大管徑鋼管漿體輸送磨損特性與生命周期分析

袁超哲，楊增海，施寶林，駱佳成，朱 平

（1.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200082；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

引言

管道輸送，是目前疏浚領域十分常見的介質運輸方式。目前，國內疏浚領域已有不少施工企業和研發機構對漿體管道輸送阻力和輸送性能開展了室內試驗[1]、數值模擬[2]、理論分析[3]和現場測試[4-5]等系列工作。然而，針對不同土質輸送磨損特性的研究，主要從泥泵磨損特性[6]、輸送管道耐磨蝕材質[7-10]、數值模擬分析[11]和單一土質磨損監測分析[12]等方面開展研究，針對不同土質輸送條件下磨損特性和剩余生命周期相關的應用類研究成果極少。

本研究依托不同土質吹填工程，開展順直管道、彎管、爬坡管和下坡管的管壁磨損速率監測，探討不同土質及管線鋪設形式條件下的磨損特性和管線剩余生命周期。

1 工程概述

本研究主要依托連云港疏浚工程的鈣化結合物輸送工況、小廟洪疏浚工程的細砂輸送工況和廈門機場吹填工程的粗砂輸送工況，開展不同土質輸送條件下，大管徑鋼質管（Q235-DN850）管壁磨損速率的現場監測。

其中，鈣化結合物和粗砂輸送工況，均發生過管道磨穿造成漏管、爆管的現象，如圖1 所示。

圖1 鋼質排泥管磨穿

1.1 粗砂輸送工況

廈門機場吹填工程中，其疏浚船舶為絞吸船，輸送介質為粗砂。其實用流速和濃度分別在4.25～5.55 m/s 和20 %～30 %，監測周期171 天（2016年3 月26 日～2016 年9 月12 日），期間累計輸送粗砂約420 萬m3。

1.2 鈣化結合物輸送工況

連云港疏浚工程中，由絞吸船通過鋼質排泥管吹填鈣化結合物，如圖2 所示。其實用輸送流速和輸送濃度分別在4.80～5.20 m/s 和20 %～30 %。其磨損監測周期93 天（2021 年3 月15 日至2021 年6月15 日），期間累計輸送方量約235 萬m3。

圖2 絞吸船鈣化結合物取樣

1.3 細砂輸送工況

小廟洪疏浚工程中，為絞吸船串聯接力泵船，進行細砂的長排距輸送，實用流速和濃度分別在4.12～4.39 m/s 和32 %～38 %。其磨損監測周期為40天（2021 年6 月27 日～2021 年8 月5 日），累計輸送方量約為145 萬m3。

2 管壁磨損量監測方案

針對順直管段、彎管、上坡管和下坡管，采用如圖3 所示管壁磨損監測方案。選取排泥管某一橫斷面的上部、下部、左側和右側分別進行管壁厚度的定期監測。為了保障管壁測點處壁厚的測量精度，對每個測點進行5 次重復測量，并取均值作為其管壁厚度。

圖3 排泥管管壁磨損監測示意

圖4 所示，為某一排泥管橫斷面測點的壁厚實測值。并通過疏浚施工船舶船載監測系統，獲取磨損監測過程的吹填方量，用于磨損速率的分析和剩余生命周期的預測。

圖4 某一排泥管橫斷面測點的壁厚實測值

為提高磨損速率和剩余生命周期預測的準確性，磨損監測期間疏浚船舶漿體的累計輸送方量應大于100 萬m3，以此保證管道壁厚磨損量值的可測性。根據前述依托工程概述可知，概化結合物、細砂和粗砂在管壁磨損量監測周期內，累計輸送方量均超過了100 萬m3。

基于實測管道壁厚磨損值和累計輸送方量，通過公式（1）給出不同土質輸送條件下橫斷面最大磨損速率（mm/100 萬m3）。

式中：Wr為管道壁的最大磨損速率（mm/100萬m3）；Eroi為監測周期內的管壁磨損量（mm）；Proi為磨損監測周期內的管道介質輸送量（100 萬m3）；Ti-1為第i-1 次測量的管道壁厚（mm）；Ti為第i次測量的管道壁厚（mm）。

3 磨損特性分析

3.1 粗砂磨損特性

粗砂測量了平鋪管橫斷面的磨損特性曲線。由于粗砂顆粒大、含貝殼，極易在管底發生沉積現象，因此管道底部受沉積物保護，磨損量偏小，兩側的磨損量最大。如圖5 所示，為某一平鋪鋼制管橫斷面的磨損特性曲線。其底部5 號測點處受到沉積粗砂的保護，磨損量最小；底部兩側的磨損量最大。

圖5 粗砂不同管線鋪設形式的磨損特性曲線

基于圖5 所示的磨損量監測結果，后續僅選取頂部1 號點、底部兩側4 號和6 號點和底部5 號點開展磨損量監測與分析。

廈門機場吹填工程中，選取了6 個平鋪管的橫斷面進行磨損量監測。監測期間累計輸送了420 萬m3粗砂，其磨損特性曲線如圖6 所示。可知，其底部最大磨損量為5.35 mm，最大磨損速率為1.39 mm/ 100 萬m3。

圖6 粗砂輸送平鋪管磨損特性曲線

3.2 鈣化結合物磨損特性

鈣化結合物鋼質管輸送，監測了2 根爬坡管、1 根平鋪管和1 根下坡管的磨損量。其磨損量監測點，參考圖6 所示粗砂橫斷面點位。圖7 所示，為鈣化結合物在不同管線鋪設形式條件下鋼質管橫斷面磨損特性曲線。

結合鈣化結合物顆粒較大，管道內水流的紊動難以使之起懸的特性進行分析可知，在平鋪管底部存在大量鈣化結合物滑移運動，使得底部的磨損量最大。磨損量監測期間累計輸送了235 萬m3鈣化結合物，根據圖7 平鋪管磨損特性曲線的最大磨損量2.54 mm，可知平鋪管下方最大磨損速率1.08 mm/ 100 萬m3。

圖7 鈣化結合物不同管線鋪設形式的磨損特性曲線

根據爬坡1 和爬坡2 管線磨損特性曲線分析可知，由于鈣化結合物在爬坡管段沉積顯著，管道底部受到沉積物的保護磨損量較小，左右兩側的磨損量相比于底部更大，其最大磨損量2.79 mm，最大磨損速率1.2 mm/100 萬m3。

根據下坡管線磨損特性曲線分析可知，向下的管道內，鈣化結合物沉積現象相比于平鋪管弱。因此，其底部磨損量最大，兩側次之，頂部最小。管道底部最大磨損量為2.23 mm，最大磨損率為 0.95 mm/100 萬m3。

3.3 細砂磨損特性

細砂由于顆粒較小，其沉積效果弱，介質顆粒基本處于懸浮狀態。該土質條件下不同管道鋪設形式的磨損特性比較統一。如圖8 所示磨損特性曲線可知，下部磨損量最大、左側右側磨損量次之、上部磨損量最小。

圖8 細砂不同管線鋪設形式的磨損特性曲線

細砂輸送條件下，鋼質管磨損監測期間累計輸送145 萬m3。其中，順直管最大磨損量0.75 mm，最大磨損速率0.52 mm/100 萬m3；爬坡管最大磨損量0.8 mm，最大磨損速率0.55 mm/100 萬m3。

3.4 不同土質磨損特性對比分析

結合前述不同輸送土質和不同鋪設形式條件下鋼質管的最大磨損點位及其最大磨損速率，給出了表1 所示的磨損特性匯總，并形成了以下結論：

表1 不同土質最大磨損位置及磨損速速/(mm/100 萬m3)

1）較粗顆粒的爬坡管磨損速率相比于平鋪管大約11.1 %；較細顆粒的爬坡管相比于平鋪管大約5.8 %。

2）不同土質輸送條件下，其最大磨損點主要集中在底部及底部兩側位置。

3）對比分析平鋪管在不同土質常用疏浚吹填工況下的磨損速率，粗砂磨損速率（1.39 mm/100萬m3）最大，鈣化結合物（1.08 mm/100 萬m3）次之，細砂（0.52 mm/100 萬m3）最小。

4 剩余生命周期預測與應用

4.1 剩余生命周期

疏浚吹填工程，鋼質排泥管是重要的施工設備組成部分，其剩余生命周期對工程前期管線的配置、施工過程的連續性和安全性具有重要的意義。傳統的疏浚吹填過程中，僅根據現場管理人員的經驗，對排泥管磨損速率（剩余生命周期）進行主觀判斷，其誤差較大。

因此，本章節基于前述給出的不同土質最大磨損點及其最大磨損速率，并結合不同土質實用輸送工況條件下的月產能和Q235-DN850 鋼質排泥管壁厚安全裕量，根據公式（2）和公式（3）進行剩余生命周期的預測與分析。

式中:Clife為剩余生命周期（月）；Prolife為剩余可輸送方量（萬m3）；Promonth為疏浚船舶單月產能（萬m3）；Tnew為最新測量獲取的管道壁厚（mm）；T0為安全裕量（mm）。

新制鋼制管厚度一般有24 mm 和18 mm 兩種，另選取12 mm 壁厚舊管進行不同壁厚鋼制管可輸送方量預測分析。同時，根據鋼制管現場感使用情況，壁厚安全裕量約為8 mm。根據公式（3）計算給出了不同剩余壁厚條件下，鋼質排泥管的剩余可輸送方量，如表2 所示。

基于表2 剩余可輸送方量的預測分析結果，結合鈣化結合物月吹填產能109 萬m3，細砂135 萬m3，中粗砂80 萬m3，根據公式（2）計算給出了不同剩余壁厚條件下，鋼質排泥管的剩余生命周期，如表3 所示。

表2 不同土質鋼質排泥管剩余可輸送方量

表3 不同壁厚鋼制管可輸送方量（安全裕量8 mm）

4.2 排泥管全生命周期管理

通過上述剩余可輸送方量和剩余生命周期的預測和分析，實現了疏浚吹填工程工前舊管調配、新管設計制造、吹填過程管線排布、竣工后管線入庫等管線全生命周期高質量管理。如圖9 所示，為排泥管全生命周期管理流程。

圖9 排泥管全生命周期管理流程

1）工前調配：針對吹填工程管線排布方案和設計吹填方量，基于相應土質磨損速率和庫存舊管剩余可輸送方量情況，給出浮管、沉管、岸上主管段、岸上支管段和爬坡管等不同鋪設形式管線的配置方案。

2）過程維護：針對岸上主管段配置管線的壁厚情況，結合最大磨損速率，制定翻管計劃和舊管換新計劃；避免出現單點磨穿，生命周期大大縮短的現象，以此保證管道壁厚的高效利用。

3）竣工管理：吹填工程完成后，通過不同鋪設形式管線的累計吹填方量，完成管線剩余壁厚的預測和統計，便于其他吹填工程的調配和使用。

5 結語

綜上所述，基于現場實測的不同土質吹填工況條件下DN850-Q235 鋼質排泥管最大磨損點位和最大磨損速率，可以精確預測排泥管的剩余可輸送方量和剩余生命周期。同時為粗砂、鈣化結合物和細砂等土質工況的管線高質量調配和維護工作，提供了可靠的數據支撐。同時所形成的疏浚排泥管全生命周期管理流程，為不同其他吹填土質相關數據的收集和應用奠定了基礎。