重型絞吸挖泥船1 m直徑排泥管線輸送微風(fēng)化巖特性

王曦巍，劉 昊，李金峰，張亞楠，楊正軍

(1.中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300457；3.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，海外疏浚工程中遇到的土質(zhì)越發(fā)復(fù)雜，尤其對于巖石類堅(jiān)硬土質(zhì)的疏浚需求越來越大，傳統(tǒng)的炸礁方式由于效率低、環(huán)境影響大、危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)正逐漸被重型絞吸挖泥船直接開挖巖石的方式替代[1]。國內(nèi)目前采用重型絞吸挖泥船1 m管徑管線輸送微風(fēng)化巖石尚未進(jìn)行過實(shí)際施工，針對此種工況下的管線輸送特性的分析研究較少。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)船試驗(yàn)，對“天鯤號”自航重型絞吸船[2]輸送微風(fēng)化巖能力進(jìn)行深入研究，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對常用估算方法的系數(shù)給出推薦取值，有助于我國在尖端疏浚技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，縮小與國際先進(jìn)疏浚技術(shù)的差距。

1 工程概況

本工程絞吸船排泥管線由水上管、水下管及陸地管共3部分組成。水上管線采用直徑1 m、長11.8 m的自浮管組成，管線與管線之間采用螺絲連接。水下及陸地管線采用直徑1 m、長6 m鋼管與膠套組成，管線與管線之間采用螺絲連接，如圖1所示。

圖1 水上管線組裝

結(jié)合絞吸船施工情況，選取巖石輸送工況為：土質(zhì)為碎石、巖石，中值粒徑為30 mm，管徑為1 m，管線長度為546 m，其中自浮管260 m、陸地管286 m，縮口780 mm。對該工況下的輸送過程的施工關(guān)鍵參數(shù)[3]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對泥泵揚(yáng)程、泥泵效率、磨阻系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。

2 泥泵揚(yáng)程及泥泵效率分析

根據(jù)水下泵真空表和排壓表布設(shè)位置，計(jì)算在不同挖深情況下真空表與排壓表的高程差如圖2所示，據(jù)此計(jì)算絞吸船在不同挖深情況下水下泵的泥泵揚(yáng)程和泥泵效率。

圖2 排壓表與真空表高程差

泥泵揚(yáng)程計(jì)算公式為：

(1)

式中：H為泥泵揚(yáng)程(m水柱)；ρw為海水密度(t/m3)；p1為真空表位置處的絕對壓強(qiáng)(kPa)；p2為排壓表位置處的絕對壓強(qiáng)(kPa)；Z為排壓表與真空表的高程差(m)。

以不同的疏浚施工工況為例，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)計(jì)算泥泵揚(yáng)程和泥泵效率。不同輸送密度情況下的輸送流量、泥泵轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同密度泥泵揚(yáng)程曲線

以上計(jì)算結(jié)果為絞吸船水下泵在不同泥泵轉(zhuǎn)速、不同輸送密度、不同流量情況下的揚(yáng)程。計(jì)算結(jié)果顯示，泥泵揚(yáng)程隨流量減小而升高，與泥泵轉(zhuǎn)速的平方基本呈正比。

根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，泥泵泥漿揚(yáng)程宜按以下公式計(jì)算：

Hm=Hw[KH(ρm-1)+1]

(2)

ρm=(ρ-ρw)ρ′+ρw

(3)

式中：Hm為泥泵泥漿揚(yáng)程(m)；Hw為泥泵清水揚(yáng)程(m)；KH為泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)；ρm為泥漿密度(t/m3)；ρ為天然土密度(t/m3)；ρ′為泥漿天然體積濃度(%)；ρw為海水密度(t/m3)。根據(jù)式(2)(3)推算泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)KH見表1。

表1 泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)KH推算結(jié)果

KH的計(jì)算結(jié)果顯示，其整體平均值為0.33，KH與密度相關(guān)性不大，不同密度的取值平均值分別為0.34、0.34、0.33、0.33、0.32，而與流量對應(yīng)關(guān)系見表2?？梢钥闯?，KH值存在峰值，在流量較高和較低時(shí)，KH值均會下降。

表2 KH推薦值

泥泵效率計(jì)算公式為：

(4)

式中：η為泥泵效率(%)；N水為泥泵清水功率(kW)；N軸為泥泵軸功率(kW)。結(jié)合施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用式(4)計(jì)算施工工況下絞吸船水下泵的泥泵效率，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泥泵效率計(jì)算結(jié)果

對泥泵效率的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，泥泵掛漿后效率比清水效率的下降幅度與泥漿密度關(guān)系見表4。

表4 泥泵效率下降百分比

3 管線摩阻系數(shù)分析

泥泵總排壓可按下式計(jì)算：

(5)

式中：pm為輸送泥漿時(shí)泥泵總排壓(m水柱)；λm為管路漿體摩阻系數(shù)；D為管線直徑(m)；v為管內(nèi)泥漿流速(m/s)；X為排壓測量儀器所在位置高程(m)；Z為管口中心點(diǎn)位置高程(m)；L為折算成標(biāo)準(zhǔn)鋼管的長度(m)。

依據(jù)式(5)，在已知施工排壓、流速、管徑、管線長度、管口高程與排出傳感器高程差的情況下可反算求出摩阻系數(shù)λm。結(jié)合施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算該工況下絞吸船1 m管徑鋼管摩阻系數(shù)λm，結(jié)果如圖4所示。

圖4 12 m鋼管串聯(lián)時(shí)不同密度、流速對應(yīng)的摩阻系數(shù)

不同流速下計(jì)算的摩阻系數(shù)平均值見表5。

表5 1 m管徑鋼管摩阻系數(shù)λm平均值與流速關(guān)系

基于摩阻系數(shù)計(jì)算模型的基本原理，編制阻力系數(shù)計(jì)算軟件，通過設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長和其他邊界條件、導(dǎo)入施工數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)管線管阻系數(shù)與流速、顆粒濃度等關(guān)系后，反算《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的管路輸送杜蘭德模型中的實(shí)驗(yàn)系數(shù)KD：

(6)

式中：KD為杜蘭德系數(shù)；Im為泥漿水力梯度；If為清水水力梯度；Cvd為土顆粒體積濃度(%)；vm為泥漿流速(m/s)；D為管路直徑(m)；ρs為土顆粒密度(t/m3)；d為土顆粒平均粒徑(m)；vt為土顆粒沉降速度(m/s)。

計(jì)算過程的邊界條件中考慮了泥沙顆?；票?、輸送管路中不同管徑[5]等因素。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 實(shí)驗(yàn)系數(shù)KD與土顆粒濃度關(guān)系

《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對式(6)中的試驗(yàn)系數(shù)KD推薦取值為121，通過對1 m管徑輸送30 mm中值粒徑的微風(fēng)化巖石工況的實(shí)際計(jì)算，實(shí)驗(yàn)系數(shù)KD的值會隨著土顆粒粒徑和土顆粒濃度的變大而減小。為便于使用，現(xiàn)將管徑1 m時(shí)輸送30 mm中值粒徑的微風(fēng)化巖石的杜蘭德模型中實(shí)驗(yàn)系數(shù)KD推薦值見表7。

表7 管徑1 m實(shí)驗(yàn)系數(shù)推薦值

4 結(jié)語

1)依托國外某疏浚工程，對重型絞吸船“天鯤號”首次采用1 m管徑的管道輸送30 mm中值粒徑微風(fēng)化巖工況的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)歸納“天鯤號”水下泵不同轉(zhuǎn)速、密度、流量等情況下的泥泵揚(yáng)程及泵效、輸送管路不同密度及流速下對應(yīng)的摩阻系數(shù)，掌握了自航式重型絞吸挖泥船“天鯤號”輸送微風(fēng)化巖的施工關(guān)鍵技術(shù)。

2)通過對“天鯤號”水下泵的泥泵揚(yáng)程及泵效的分析，對《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的泥泵泥漿揚(yáng)程計(jì)算公式中的土質(zhì)換算系數(shù)KH進(jìn)行了重新計(jì)算，針對1 m管徑管線輸送30 mm中值粒徑微風(fēng)化巖的工況總結(jié)出不同情況下的KH的推薦值。

3)通過對“天鯤號”輸送管路摩阻系數(shù)進(jìn)行分析，對《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的管路輸送杜蘭德模型中的實(shí)驗(yàn)系數(shù)KD進(jìn)行了重新計(jì)算，針對1 m管徑管線輸送30 mm中值粒徑微風(fēng)化巖的工況總結(jié)出不同情況下KD的推薦值。