大型耙吸船超高壓黏土耙頭高壓沖水管路布置

陳旭，陶沖林，方華

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

高壓沖水是耙吸挖泥船疏浚施工的重要輔助設(shè)備之一，在疏浚過程中，可通過高壓沖水系統(tǒng)對水下泥土進(jìn)行沖刷、疏松，達(dá)到提高耙吸挖泥船疏浚效率的目的[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)的耙吸挖泥船所配備的高壓沖水一般僅有1耀2 MPa，只適用于疏松土質(zhì)，當(dāng)遇到較小的滲透系數(shù)土質(zhì)情況下，高壓沖水效果顯著減小[3]。連云港地區(qū)存在大量鈣化結(jié)核物和黏土[4]，常規(guī)耙吸挖泥船施工效率低下，船舶施工能力無法有效發(fā)揮。為了解決硬質(zhì)黏土疏浚難題，比利時國際疏浚公司研制了安裝超高壓射流系統(tǒng)（DRACULA）的專用耙頭，使用后疏浚硬黏土的產(chǎn)量提高了15%耀27%，還避免了耙頭的堵塞現(xiàn)象[5]。中港疏浚為提高大型耙吸挖泥船在相關(guān)地區(qū)疏浚硬質(zhì)黏土的施工效率，開展了大型耙吸船超高壓黏土耙頭研究，并在國內(nèi)首次成功實船安裝及應(yīng)用。本文針對實船安裝中的高壓管線的布置展開研究，將高壓泵站提供的超高壓沖水以最優(yōu)方式輸送至耙頭。

1 系統(tǒng)配置及超高壓管路鋪設(shè)要點(diǎn)

本項目共有4臺超高壓泵站，左右兩舷對稱布置，每臺泵站可提供最大壓力為38 MPa的高壓沖水，其最大流量為0.8 m3/h[6]。高壓管線的作用是將高壓沖水從泵站高壓管匯出口輸送至耙頭噴嘴，高壓管線從高壓泵站管匯出口經(jīng)過伺服架、滑塊彎管、耙臂管處無縫連接至耙頭。高壓管線工作介質(zhì)及工作環(huán)境均為海水，管線及連接件均需要較高的防腐性能。在本項目中，高壓管線系統(tǒng)材質(zhì)采用高耐腐蝕性的ANSI316L。當(dāng)耙吸船施工時，需將耙臂管推至船舷外側(cè)，下放緊貼水底，耙頭跟隨泥面的高低而產(chǎn)生起伏旋轉(zhuǎn)等動作。因此，高壓管線不僅具有一定的結(jié)構(gòu)剛度要求，而且還需一定的運(yùn)動補(bǔ)償功能，即采用軟管及硬管柔性連接組合使用實現(xiàn)上述功能，其重難點(diǎn)在于滿足伺服架在狹小空間內(nèi)實現(xiàn)120毅變幅彎折，其主要布置如圖1所示。

圖1 高壓管線布置原理圖Fig.1 Schematic diagram of high pressure pipeline layout

2 高壓管線硬管

高壓管線硬管是整套高壓管線的骨架，為整條高壓管線提供定位及軟管受力支持。因此，硬管需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，硬管規(guī)格的選取主要從內(nèi)徑和壁厚兩個方面考慮。

2.1 內(nèi)徑選取

假設(shè)鋼管內(nèi)液體的平均流速為v，m/s；通過鋼管的流量為q，m3/s；設(shè)鋼管內(nèi)徑為d，m；則d表達(dá)式如下：

本項目中，柱塞泵的額定流量為0.8 m3/min，兩臺柱塞泵的高壓沖水通過二分三多路閥塊輸送至耙頭，為減小管路壓力損失，最大流速4.5 m/s，帶入公式（1）得：

通過計算可知，鋼管內(nèi)徑選用50 mm較合適。

2.2 壁厚選取

參考液壓管路中鋼管壁厚選擇計算公式，該公式反映了鋼管內(nèi)徑、油液壓力、內(nèi)應(yīng)力和鋼管壁厚之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在計算鋼管壁厚時，可按照下式計算[7]：

式中：p為鋼管中水的壓力，MPa；[滓]為鋼管材料的許用拉應(yīng)力，MPa。對于鋼管[滓]=滓b/n，滓b為材料抗拉強(qiáng)度，n是安全系數(shù)，取4耀8。

本項目使用的高壓沖水壓力為38 MPa，在疏浚高壓沖水領(lǐng)域?qū)儆诔邏骸Ｒ虼耍鞠到y(tǒng)中安全系數(shù)選用8。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，ANSI316L的抗拉強(qiáng)度 滓b為580 MPa，帶入相關(guān)參數(shù)，計算結(jié)果如下：

根據(jù)ANSI316L的相關(guān)材料性能，故選用準(zhǔn)76 mm伊14 mm的硬管即可滿足總體性能要求。

2.3 管路校核

根據(jù)CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》2016版第4篇第2章管路設(shè)計通則相關(guān)要求[8]，對上述硬管進(jìn)行校核，確保系統(tǒng)安全可靠。根據(jù)規(guī)范受內(nèi)壓的鋼管，其最小壁厚應(yīng)不小于基本計算壁厚、彎曲附加余量、彎曲附加余量之和，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入規(guī)范公式計算后，其結(jié)果如表1所示。

表1 鋼管校核數(shù)據(jù)表Table 1 Steel pipe checking data sheet

由表1可知，在壓力為42 MPa時，鋼管的理論計算壁厚為12.39 mm。本系統(tǒng)選用的壁厚為14 mm，完全能滿足38 MPa壓力要求。

2.4 硬管布置

硬管是整個超高壓管路系統(tǒng)中的受力管件，需具備足夠的剛性。在硬管布置時，鋼管應(yīng)居中布置，避免造成耙管重心偏移。鋼管盡量平行布置，少交叉，保持適當(dāng)?shù)拈g距，為安裝管路接頭和管夾等預(yù)留出足夠的空間。同時，還需考慮耙臂管上存在如吊點(diǎn)等既有構(gòu)件，需對硬管進(jìn)行彎曲，鋼管的彎曲半徑要大于其直徑的3倍。對于彎折角度大的部位，可以采用連續(xù)間斷彎折代替一次性彎折，減少彎折處高壓水沖擊和局部損失過大。

結(jié)合現(xiàn)有耙臂管，硬管的布置如圖2所示，圖中深色粗線部位管線為高壓硬管，共7根。

圖2 高壓硬管布置圖Fig.2 High pressure steel pipe layout

3 高壓管線軟管

根據(jù)軟管布置位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將軟管分為2大類，第1類為伺服架處軟管，此處軟管存在變幅起落大、彎折角度大的特點(diǎn)，為本次軟管布置的核心。第2類為耙臂管處軟管，主要用于補(bǔ)償耙臂在施工過程中的彎折或旋轉(zhuǎn)。

與金屬管不同，軟管是柔性的，主要用于軟管兩端連接部件之間有相對運(yùn)動的場合，并能夠簡化布管和安裝。由于軟管的柔性和自身材料的特性，使用時存在一系列需要注意的事項：1）合理確定軟管的彎曲半徑。布管時應(yīng)確保軟管的彎曲半徑不小于推薦值，否則可能會影響其抗壓能力。2）正確確定軟管的長度。確定長度時考慮前后管路的運(yùn)動范圍及壓力對軟管長度的影響。3）軟管的布置應(yīng)位于同一平面內(nèi)，避免軟管產(chǎn)生扭曲，否則會影響其抗壓強(qiáng)度，造成安全隱患。

3.1 伺服架處軟管

伺服架處軟管將高壓閥塊出口處的高壓水分流至耙臂管，伺服架在施工過程中存在起伏高差大、彎折角度大、周圍構(gòu)建干涉多等特點(diǎn)，該處軟管的設(shè)置對整個項目有著至關(guān)重要的作用。高壓閥塊位于泥艙甲板下，距伺服架下端橫向距離為3 150 mm，高度相距為1 000 mm。若采用高壓閥塊直接連接至伺服架下端，高壓軟管長度較長。當(dāng)伺服架下放到位后，高壓軟管隨著伺服架旋轉(zhuǎn)角度為114毅，即每個工作循環(huán)中，高壓軟管扭轉(zhuǎn)114毅，對軟管造成嚴(yán)重?fù)p害。經(jīng)綜合考慮后，在泥泵肋板開設(shè)通艙件，軟管通過不同彎折高度的彎頭并排排列至伺服架下端，避免伺服架收放過程中軟管扭轉(zhuǎn)，現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 伺服架處軟管現(xiàn)場情況圖Fig.3 Real scene of hose at servo frame

圖4為原有伺服架管線結(jié)構(gòu)圖，伺服架頂端的橫向間距為972 mm，軟管的彎折半徑為490 mm。根據(jù)軟管性能表，軟管的最小彎折半徑為630 mm，無法滿足要求，因此需要重新設(shè)計軟管下端開口距離，即與軟管連接處的硬管采用喇叭口形式向兩側(cè)擴(kuò)張，通過模擬計算分析可知，當(dāng)采用兩側(cè)擴(kuò)口30毅后，軟管最小彎折半徑為650 mm，滿足軟管彎折要求（如圖5所示），且由于30毅為液壓彎折頭常規(guī)尺寸，易于加工，故本項目中采用兩側(cè)擴(kuò)口30毅的軟管連接方案。

圖4 原有伺服架管線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Pipeline structure drawing of original servo frame

圖5 優(yōu)化設(shè)計后伺服架管線結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Pipeline structure drawing of servo frame after optimized design

3.2 耙臂管處軟管

耙臂管處軟管主要用于補(bǔ)償耙臂的運(yùn)動，分布在耙頭、旋轉(zhuǎn)短管、一字節(jié)、十字節(jié)處，軟管的長度通過計算補(bǔ)償量即可滿足要求。所有耙臂管上軟管均采用直通連接方式，有效避免了該處液壓管過多彎折造成的局部阻力損失大的缺點(diǎn)，其現(xiàn)場情況如圖6所示。

圖6 耙臂軟管現(xiàn)場情況圖Fig.6 Real scene of hose at dragarm

4 具體實施步驟及安全防護(hù)

由于用船緊張，無法進(jìn)行長時間的停船改造，為了加快整個項目實施進(jìn)度，將本次改造高壓管路分3個階段安裝。第1階段，即在船舶施工期間，在修船廠內(nèi)完成新耙臂管制造及高壓管路硬管定位拼裝。第2階段，船舶靠碼頭修理時，完成整套耙臂管拆換及高壓泵站實船安裝。由于大直徑高壓軟管在耙臂上安裝為國內(nèi)首次，為了保障高壓軟管的運(yùn)動補(bǔ)償功能，需現(xiàn)場測繪復(fù)核各軟管尺寸及各接頭角度。獲取上述關(guān)鍵參數(shù)后，方可進(jìn)入第3階段，即高壓軟管扣壓及現(xiàn)場連接工作。

由于38 MPa超高壓沖水在國內(nèi)疏浚領(lǐng)域應(yīng)用尚屬首次，常規(guī)高壓沖水系統(tǒng)的最高壓力為1.8 MPa，為確保設(shè)備安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，除了設(shè)計時充分考慮滿足相關(guān)規(guī)范要求外，還著重采取以下安全防護(hù)措施：1）泵組出口至伺服架處的鋼管法蘭外部采用5 mm不銹鋼板進(jìn)行防護(hù)，共計18處。2）軟管與硬管連接處選用國外進(jìn)口防崩鏈進(jìn)行安全防護(hù)，共計24處。3）高壓泵站出口處設(shè)隔離鏈條，并設(shè)置警示標(biāo)記，施工時防止人員接近。

5 結(jié)語

硬質(zhì)黏土高效施工是世界級疏浚難題，本項目的超高壓沖水耙頭為該類工程提供有效解決方案。本文提出了安裝在耙臂上由硬管及軟管組合而成的高壓管線，避免了傳統(tǒng)高壓沖水管在滑塊吸口處易泄漏的問題，安全地將超高壓沖水輸送至耙頭。通過在旋轉(zhuǎn)短管、一字節(jié)、十字節(jié)等處直通連接方式，有效避免了耙臂上按既有液壓管及電纜管布設(shè)而彎折過多，造成局部阻力損失大的缺點(diǎn)。本文具有較強(qiáng)的實際意義，可為后續(xù)修造船項目高效安全輸送高壓沖水提供一定借鑒。