絞吸船串聯(lián)接力泵船超長排距施工優(yōu)化

費子豪，呂 鑫，李權(quán)真

(1.中港疏浚有限公司，上海200136；2.海洋工程勘測設(shè)計院，自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

我國幅員遼闊、河道眾多。近年來，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展迅猛，國內(nèi)沿海港口、航道建設(shè)由大型化、重型化逐步邁向深水化、綠色化。在疏浚行業(yè)，絞吸式挖泥船挖泥效率高、可控性好，且因其強大的挖掘能力和適應(yīng)遠距離泵送的優(yōu)勢，成為全世界應(yīng)用最廣泛的一種挖泥機具。目前，疏浚施工對環(huán)保要求的提高以及輸泥路徑上的場地限制因素增多，促使絞吸船需要解決超長排距吹填施工的問題，為保障長排距施工的安全與穩(wěn)定，總結(jié)制定更規(guī)范、更細致的施工工藝迫在眉睫。

當(dāng)前最主要解決長排距輸送效能不足的方案為絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝，如谷銀遠[1]系統(tǒng)性闡述了“新海燕”與“航絞接1號”輪組在曹妃甸工程中的技術(shù)要點和施工效率分析，對長排距施工具有指導(dǎo)意義；吳鵬等[2]介紹疏浚土長距離管道輸送技術(shù)在環(huán)保疏浚工程中的應(yīng)用，彰顯了長排距施工的環(huán)保價值和地形適應(yīng)性；劉心勝等[3]介紹絞吸式挖泥船+接力泵船串聯(lián)施工工藝在連云港30萬噸級航道一期疏浚工程中的應(yīng)用，給類似高程大、土質(zhì)硬等不利工況條件下的吹填上陸施工提供了新的解決方案。

絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝中接力泵船位置的確定和船組設(shè)備施工效能配套優(yōu)化是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵性因素。本文針對南通港小廟洪上延航道工程一階段的超長排距施工實際，通過數(shù)理測算驗證泥泵配套是否可行，并分析限制施工的主要因素進行施工優(yōu)化，可為類似超長排距施工提供參考借鑒。

1 工程概況

南通港小廟洪上延航道工程(一階段)主要服務(wù)于東灶港作業(yè)區(qū)、通州作業(yè)區(qū)以及通州灣港區(qū)一港池。起點位于呂四港區(qū)10萬噸級進港航道，終點接入南通港三夾沙南航道，全長19.2 km，航道通航寬度246 m，設(shè)計底高程-11.7 m，含備淤深度0.5 m，設(shè)計邊坡1:10。通航標準為：滿足5萬噸級散貨船乘潮單向通航和2萬噸級散貨船、雜貨船全潮雙向通航。南通港小廟洪上延航道工程平面布置見圖1。

圖1 南通港小廟洪上延航道工程平面布置

2 設(shè)備選用及施工工藝

2.1 設(shè)備選用

接力泵船“航絞接1號”的船舶總長54 m，型寬18 m，總噸位為1 331 t。絞吸船新海鮫輪總噸位為3 785 t，總裝機功率為13.926 MW，最大挖深27 m。接力泵與主船泥泵、水下泵所使用的柴油機均為“卡特彼勒”牌。施工區(qū)域和船組設(shè)備主要參數(shù)為：疏浚土質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土、粉砂，合計工程量為126.4萬m3，近端、遠端取泥區(qū)吹距(吹距為取泥區(qū)至岸上吹填區(qū)的實際敷設(shè)管線長度)分別約23.0、27.0 km，設(shè)計排距6 km，接力泵船、主船最大生產(chǎn)能力均為3 500 m3/h，水下泵、泥泵、接力泵額定轉(zhuǎn)速均為1 000 r/min。

在疏浚裝備方面，針對本標段疏浚范圍土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂和粉砂，采用新型五臂絞刀和刀齒，可以有效切割原狀土，最大程度上提高大型絞吸船對當(dāng)?shù)毓r的適應(yīng)性。

2.2 施工工藝

在南通港小廟洪上延航道工程施工作業(yè)中，“新海鮫”與“航絞接1號”以串聯(lián)方式外配5艘輔助船舶實現(xiàn)船組聯(lián)合工作，其施工工藝流程見圖2。

圖2 絞吸+接力泵船施工工藝流程

3 泥泵組合效能驗算

3.1 泥泵揚程計算

泥泵清水特性曲線采用二次曲線模擬，表示為：

(1)

式中：Hw為實際轉(zhuǎn)速n時的清水揚程；Q為流量；a、b、c為特征曲線在轉(zhuǎn)速n0時的擬合系數(shù)。

不同疏浚土泥泵特性曲線由式(2)表示[4]：

Hm=Hw[KH(ρm-1)+1]

(2)

式中：Hm為泥泵泥漿揚程；KH為土質(zhì)換算系數(shù)，取0.75；ρm為泥漿密度，可由下式計算：

ρm=(ρ-ρw)C+ρw

(3)

式中：C為泥漿天然體積濃度，取調(diào)試階段平均實測值21%；ρ為天然土平均密度，取1.850 t/m3；ρw為清水密度，取1.025 t/m3。計算得泥漿密度ρm=1.198 t/m3。

絞吸挖泥船和接力泵船泥泵輸送泥漿的特性曲線可由式(4)(5)表示：

(4)

(5)

式中：Hm絞、Hm泵分別為實際轉(zhuǎn)速n1、n2時絞吸挖泥船、接力泵船泥泵泥漿揚程；a1、b1、c1為特征曲線在轉(zhuǎn)速n01時的擬合系數(shù)；a2、b2、c2為特征曲線在轉(zhuǎn)速n02時的擬合系數(shù)。

表1 泥泵參數(shù)

3.2 管路實耗總水頭計算

本工程疏浚施工土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂和粉砂，灰色，流塑，含少量腐殖質(zhì)，局部夾薄層粉土。輸送阻力損失包含沿程阻力損失Hf、局部阻力損失Hj、動能引起的阻力損失Hd、排高引起的阻力損失Hh。總阻力可由下式表示：

HZ=Hf+Hj+Hd+Hh=

(6)

式中：∑ξms、∑ξmd分別為為吸泥管系、排泥管系局部阻力系數(shù)之和；Ls、Ld分別為吸、排泥管系總長；ρm、ρw分別為泥漿密度、清水密度；λms、λmd分別為吸、排管路泥漿沿程阻力系數(shù)，管路泥漿沿程阻力系數(shù)可由清水沿程阻力系數(shù)與泥漿密度得到：λm=λwρm，λw可由管徑查表內(nèi)插計算得出，吸泥管管徑為0.90 m時λms=0.014 16，排泥管管徑為0.85 m時λmd=0.014 455；y為挖深；Z為排高；Ds、Dd分別為吸、排泥管內(nèi)徑；v為管路出口臨界流速；vs、vd分別為吸、排泥管平均流速，由于無實測資料，在討論排泥管平均流速時采用最低實用流速(經(jīng)濟流速)作為計算值，經(jīng)濟流速由泥漿臨界流速與經(jīng)濟流速系數(shù)Kv的乘積得到，其中淤泥、粉土的Kv=1.10。

管路除存在轉(zhuǎn)彎段外還存在吸泥口、閘閥和三通管，局部損失的計算方式也不相同。吸泥管其他局部損失包括吸泥口、閘閥和三通管等局部損失，各阻力系數(shù)宜采用實測數(shù)值，當(dāng)無實測值時，可由《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》查得。同理利用可查的輸送清水局部阻力系數(shù)ξw計算得到輸送泥漿時的局部阻力系數(shù)ξm，見表2。

表2 部分輸送泥漿的局部阻力系數(shù)計算結(jié)果

綜上求得吸泥管系局部阻力系數(shù)之和∑ξms=3.230，排泥管局部損失系數(shù)之和∑ξmd=7.805 3。

根據(jù)工況資料確定已知的參數(shù)為：C為21%，泥沙中值粒徑ds為0.05 mm，y為11.7 m，Z為4.00 m，Ds、Dd分別為0.90、0.85 m，原狀土密度ρs、ρm分別為2.650、1.198 t/m3，vs、vd分別為3.95、4.43 m/s。

吹填土質(zhì)的顆粒大小，直接影響輸泥管的允許最低流速。針對顆粒細的淤泥質(zhì)黏土、粉砂，其極限流速在泥漿密度1.198 t/m3的情況下，管內(nèi)工作流速以4.43 m/s為宜。在超長排距下，排泥管遠長于吸泥管，經(jīng)濟成本上管理維護費用更高，以排泥管平均流速討論更為合理。將各數(shù)據(jù)代入式(6)求得HZ=308.79 m。

綜上所述，繪制此工程泥泵管線系統(tǒng)流量揚程曲線見圖3。

圖3 泥泵流量-揚程曲線

3.3 接力泵位置確定

理想狀態(tài)下，為降低能耗、節(jié)約成本，首先應(yīng)考慮讓新海鮫輪將泥水混合物泵送至所能達到的最遠距離，充分發(fā)揮其效能之后由“航絞接1號”的接力泵調(diào)整適合剩余排距的泥泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)聯(lián)合經(jīng)濟輸送，但是由于超長排距管線鋪設(shè)的不確定性，不易配備正好合適的接力泵。因此，確定一個理論的“航絞接1號”布設(shè)位置可使接力泵在穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速下，保證超長排距輸送系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，不會因為接力泵頻繁出現(xiàn)狀況而停工調(diào)整。根據(jù)式(4)(6)推導(dǎo)出接力泵船與主船管線長度計算式：

(7)

式中：H吸為吸口局部阻力損失；Hy為挖深水頭損失；λd為“航絞接1號”與“新海鮫”之間排泥管的泥漿沿程阻力系數(shù)。在手工測算泵船位置時，需要保證接力泵吸入端壓力≥0.1 MPa，該接力系統(tǒng)才能正常工作。采用式(7)計算可求得“航絞接1號”與“新海鮫”之間管線長度理論最優(yōu)值為S=7.459 km。但是在實際施工中，由于受到當(dāng)?shù)貪q落潮水位的影響，接力泵船不一定能布設(shè)在最理想位置上。

4 施工效率分析

4.1 原施工參數(shù)分析

2021-06-12，“新海鮫”與“航絞接1號”4泵串聯(lián)組成的船組系統(tǒng)進場南通港小廟洪上延航道一階段工程，開工初期實測兩船之間管線長度6.498 km，“航絞接1號”后面水上管子長1.075 km，岸管長16.292 km，實現(xiàn)長達23.9 km的超長排距施工。收集船組施工數(shù)據(jù)見表3。

表3 船組典型施工數(shù)據(jù)

由表3可看出：1)實際施工平均流速為4.46 m/s，這與上述計算的排泥管平均流速理論值4.43 m/s一致，驗證了效能分析中水力計算的準確性和可行性；2)平均時間利用率僅為51.46%，計算萬立方米油耗為13.84 t/萬m3。施工情況不容樂觀，施工效率亟待優(yōu)化。時間利用率取決于船機設(shè)備、絞吸挖泥船和接力泵船的配合以及工況等因素。實際施工中由于接力泵船和管線設(shè)備損壞問題(2021-06-13“航絞接1號”封水閥泄漏、2021-06-14“航絞接1號”附近沉管泄漏、2021-06-16“航絞接1號”盤根漏水)，頻繁導(dǎo)致施工停滯，使得“新海鮫”未能完全發(fā)揮出產(chǎn)能優(yōu)勢。

初步分析是由于主船泥泵輸送泥漿所用揚程較大，兩船間管路輸送清水時的摩阻較小，導(dǎo)致泵前存在富余壓力，接力泵輸送泥水混合物時吸入壓力偏高。考慮接力泵船位在滿足吃水限制的情況下應(yīng)盡可能遠離“新海鮫”，保證接力泵設(shè)備和接力泵后管線承壓能力不至于損壞和超限，維持整個接力泵船組系統(tǒng)安全、高效和低耗的施工要求。

4.2 改進后效能對比分析

根據(jù)“新海鮫”與“航絞接1號”的典型施工數(shù)據(jù)，通過了解現(xiàn)場工況，使用理論計算結(jié)果對主船與泵船之間的距離進行優(yōu)化，并根據(jù)現(xiàn)場情況綜合考慮。在保證接力泵船泵前壓力不小于0.1 MPa的前提下，嘗試降低接力泵船前的壓力值，充分發(fā)揮主船和泵船的功效。參考對接力泵距離的測算，同時結(jié)合施工各個參數(shù)的匹配，最終確定“航絞接1號”的實際船位距新海鮫輪的管線加長至8.427 6 km，其中新海鮫輪施工端點站浮管0.741 6 km，“新海鮫”到“航絞接1號”進水口沉管加長0.868 km，沉江管總長7.686 km，絞接后沉管1.022 km，排距總長延伸至24.9 km。記錄船位變化和管線延伸后的施工數(shù)據(jù)見表4。

表4 調(diào)整后船組施工數(shù)據(jù)

結(jié)合表3、4對比分析可看出：

1)調(diào)整后船組萬立方米油耗為15.31 t/萬m3。主要是由于調(diào)整后排距加長，船位和管線布置更為合理，接力泵船和接力泵后管線承壓能力極限增大，為充分發(fā)揮船組的挖泥疏浚效能，適當(dāng)提高了主船兩個泵機的轉(zhuǎn)速，使船組的泥漿輸送耗能增加。

2)優(yōu)化船位和管線布設(shè)后避免絞吸船多級泥泵串聯(lián)后局部排出壓力過高的問題，同時在主船和接力泵船的積極有效溝通下制定了合脫泵流程、加轉(zhuǎn)流程、主船和接力泵船在施工中的注意事項等措施，保證了船組時間利用率達77%，較開工前期增幅近25%，平均日進尺量也從155 m/d增加至231 m/d，提高了船組的泵效，極大縮短了工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

3)對調(diào)整后1周左右的實際施工期數(shù)據(jù)進行整理分析，發(fā)現(xiàn)平均濃度提高到28.52%，管阻變大，加上排距增加，管線水頭損失變大，導(dǎo)致流速有所下降。但優(yōu)化后保證了時利率和濃度處于較高水平，使生產(chǎn)率由原來的平均1 476.5 m3/h提高到平均1 820.0 m3/h，增幅23%，主船施工在2021-07-07創(chuàng)造了4.5萬m3的日最高產(chǎn)量。

4.3 提高生產(chǎn)效率的措施

在本次超長排距施工中，管路輸送能力和施工平穩(wěn)性為限制施工生產(chǎn)效率的主要因素，針對上述工程實際遇到的問題，給出絞吸船串聯(lián)接力泵船施工工藝中提高生產(chǎn)率和時間利用的建議：1)制定合脫泵流程、加轉(zhuǎn)流程、主船和接力泵船在施工中的注意事項，提高船組之間的溝通配合，保證船舶的時間利用率；2)提高挖泥施工操作人員的業(yè)務(wù)水平和責(zé)任心，選擇合適的絞刀類型、挖泥深度、橫移速度、前移距，以增加泥漿濃度，減少不必要的施工時間浪費；3)工前測試和勘察準備應(yīng)細致準確，以便管線鋪設(shè)科學(xué)合理，盡量減少轉(zhuǎn)彎、爬坡和縮口，使排距和水頭損失最小化。

5 結(jié)語

1)針對南通港小廟洪上延航道工程一階段施工項目的超長排距工況條件，通過對泥泵揚程和管路消耗總水頭的數(shù)理計算，并結(jié)合工程實踐結(jié)果，得出在“新海鮫”與“航絞接1號”采用“2泵+2泵”串聯(lián)施工工藝能保證此次工程的超長排距施工需求。

2)在本次超長排距施工中，管路輸送為限制施工生產(chǎn)效率的主要因素。為提高時間利用率，保證接力泵設(shè)備和接力泵后管線承壓能力不至于損壞和超限，計算了“航絞接1號”的理論船位，避免絞吸船多級泥泵串聯(lián)后局部排出壓力過高的問題。

3)工藝測算結(jié)果應(yīng)用于工程實際中，驗證結(jié)果較好，生產(chǎn)率增幅23%，船舶時間利用率增幅近25%，提高了泵效和船組施工能力，極大縮短了工期，對類似工程的施工參數(shù)控制及設(shè)備安全運轉(zhuǎn)具有參考意義，結(jié)合本工程遇到的實際問題歸納總結(jié)的提高產(chǎn)量的可行措施也可為類似超長排距施工提供借鑒。

4)此外，傳統(tǒng)的工前測試僅憑疏浚施工員的經(jīng)驗操作不僅耗時耗力，且存在諸多安全隱患。可考慮基于數(shù)理計算做成實時計算程序或軟件，作為工前輔助設(shè)計的參考或駕駛員施工過程的調(diào)整依據(jù)，保證后續(xù)施工的平穩(wěn)性和連續(xù)性。