泵船技術(shù)在露天礦山排水中的應(yīng)用

文/支連山 于冰（鞍鋼礦業(yè)有限公司大連分公司）

一、前言

大連石灰石礦是鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司主要輔料礦山之一，現(xiàn)礦山深部開采延伸至-60米水平，深部排水揚(yáng)程已達(dá)100米，采場底部空間縮小，匯水量加大，深部排水安全已成為制約礦山生產(chǎn)一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其在夏季生產(chǎn)，臺(tái)風(fēng)和極端氣候條件下，降雨量大時(shí)，礦山排水設(shè)備（離心泵）等固定設(shè)施受災(zāi)可能加大。礦山曾于1994年因9號(hào)臺(tái)風(fēng)引起的大降雨，造成采場被淹；為了保證大連石灰石礦汛期排水順暢，安全度汛，避免造成重大設(shè)備事故及被動(dòng)停產(chǎn)局面發(fā)生，通過對采場排水方式進(jìn)行研究，決定采用泵船技術(shù)進(jìn)行改造。

二、泵船技術(shù)應(yīng)用概述

泵 船（floating PumP station）是將抽水機(jī)組安裝在船上的泵站，通常有浮動(dòng)式和流動(dòng)式兩種，由于船在流動(dòng)水上作業(yè)，要求船體應(yīng)有良好的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)須遵守內(nèi)河航運(yùn)船舶的設(shè)計(jì)規(guī)定。采場排水與江河使用泵船在風(fēng)浪及水位變化等方面不同，復(fù)雜程度相對較低，在設(shè)計(jì)中主要考慮結(jié)構(gòu)合理，制作簡便，設(shè)備布置適用性強(qiáng)，重點(diǎn)考慮由于深部排水，揚(yáng)程高，回水流對泵沖擊保護(hù)。

三、研制準(zhǔn)備

（一）礦區(qū)自然條件及礦區(qū)匯水情況分析

大連石灰石礦位于大連市甘井子區(qū)，是一座大型冶金輔助原料礦山，礦區(qū)構(gòu)造簡單，為甘井子倒轉(zhuǎn)背斜北翼之單斜構(gòu)造。1992年進(jìn)入深凹露天開采。

露天礦涌水來源主要有：大氣降水、地表徑流、地下涌水。大連礦主要涌水量為大氣降水形成地表徑流量和地下涌水量。

1.大連地區(qū)6-9月平均降雨量統(tǒng)計(jì)（如表1所示）

表1 大連地區(qū)歷史降雨量統(tǒng)計(jì)表（毫米）

近十年平均年降雨量為：607毫米，最大年降雨量800毫米，日最大降雨量為：2011年8月9日，市區(qū)降雨量104.6毫米（最大降雨量147毫米）。大連石灰石礦采場汛期正常降雨徑流量及暴雨徑流量（表2）。

表2 采場汛期正常降雨徑流量及暴雨徑流量（20年一遇）

2.采場排水系統(tǒng)

礦山排水系統(tǒng)為采場泵坑布置兩臺(tái)QSKZ1000-600-1450/106型潛水泵、兩臺(tái)14Sh-6型500KW離心泵排水。主要參數(shù)如表3所示：

表3 主要參數(shù)表

總排水能力：1100×2+1450×2＝5100m3/h

日滿負(fù)荷排水能力：5100×24＝122400m3/d

按日常采場匯水量，日需排水量為：（1353+307）×24=39840m3

根據(jù)建礦以來水文地質(zhì)資料，礦山采場汛期日涌水量為39000m3，基本與設(shè)計(jì)匯水量一致。

日常開動(dòng)一臺(tái)潛水泵和一臺(tái)離心泵，排水能力：1100+1450＝2550m3/h，排水時(shí)間15小時(shí)，可滿足現(xiàn)場排水需要。

如遇強(qiáng)降雨，達(dá)到暴雨級，日需排水量為：（7446+307）×24=186072m3

為正常水量4-5倍，超出設(shè)計(jì)日排水能力，必須采取防范措施，在允許采場暫時(shí)淹沒情況下，礦山一般采用拆除離心水泵電機(jī)方式進(jìn)行防汛預(yù)案準(zhǔn)備。

根據(jù)礦山采場情況，為保證汛期日常排水，防止暴雨情況下離心泵安全，決定采用浮動(dòng)排水方式解決礦山深部開采排水問題。而且對礦山來說還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采場泵坑形成過程中，解決多次水泵拆裝移設(shè)問題。

（2）汛期降雨量大，極端天氣條件下，泵坑蓄水超限，危及水泵電機(jī)安全，采用此工藝，可解決防汛期水泵安全，而且實(shí)現(xiàn)全天候排水作業(yè)，提高水泵作業(yè)效率。

（3）相對于潛水泵作業(yè)，泵船采用離心泵，節(jié)約維修成本。

四、泵船設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原則

根據(jù)礦山采場排水情況，確定以下泵船設(shè)計(jì)原則：

（1）浮船型式根據(jù)水泵運(yùn)行要求、現(xiàn)場條件、檢修維護(hù)方式等因素選定；

（2）浮船平臺(tái)長寬要求根據(jù)安全操作及檢修需要確定，最小寬度不小于4米；

（3）泵船的設(shè)備布置應(yīng)緊湊合理，在不增加荷載情況下，滿足排水時(shí)船體平衡；

（4）浮船的主要參數(shù)（長度、型寬、吃水深和型深）按最大排水量及設(shè)備布置的要求確定；

（5）浮船設(shè)計(jì)為焊接鋼結(jié)構(gòu)，要求焊縫質(zhì)量，下水前進(jìn)行壓力檢漏；

（6）設(shè)計(jì)泵船岸基碼頭一座。

（二）泵船結(jié)構(gòu)

按設(shè)計(jì)原則，根據(jù)制作現(xiàn)場條件和安裝水泵尺寸要求，確定浮船設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：

（1）泵船尺寸為長6米，寬5.5米，型深（高）1.1米；

（2）泵船采用扁平箱形結(jié)構(gòu)，原因浮力大，穩(wěn)定性好，制造簡便；

（3）泵船內(nèi)部采用縱橫桁架支承，由桁架和外部鋼板組成封閉箱形結(jié)構(gòu)（圖2），外部鋼板緊密焊接在桁架上，內(nèi)部隔倉板做肋板，工作時(shí)，排水泵和電機(jī)荷載由船體整體受力，不可分割；

圖2 內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)形式

（4）浮船內(nèi)分設(shè)六個(gè)獨(dú)立倉室，防止因泄露造成清理困難和船傾覆。

內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)形式如圖2。

（三）泵船浮力

1.船的平衡條件：重力G＝浮力Δ

船浮于靜水面，無橫傾和縱傾，吃水深d。

泵船重量由固定重量（船體鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備）和變動(dòng)重量（壓艙及水）組成 ，船的排水量＝空船重量+載重量

2.計(jì)算泵船重量（表4）

表4 泵船結(jié)構(gòu)重量表

根據(jù)現(xiàn)場條件和安裝水泵尺寸，確定浮船長6米，寬5.5米，船型深1.1米；計(jì)算排水量36.5噸。

設(shè)備重量：1500+3500+2500（管路、閥及補(bǔ)償器重量）＝7500kg

附件重量:1500(籠頭及網(wǎng)、支架欄桿等）

聯(lián)接橋及聯(lián)接管重量：2000kg

基本排水量：

W＝7910+7500+1500+2000＝18910kg

（四）吃水深度

根據(jù) W＝D=ρν=ρΑH

ρ—水密度；Α—甲板面積（m2）；H—吃水深（m）

得 吃 水 深：H=W/ρ?。?8910/（6*5.5）＝0.573(米）

（五）設(shè)備布置及穩(wěn)定性

泵船一般設(shè)水泵機(jī)組、輸水管路、控制系統(tǒng)，為保證船的穩(wěn)定性，我們確定以下泵船設(shè)備布置（圖3）。

圖3 泵船設(shè)備布置圖

主要有1——吸水籠頭；2——泵體；3——電機(jī)；4——電動(dòng)蝶閥；5——活動(dòng)接頭；6——基座，還有聯(lián)接管路組成。采用直通式布置可以減少排水阻力，便于確定平衡點(diǎn)，保證船體平穩(wěn)。

（六）活動(dòng)聯(lián)接

泵船輸出水管與岸上管路聯(lián)接采用活動(dòng)接頭。主要有球式活動(dòng)接頭，套筒式活動(dòng)接頭和鎧裝法蘭橡膠接頭三種類型，其中搖臂式活動(dòng)聯(lián)接管屬套筒式活動(dòng)接頭，適用于較大范圍水位變化，在泵船技術(shù)上使用廣泛，但搖臂式活動(dòng)接頭，存在造價(jià)高、技術(shù)專利等問題。橡膠軟管聯(lián)接，具有靈活、適用大范圍變化特點(diǎn)，但存在耐壓、穩(wěn)定運(yùn)行及抗拉伸方面不足。

所以泵船能實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)排水，核心就是密封可靠、靈活穩(wěn)定、持久耐用的活動(dòng)聯(lián)接。

管路球形補(bǔ)償器是一種用于管路輸送中調(diào)整管道膨脹變形的調(diào)節(jié)裝置，主要構(gòu)造如圖4。構(gòu)造由球體、球瓦、密封裝置及外殼等元件組成，安裝在管道上，管道膨脹變形后以球體為中心自由轉(zhuǎn)動(dòng)，吸收管道位移，減少管道壓力。

圖4 管路球形補(bǔ)償器

球形補(bǔ)償器優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償能力大，占據(jù)空間小，流體阻力小，安裝方便，投資小。存在缺點(diǎn)：存在側(cè)向位移，易泄漏。

我們設(shè)計(jì)利用球形補(bǔ)償器補(bǔ)償能力大的優(yōu)點(diǎn)，采用成對安裝（圖5）。一臺(tái)補(bǔ)償器安裝在泵船上，一臺(tái)安裝在岸基上，相對安裝，利用其補(bǔ)償能力，調(diào)節(jié)泵船在水位變化時(shí)升降空間（圖6）。

圖5 球形補(bǔ)償器安裝形式

圖6 球形補(bǔ)償器現(xiàn)場安裝圖

我們選用WXB350-2.6-100-±15°萬向球形補(bǔ)償器。按補(bǔ)償器±15度，聯(lián)接管長10米計(jì)算，泵船可升降量：Δ=L×Sinθ=10×Sin15=2.6米。

（七）萬向管路補(bǔ)償器改造

為適應(yīng)泵船使用需要，主要提高萬向管路補(bǔ)償器在泵船使用中調(diào)整范圍更大，經(jīng)與制造廠協(xié)調(diào)，決定對其內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

（1）在保證排水作業(yè)不泄漏的條件下，適當(dāng)控制填料量，充填時(shí)原設(shè)計(jì)壓力為50MPa，現(xiàn)減少為42MPa，壓力降低，可增加轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性。

（2）另外為進(jìn)一步提升泵船升降量，對球形補(bǔ)償器外殼進(jìn)行改造，將外殼限制球體轉(zhuǎn)動(dòng)的倒角由15度加大到18度，使球形補(bǔ)償器的補(bǔ)償量也提升到±18°（如圖7）。

圖7 萬向球形補(bǔ)償器改造圖

泵船升降量達(dá)到±3.1米，較普通型式補(bǔ)償器，增加深0.5米。

通過實(shí)踐，泵船采用管道球形補(bǔ)償器用于輸水管的活動(dòng)聯(lián)接，是我們獨(dú)有的設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)，既節(jié)省了成本，也提高檢修和維修的方便。按一套Φ355搖臂式活動(dòng)接頭價(jià)格20萬元，一套管道球形補(bǔ)償器購置費(fèi)（含聯(lián)接法蘭、密封墊）僅4萬元，節(jié)省費(fèi)用16萬元。

（八）岸基設(shè)計(jì)

泵船上下浮動(dòng)量較大，特別受風(fēng)載時(shí)產(chǎn)生左右偏斜，必須選擇一種更合理可靠的泵船固定方式。

由于采場泵坑需要根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，特別在開拓時(shí)，水泵的移動(dòng)會(huì)更加頻繁，所以設(shè)置固定式岸基碼頭對于泵船使用不適合，主要原因是投資大，使用一段時(shí)間后，泵船移動(dòng)，岸基隨之報(bào)廢，浪費(fèi)大。而且相對于鋼結(jié)構(gòu)岸基，混凝土岸基成本較高。所以我們設(shè)計(jì)選用鋼結(jié)構(gòu)可移動(dòng)式岸基碼頭。

船用岸基碼頭用于船舶?？?，用于人員和機(jī)械上下的前沿基礎(chǔ)，一般分重力式和樁式，重力式較普遍，多數(shù)采用混凝土整體砌筑式和預(yù)制裝配式。

（1）岸基碼頭計(jì)算，根據(jù)泵船總重及迎風(fēng)面積，計(jì)算出泵船風(fēng)阻受力，確定岸基重。

W＝W0+Wf＝18.9+1.5×6×0.86=23.4噸

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

岸基不但具備碼頭作用，有人員上下泵船通道，聯(lián)接泵船不受風(fēng)力影響產(chǎn)生變位，還要具有泵船上輸出管道與采場排水管道相連接的功能，降低管路回水對泵船沖擊。岸基與泵船的配合及位置也影響泵船抗水位變化能力。岸基碼頭上設(shè)備布置中將截止閥設(shè)置在活動(dòng)接頭前，可避免突然斷電時(shí)，管路回水形成“水錘”對泵船和活動(dòng)接頭的沖擊。

岸基我們采用鋼結(jié)構(gòu)焊接制作，岸基布置如圖8。

圖8 岸基設(shè)備布置圖

岸基碼頭布置有活動(dòng)管接頭、棧橋鉸座、輸出管路、管路止回閥（圖8）。

采用可移動(dòng)式岸基，在采場泵坑形成過程中，泵船頻繁移設(shè)，及水位隨枯水與豐水段泵船位置調(diào)整都起到了重要作用。

五、泵船制作

（一）制作工藝安排

泵船排水工藝系統(tǒng)制作安裝安排：

（1）按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行泵船浮箱制作，包括內(nèi)部桁架制作、外部箱體制作，組裝焊接成形。（2）進(jìn)行泵船試漏，采用壓縮空氣0.2KPa，用肥皂水檢漏焊縫，卸壓補(bǔ)焊，再加壓，檢查漏點(diǎn)，保壓一小時(shí)，無壓降。（3）泵船甲板設(shè)置檢查孔，并對泵船進(jìn)行內(nèi)外部防銹處理，船內(nèi)部刷防銹漆兩遍，外部防銹漆兩遍，船用防護(hù)漆兩遍。（4）泵船上設(shè)備就位，離心泵及電機(jī)、控制閥和進(jìn)出水管路、萬向球形補(bǔ)償器聯(lián)接安裝。（5）岸基結(jié)構(gòu)制作，棧橋制作取決于待安裝現(xiàn)場位置和泵坑規(guī)模。（6）整體試裝，將岸基和泵船按現(xiàn)場位置進(jìn)行組裝，并進(jìn)行活動(dòng)試驗(yàn)，一是測試聯(lián)接管路活動(dòng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，二是保證棧橋與活動(dòng)管路能同步轉(zhuǎn)動(dòng)。（7）設(shè)備分解，裝車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場。（8）現(xiàn)場安裝，設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)及調(diào)試，安裝水位報(bào)警裝置。

（二）船體系統(tǒng)制作工藝

（1）船體制作，船桁架制作——船板平整，成形——底板與側(cè)板組焊——桁架與外殼組焊——甲板組焊；焊接質(zhì)量為檢查重點(diǎn)，要求焊接無缺陷。

（2）設(shè)備安裝，水泵基礎(chǔ)按設(shè)計(jì)要求在甲板上定位－確定補(bǔ)償器位置－吸水籠頭位置。安裝重點(diǎn)做好找正及定位點(diǎn)設(shè)置，為現(xiàn)場組裝提供條件

（三）預(yù)裝與檢漏

為保證現(xiàn)場安裝質(zhì)量和泵船質(zhì)量，制作中特別注意各項(xiàng)定位點(diǎn)設(shè)置和檢查，重點(diǎn)做以下預(yù)裝和檢漏：

（1）基與船體管路與棧橋預(yù)裝，主要檢查管路與棧橋移動(dòng)同步性，必須保持轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，移動(dòng)平穩(wěn)（圖9）。

（2）檢漏與調(diào)整，采用氣泵加壓，肥皂水檢查焊縫嚴(yán)密性。

將船體架起，現(xiàn)場采用氣泵加壓，船體設(shè)試壓口，使用高壓軟管將壓縮空氣輸入船體，加壓到100Pa，關(guān)閉閥門，保壓十分鐘，用肥皂水涂抹焊縫，檢查有無漏點(diǎn)，做好標(biāo)記。打開閥門卸壓，進(jìn)行補(bǔ)焊，再進(jìn)行加壓，檢查漏點(diǎn)，無泄漏保壓一小時(shí)，無掉壓。完成檢漏。

（四）泵船總裝和防腐處理

按照總裝配圖，對泵船系統(tǒng)進(jìn)行廠房總裝，主要檢驗(yàn)各部聯(lián)接及泵安裝符合安裝要求，完成總裝及檢查驗(yàn)收后，為便于運(yùn)輸，對泵船設(shè)備分解存放。

由于礦山采場水質(zhì)含氯離子較高，所以對泵船船體進(jìn)行防腐處理，要求船體進(jìn)行全部清理，去除油污及對銹蝕部位打磨，船體內(nèi)噴涂醇酸防銹漆兩遍；外部船體及側(cè)舷噴涂防銹漆一遍，黑色船用防護(hù)漆兩遍；上部平臺(tái)噴涂綠色船用防護(hù)漆兩遍。棧橋刷防銹漆兩遍，欄桿按標(biāo)準(zhǔn)刷黃黑相間色，船舷四面設(shè)吃水標(biāo)尺。管道接標(biāo)準(zhǔn)刷艷綠色防護(hù)漆。

六、泵船使用維護(hù)操作

（一）技術(shù)性能（表5）

表5 泵船主要參數(shù)

（二）維護(hù)要求

（1）每班對泵船平臺(tái)及棧橋進(jìn)行清掃，欄桿保持清潔；（2）離心泵及電機(jī)地腳螺栓檢查緊固；（3）對管路法蘭聯(lián)接螺栓和補(bǔ)償器固定螺栓檢查緊固；（4）做好運(yùn)行記錄和設(shè)備點(diǎn)檢填寫工作。

七、結(jié)論

新型浮動(dòng)排水工藝中與普通泵船相比，采用兩臺(tái)萬向管路補(bǔ)償器作為活動(dòng)接頭，將泵船輸出與岸基輸水鋼管聯(lián)接。充分利用補(bǔ)償器補(bǔ)償能力大，空間小，流體阻力小，安裝方便，投資小等優(yōu)點(diǎn)。岸基與泵船有棧橋相通，人員通過棧橋到泵船上對泵船設(shè)備進(jìn)行檢查和維修作業(yè)。采場使用新型排水工藝系統(tǒng)后，需要移動(dòng)水泵時(shí)，只要拆除泵船與岸基的棧橋和輸出水管，將岸基移動(dòng)到排水坑的任意位置，將泵船拖到相對位置，進(jìn)行管路聯(lián)接和棧橋聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)高效排水。在突降暴雨或極端天氣（臺(tái)風(fēng)）條件下，在泵船浮動(dòng)范圍內(nèi)，不影響排水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)全天候排水。用移動(dòng)式泵船取代潛水泵，具有降低維修費(fèi)用優(yōu)勢，每年離心泵的維護(hù)和檢修費(fèi)用為潛水泵的五分之一。