吹填管線中獨(dú)立動力源液壓閘閥研制與應(yīng)用

陳 旭，王 展

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交（三沙）開發(fā)建設(shè)有限公司，海南 海口 570100）

引 言

在碼頭工程大面積吹填施工中，吹填區(qū)平整度是工程施工質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，需根據(jù)吹填土在吹填管口附近的沉淀、堆積情況，合理、及時延伸吹填管線長度，以達(dá)到均勻沉淀成陸的要求。但吹填土的沉淀、堆積情況與土質(zhì)工程特性密切相關(guān)，對于天然土重度大、顆粒大的土質(zhì)，如硬質(zhì)黏土、中粗砂、礫石，在吹填過程中在管口周圍快速堆積，不利于陸面平整度控制，且易造成圍水現(xiàn)象，形成死水區(qū)，不利于吹填土排水固結(jié)，因此吹填時需根據(jù)平整度控制要求頻繁延伸、調(diào)整管線，導(dǎo)致絞吸船需頻繁停工配合管線延伸，極大地影響了船舶施工時間利用率，限制了船舶生產(chǎn)力的有效發(fā)揮。

通過吹填管線中獨(dú)立動力源液壓閘閥研制與應(yīng)用研究，可實(shí)現(xiàn)絞吸船在不停工的條件下延伸、調(diào)整管線，提高工程船舶的施工時間利用率。

1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

1.1 確定閘閥工作壓力參數(shù)

以3 500 m3/h絞吸船為例。該類型絞吸船水下泵設(shè)計(jì)清水揚(yáng)程為 35 m，甲板泵設(shè)計(jì)清水揚(yáng)程為76 m；排泥管內(nèi)徑為850 mm。

在某造地工程中，土質(zhì)以中粗砂為主，天然土密度取2.0 g/cm3，在實(shí)際施工中，排距為2.0～4.0 km之間，大型3 500 m3/h絞吸船分別采用2泵串聯(lián)施工和 3泵串聯(lián)施工，最后一級泥泵排壓在 1.10～1.90 MPa之間；根據(jù)儲泥坑位置分布特點(diǎn)，各絞吸船排泥管線中船管、浮管、沉管總長度為1.2～3.0 km之間，按最不利工況，即：三泵串聯(lián)施工，船管、浮管、沉管長度總長為2.0 km，最后一級泥泵排壓為1.90 MPa，泥漿流速采用5.5 m/s，泥漿濃度采用15 %，計(jì)算船管、浮管、沉管所耗用泥漿水頭，確定岸管管內(nèi)最大壓力，為液壓閘閥選型提供依據(jù)。

船管、浮管、沉管所耗用泥漿水頭計(jì)算公式如下：

式中：Hm為管路總耗泥漿水頭（m）；K為泥漿阻力系數(shù)與清水阻力系數(shù)之比值；γm為泥漿密度（t/m3）；Y為挖深（m）。

代入以上最不利工況參數(shù)，得船管、浮管、沉管所耗用泥漿水頭為73.7 m，得岸管管內(nèi)最大壓力為1.163 MPa。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《平板閘閥》[1]（GB/T 23300-2009），綜合安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素，選用公稱尺寸為DN850、設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa、液控雙油缸平板閘閥。

1.2 確定閘閥結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)可確定閘閥的主要尺寸和工作參數(shù)。閘閥的法蘭連接尺寸為 1 080 mm，選用M36*24的螺栓連接，油缸升程為1 015 mm，油缸驅(qū)動力為173 400 N。

閘板作為閘閥的重要部件，需保證結(jié)構(gòu)絕對可靠，決定閘板是否有效的關(guān)鍵為閘板的材料和厚度。參考上述標(biāo)準(zhǔn)，閘板選用 316L不銹鋼。閘板的厚度，由于規(guī)范中未明確，需通過有限元分析計(jì)算，選用最優(yōu)閘板厚度。

通過對不同厚度的閘板，分別在其閉合及半開狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，模擬計(jì)算后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 閘板有限元計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表 1統(tǒng)計(jì)分析，最優(yōu)閘板厚度應(yīng)選用40 mm。

1.3 確定油缸啟閉壓力

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，PN16液控雙油缸閘閥公稱尺寸為850 mm時，油缸升程采用1 015 mm，油缸驅(qū)動力為173 400 N。根據(jù)《船用往復(fù)式液壓缸通用技術(shù)條件》[2]（GB/T 13342-2007）的要求，油缸的活塞桿可采用 45#鋼。同時根據(jù)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[3]（GB/T 699-1999）中所述不同牌號鋼材的性能指標(biāo)，可知45#鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa。

根據(jù)壓強(qiáng)公式：

式中：P為油缸活塞端壓強(qiáng)，此處采用 45#屈服極限（MPa）；F為油缸活塞端壓力（N）；S為油缸受力面積（mm2）。

可計(jì)算出油缸的最小截面積：S=488.5 mm2。

計(jì)算得出最小半徑為12.5 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)選型手冊規(guī)定：靜載荷為 3，動載荷為 5～8，沖擊載荷為12。考慮到設(shè)備開啟時主要為靜載荷，因此，選擇安全系數(shù)為3。因此油缸的最小半徑選用37.5 mm。

根據(jù) GB/T 13342-2007，分別對油缸直徑為80 mm及 100 mm進(jìn)行核算，其啟閉壓力分別為35 MPa及22 MPa。

綜合安全性和費(fèi)用選用啟閉力為25 MPa，油缸直徑為100 mm的液壓設(shè)備。

2 研究液壓閘閥小型動力裝置，實(shí)現(xiàn)動力與閘閥性能合理匹配

在本系統(tǒng)中，液壓泵將動力裝置的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓油中的壓力能，為液壓系統(tǒng)供給足夠流量和足夠壓力的油液驅(qū)動油缸啟閉。

驅(qū)動液壓泵的原動機(jī)按照動力來源不同可以分成電力驅(qū)動和柴油機(jī)驅(qū)動。由于吹填區(qū)管線布設(shè)較為分散，且作業(yè)施工機(jī)械多，因此使用柴油機(jī)驅(qū)動較電力驅(qū)動安全性、靈活性高，限制因素少，可作為理想的原動機(jī)。通過理論分析計(jì)算進(jìn)行小型動力裝置選型，實(shí)現(xiàn)動力與閘閥性能合理匹配，并確保液壓閘閥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊簡潔、操作方便。

2.1 計(jì)算油缸的流量

為確保液壓系統(tǒng)安全運(yùn)行，閘閥單次行程時間采用1 min，能較快地完成閘閥啟閉，減少船舶非正常施工時間。液壓閘閥通過改變油缸內(nèi)液壓油體積實(shí)現(xiàn)柱塞的升降，因此根據(jù)油缸內(nèi)單位時間液壓油體積變化即可確定閘閥的單位時間行程變化。通過相關(guān)參數(shù)的計(jì)算可得出滿足閘閥升降的油缸工作流量。

式中：Q缸為油缸工作流量；V為油缸活塞行程速度；S為油缸截面積。

根據(jù)GB/T 23300-2009，本系統(tǒng)選用油缸直徑為100 mm的液壓設(shè)備，其油缸升程為1 015 mm，按照油缸啟閉為1 min計(jì)算，可知V=1.015 m/min，代入計(jì)算得：Q=7.9 L/min。由此可知，單根液壓缸中流量需達(dá)到7.9 L/min時即可滿足1 min完成一次閘閥的起升或關(guān)閉。

2.2 計(jì)算液壓泵的流量

液壓系統(tǒng)在實(shí)際工作中存在液壓油的泄漏造成容積損失，對應(yīng)有容積效率η1，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，本系統(tǒng)選定容積效率η1=0.95。

采用下式計(jì)算液壓泵工作流量：

式中：Q1為液壓泵工作流量（L/min）；n為液壓缸數(shù)量，在本系統(tǒng)中，使用液控雙油缸閘閥，因此n=2；Q2為油缸工作流量（L/min）；η1為容積效率。

代入計(jì)算得：Q1=16.7 L/min。

2.3 計(jì)算液壓泵的功率

閘閥啟閉過程中所消耗的能量為液壓管路中的壓力能，管路中的壓力能由液壓泵提供；液壓泵輸出的液壓功率，其值為泵實(shí)際輸出的流量和壓力的乘積。

式中：P1為液壓泵的功率（kW）；p為液壓泵的工作壓力（MPa）；Q2為液壓泵的流量（L/min）。

代入計(jì)算得：P1=6.9 kW。

2.4 柴油機(jī)的選型

柴油機(jī)的功率以液壓泵的實(shí)際工作功率為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，由以上分析可知液壓泵的功率為6.9 kW，考慮機(jī)械運(yùn)動副之間的摩擦造成機(jī)械能損失，對應(yīng)有機(jī)械效率η2，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，本系統(tǒng)選定機(jī)械效率η2=0.85，計(jì)算得出柴油機(jī)所需功率。

式中：P2為柴油機(jī)功率（kW）；P1為液壓泵功率（kW）；η2為機(jī)械效率。

代入計(jì)算得：P2=11 hp，即11 hp的柴油機(jī)可以滿足閘閥啟閉時間為60 s的要求。

3 研究液壓閘閥排砂裝置，確定閘閥開閉控制方法

液壓閘閥閥體為長方體結(jié)構(gòu)，與連接短管焊接固定，腔內(nèi)與泥砂輸送流道直連，為保證閘板閉合時的密封效果，采用閥體腔內(nèi)配套耐磨橡膠密封耦件，實(shí)現(xiàn)閘板與閥體的完全閉合與密封。在實(shí)際應(yīng)用中，由于橡膠密封耦件與閘板緊密貼合，閘板上提開啟的過程中，閘板與閥體腔室之間形成負(fù)壓，同時閘板向流一側(cè)為正壓，正負(fù)壓差方向與閘板上提方向相反（正負(fù)壓差方向向下），導(dǎo)致閘板被“吸住”，在閘閥開啟初期一段行程內(nèi)，閘板上提速度慢，液壓油缸需超正常壓力運(yùn)行，造成液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響閘閥開啟速度和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性；同時由于閥體腔內(nèi)外壓差的作用，橡膠密封耦件與閘板貼合過緊，摩擦力過高，在閘板上提的過程中易被帶出閥體腔，造成橡膠密封耦件失效的現(xiàn)象，見圖1。因此，需采用壓力平衡措施，降低液壓閘閥開啟時的閥體內(nèi)外壓力差，實(shí)現(xiàn)閘板正常開啟，同時避免橡膠密封耦件從閥體腔內(nèi)脫出。

圖1 橡膠密封耦件脫出狀態(tài)

在閘板下降閉合過程中，由于閥體腔（閘板槽）與泥漿流道連通，輸送泥漿時有大量泥砂淤積在閥體腔內(nèi)，阻礙閘板下降閉合，導(dǎo)致閘閥無法完全密封，閘板底部產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，造成閘板異常磨損和變形，需船舶停工采用人工清除閥體腔內(nèi)泥砂后方可有效閉合。

圖2 液壓閘閥沖砂裝置

針對以上現(xiàn)象，需設(shè)計(jì)一種閥體腔內(nèi)外壓力平衡和沖砂裝置，確保閘閥正常開啟和關(guān)閉。根據(jù)液壓閘閥閥體結(jié)構(gòu)和柴油機(jī)-液壓驅(qū)動特點(diǎn)，采用在閥體腔連接沖砂管裝置，沖砂管與輸泥管道連接，輸泥管道內(nèi)水流經(jīng)沖砂管進(jìn)入閥體腔內(nèi)，經(jīng)排出管排至閘閥外。沖砂管上設(shè)置蝶閥，采用圓形手輪人工啟閉，在排出管上設(shè)置排砂門，采用液壓驅(qū)動啟閉。有關(guān)液壓閘閥沖砂裝置見圖2。

4 結(jié) 語

該項(xiàng)研究成果已在某造地工程中得到了成功應(yīng)用，極大地降低管線接管對施工的影響，增加了船舶有效施工時間，解決了吹填區(qū)域內(nèi)頻繁移管、接管影響施工效率的難題，滿足了工程施工質(zhì)量和進(jìn)度要求，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）傳統(tǒng)吹填管線調(diào)整是通過拆裝三通管封門板進(jìn)行主支線轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時所需挖機(jī)配合多名工人操作，整體需用時約1小時。使用液壓閘閥后，僅需兩名工人5分鐘即可完成切換，大大節(jié)省了人物力；

2）傳統(tǒng)調(diào)整管線時，船舶處于停工狀態(tài)。使用液壓閘閥后，船舶只需在起放閘閥前一定時間內(nèi)適當(dāng)降低管路濃度，極大地增加了施工時間利用率，保證了施工進(jìn)度；

3）為管線接管操作創(chuàng)造了充足的時間，降低了接管施工的工作強(qiáng)度，保證了管線布設(shè)的合理性和接管質(zhì)量，強(qiáng)化了接管操作的安全保障。