵流量揚程特性可以從流量揚程特性曲線（Q-H曲線）反映，不同轉速下具有不同的Q-H曲線，見圖3。

圖3　流量揚程特性曲線Fig.3　Characteristic curve of flow rate and lift head

3.2.2流量功率特性

泥泵軸轉矩Mp=

泥泵水功率Nu是泥泵傳遞給輸送液體的功率，用下式計算：

柴油機發出的功率Ne與泥泵軸功率的關系依傳動情況而不同。如柴油機與泥泵軸直接連接，則Ne=Np。柴油機流量功率關系曲線見圖4。

圖4　柴油機流量功率關系曲線Fig.4　Relationship of flow rate to power of a diesel engine

從圖4中可知，隨著流量增大，功率逐漸增大。相同流量下，轉速高者功率大。

3.2.3流量效率特性

泥泵效率η為泥泵輸出功率Nu與軸功率Np之比，η=×100%。泥泵傳動效率ηt=×100%泥泵的機組效率ηgr=η·η·tηe×100%式中：ηe為柴油機有效熱效率。

3.3泥泵泥漿特性

泥泵泥漿特性受土質、土壤顆粒、泥漿濃度、密度及流態等因素影響較大。

泥泵泵送泥漿時基本規律：同種土質，泥漿密度增大，揚程增加（顆粒大時可能減少），效率降低，功率增加。泥漿越接近均勻的單相介質，揚程功率增加越接近泥漿密度倍數，效率降低亦越小，泥漿越接近不均勻的兩相介質，揚程增加越少或下降越多，功率增加越多，效率降低越多。

4　管路特性

4.1管路清水特性

液體在管路中流動，摩阻水頭損失包括沿程摩阻損失hf和局部阻力損失hj[2-3]。式中：λw為清水沿程摩阻系數；l為管路長度；D為管線內徑；v為流速；ξw為清水局部阻力系數。影響λw的有流動形態，雷諾數大小，管壁內表面相對粗糙度以及過流斷面形狀等。ξw不僅與斷面的幾何條件有關，且與雷諾數Re有關，因工程中管內流動為紊流，雷諾數比較大，則ξw與Re無關，僅隨斷面幾何條件不同而變化。

管路流量揚程特性曲線是由管中流動水力損失hf曲線和幾何揚程h0曲線迭加而得。

4.2管路泥漿特性

泥漿在管路內運動非常復雜，流動性及管路摩阻受顆粒大小、分配形狀、泥漿密度、平均流速、管徑、黏滯度等影響。

5　泥泵工況

5.1泥泵工況點

泥泵工況指泥泵工作狀態，泥泵的工況決定著挖泥生產率及比油耗率（1 m3土方·1 000 m排距的燃油消耗率，kg）[4]。

如圖5[5]，泥泵工況點可以從泥泵泥漿特性曲線及管路泥漿特性曲線中找到。輸送泥漿過程中，假設泥漿中土質條件、密度等不發生變化，流量大于Qm時，因管路所需水頭大于泥泵所產生水頭，管路中能量不足以保證流量維持，流量將下降；流量小于Qm時，因泥泵所產生水頭超過管路所需水頭，管路中能量過剩，流量上升；流量等于Qm時，管路所需水頭與泥泵所產生水頭相等，泥泵可在此工況下維持平衡運轉，圖5中K點即為泥泵的工況點。

圖5　泥泵泥漿工況點示意圖Fig.5　Schematic diagram of working points of mud pumps

由于絞吸船施工輸送過程中，管線長度、排高、泥漿密度、泥漿土質條件等常發生變化，泥泵工況點也隨著發生變化。

5.2工況設計思路

1）雖然提高濃度、流量均可提高生產率，但提高濃度的效果更為顯著，而經濟性的提高也主要靠提高濃度，故盡量使濃度為最大，勿使濃度受提高流速的影響。

2）勿使管路泥漿摩阻增加過多，細顆粒土摩阻較小，可適當取較大的流速。如當受挖掘吸入濃度限制已達最大濃度時，短排距施工時流量較大，此時雖生產率較大，但摩阻較大，對于能耗及設備磨耗均不利，不宜采用，應降低流量使用。而當進行細顆粒土施工時，可適當采用相對粗顆粒土稍大的流速。

3）土質變化復雜，濃度變化大的流速可選取的大些。

4）較大的流速雖然要增大摩阻、泥泵功率及耗油量，但如能增大挖泥生產率而比油耗率降低，仍應取較大流速[6]。

5.3泥泵工況設計步驟

1）根據柴油機特性，選取柴油機不同轉速運轉工況。

國內柴油機驅動泥泵輸泥時均采用柴油機在恒定轉速下運轉，利用調速器保持轉速的恒定。因此，國內施工一般以柴油機在某一恒定轉速的工況下進行泥泵工況的分析。如選取90%、95%、100%額定轉速進行設計比對等。

2）合理選擇排泥管徑。

一般絞吸船設計管徑可滿足不同土質施工的需要，但因土類不同，能達到的濃度也不同，各類土臨界流速和實用流速也不同，且泥泵揚程及功率都有一定的限制，挖不同土類時最大排距亦不同。當挖粗砂、礫石等土類，其臨界流速較高，采用設計管徑的排泥管路施工而泥泵的揚程尚未用足，但因流速的限制使濃度不能提高時，可選用較設計管徑更小的管徑施工，雖然管路摩阻有所增加，但因臨界流速有所降低，使濃度可以增加，亦即可以增加生產率。有時挖淤泥、粉土等土類，其臨界流速很低，采用設計管徑的長管路施工而泥泵功率尚未充分發揮，但泥泵的揚程過高時，可選用較設計管徑更大的管徑施工，既能使管路摩阻降低，又有可能在降低泥泵揚程的條件下施工并提高生產率。

管徑選擇也應通過進一步驗算進行確定。

3）綜合考慮絞刀挖掘能力、泥泵吸入能力、泥泵柴油機驅動能力和泥泵排送能力的限制，初選輸泥最大濃度和平均濃度。

絞吸船輸泥最大濃度指施工中短時或瞬時能建立的最大濃度，如挖泥船在施工時，施工條件較好，挖泥操作合理得當，亦可能由較長時間建立的濃度。平均濃度指在一般情況下，挖泥船應能達到的施工濃度，一般取最大濃度的70%左右。

管道能排送的泥漿濃度取決于管內泥漿流速的大小，而泥漿流速又取決于泥泵的驅動能力，為了求出最大可能的濃度，需首先設定一個最大濃度值，然后用泥泵和管路的泥漿特性曲線作圖求出泥泵能泵送的流量范圍，其次計算最大濃度值下的臨界流速，并與當前流速進行對比確定是否滿足要求，經過幾次試算便可找出最大濃度。

4）計算并繪制泥泵泥漿特性曲線。

5）計算繪制管路泥漿特性曲線。

6）結合柴油機運轉特性、泥泵工況，進行各類工況的生產能力、經濟性的對比驗算，從不同工況點中選擇滿足柴油機負荷要求、泥泵吸入、排送能力要求的最佳工況點。

7）在實際施工中驗證，并根據具體情況進行適當修正。

6　結語

1） 泥泵工況選取要根據柴油機特性，合理選取排泥管徑，綜合考慮絞刀挖掘能力、泥泵吸入能力和泥泵排送能力的限制，初選輸泥最大濃度和平均濃度，通過泥泵和管路特性曲線，可以選定最佳的工況點。

2）施工中，由于施工條件常發生變化，泥泵工況也在不斷變動，因此需要結合濃度變化，準確分析管路中的情況，采取相應增減排壓、增減濃度的措施。

[1]徐立華.船舶柴油機[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006. XU Li-hua.Marine diesel engine[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,2006.

[2]胡冀元.泥泵基本理論特性與管路特性的運用[M].天津：天津航道勘察設計研究院，2000. HU Ji-yuan.The basic theoretical characteristics of mud pumps andapplication of pipeline characteristics[M].Tianjin:Tianjin FairwayProspection and Research Institute,2000.

[3]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設計規范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works[S].

[4]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[5]天津市航?？萍挤展?絞吸挖泥船泥泵輸泥計算手冊[K]. 1996. Tianjin Hangjun Technology Services Company.Manual for calculation of mud transport by mud pumps on cutter suction dredger[K]. 1996.

[6]JTJ 319—99，疏浚工程技術規范[S]. JTJ 319—99,The technical code for dredging engineering[S].

Analysis of transport process of cutter-suction dredger

XU Yu-hua1,YUE Wen-fei2
（1.CCCC Ocean Investment Holding Co.,Ltd.,Sanya,Hainan 572000,China；2.CCCC TDC Southern Communication Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China）

The technology of a cutter-suction dredger for dredging operations is complex,including excavation and transport technology.The transport process is associated with the performance of dredge pumps,characteristics of pipelines and operating methods.We try to find the optimum conditions of a dredge pump in theory by analyzing the best efficiency point of a dredge pump and the matching between a dredge pump and a diesel engine as well as the general law of transport process.We also discuss the methods for the analysis of the operation of a cutter suction dredger.It's hoped that this study may provide some guidelines for effective operation of cutter-suction dredgers.

cutter-suction dredger;construction;analysis;efficiency

U615.351.3

A

2095-7874（2016）09-0062-04

10.7640/zggwjs201609015

2016-06-26

徐玉華（1963— ），女，吉林長春市人，碩士，高級工程師，董事長，從事港灣項目施工管理工作。E-mail：2260500194@qq.com