水力式挖泥船真空測(cè)量裝置與施工工藝控制研究

周光濤，畢仲燕，秦亮，李金峰，鄭選斌

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

0 引言

壓力表在水力式挖泥船上應(yīng)用廣泛，一級(jí)泥泵吸口處的壓力通常稱(chēng)為真空，相應(yīng)的測(cè)量傳感器為可檢測(cè)低于大氣壓力的“真空測(cè)量裝置”。泵前真空是反映泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的重要指標(biāo)[1]，泥泵汽蝕、吸口或泥泵堵塞等常見(jiàn)現(xiàn)象，以及挖泥操作平穩(wěn)度、泥漿濃度控制等均主要通過(guò)真空讀數(shù)直接反映[2]，因此真空測(cè)量對(duì)挖泥高效操作、保證泥泵系統(tǒng)安全至關(guān)重要[3]。水力式挖泥船的真空測(cè)量裝置通常有2種形式，一種僅檢測(cè)管路內(nèi)部泥漿壓力值作為真空讀數(shù)，另一種是檢測(cè)管路內(nèi)、外壓力差作為真空讀數(shù)，由于二者均基于相對(duì)大氣壓的壓力表測(cè)得，因此分別稱(chēng)為相對(duì)壓力表和相對(duì)壓差表，這2種真空裝置的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍均有不同，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中常造成業(yè)內(nèi)人員的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，導(dǎo)致真空釋放閥控制失效、泥泵振車(chē)、產(chǎn)量損失等一系列問(wèn)題，鑒于此，本文從測(cè)量原理出發(fā)，對(duì)2種類(lèi)型真空測(cè)量裝置進(jìn)行深入分析，指出兩者在挖泥操作、工藝分析時(shí)的區(qū)別，供工程界參考。

1 真空測(cè)量裝置類(lèi)型及原理

真空測(cè)量裝置通過(guò)壓力接收孔感受外部環(huán)境壓力，其中相對(duì)壓力表是將測(cè)壓孔與輸送管路連接以檢測(cè)管路內(nèi)部壓力，而相對(duì)壓差表與相對(duì)壓力表相比增加一個(gè)管外壓力測(cè)孔，可同時(shí)檢測(cè)管內(nèi)、外部壓力以得到壓差值。

假設(shè)真空測(cè)量裝置安裝位置處管內(nèi)、外相對(duì)壓力值分別為P1、P2，則P1、P2可表示為式（1）和式（2）[4]。

式中：ρw為海水密度；ρm為泥漿密度；k為泥泵吃水；αm為吸泥管路局部水力損失系數(shù)；λm為吸泥管路沿程水力損失系數(shù)；L為泵前吸入管路長(zhǎng)度；D為泵前吸泥管路管徑；v為吸泥管中泥漿流速；h為吸口至泥泵中心高差。

則相對(duì)壓力表讀數(shù)C1表示為P1，相對(duì)壓差表讀數(shù)C2表示為P1-P2或P2-P1，其中C2多取P2-P1（讀數(shù)為正），C2的絕對(duì)值表示將單位質(zhì)量泥漿從海水中提升高度h所需的功。C1與C2的關(guān)系可表示為式（3）。

2 國(guó)內(nèi)常見(jiàn)挖泥船真空測(cè)量裝置應(yīng)用情況

根據(jù)水力式挖泥船（主要指絞吸船及耙吸船）特點(diǎn)[5]，需要配備適宜的真空測(cè)量裝置。其中相對(duì)壓差表檢測(cè)管路內(nèi)壓力值及同高程的海水壓力值，因此僅可安裝在水下泵吸口前端，相對(duì)壓力表則可安裝在水下泵、艙內(nèi)泵、甲板泵吸口前端。

絞吸船及耙吸船常規(guī)施工工況及對(duì)應(yīng)真空測(cè)量裝置類(lèi)型、安裝位置等信息統(tǒng)計(jì)如表1。

圖1 水下泵靜置真空測(cè)量裝置讀數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.1 Underwater pump static vacuum measuring device reading calculation result

表1 絞吸船、耙吸船施工工況及真空測(cè)量裝置信息統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical data table for construction conditions and vacuum measuring devicesof cutter suction dredger and trailing suction hopper dredger

絞吸船多數(shù)帶有水下泵，國(guó)外以使用相對(duì)壓力表為主，而國(guó)內(nèi)2種真空測(cè)量裝置均有使用，但以相對(duì)壓差表為主，究其國(guó)內(nèi)外使用習(xí)慣的差別，與最初國(guó)內(nèi)建造船舶時(shí)認(rèn)為船舶不開(kāi)泵施工“讀數(shù)應(yīng)為0”的儀表使用習(xí)慣有關(guān)。

3 不同形式真空測(cè)量裝置的特點(diǎn)對(duì)比

以IHC8527系列、IHC海貍1200系列、天航局“電天牛”系列絞吸船、天航局18 000 m3耙吸船“通程”輪為例，對(duì)比各種工況、不同形式真空測(cè)量裝置的特點(diǎn)，以上4種船型可以涵蓋多數(shù)工況條件，各船型真空測(cè)量裝置類(lèi)型統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 典型挖泥船真空測(cè)量裝置使用情況Table 2 Typical dredger vacuum measuring device usage

若將帶有水下泵的絞吸船橋架或耙吸船耙臂放入水中，當(dāng)泥泵處于關(guān)閉狀態(tài)，水下泵前端的相對(duì)壓力表和相對(duì)壓差表讀數(shù)隨挖深變化呈現(xiàn)的規(guī)律如圖1所示。

計(jì)算表1對(duì)應(yīng)的各種情況下真空測(cè)量裝置讀數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型挖泥船各工況真空測(cè)量裝置讀數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation resultsof vacuum measuring device for typical dredgers

結(jié)合圖1和圖2，總結(jié)2種真空測(cè)量裝置主要特點(diǎn)和區(qū)別。

1）圖1顯示，當(dāng)絞吸船橋架或耙吸船耙臂在水面以上時(shí)，兩種真空測(cè)量裝置讀數(shù)均為0；橋架、耙臂放入水中、泥泵關(guān)閉狀態(tài)下，相對(duì)壓差表讀數(shù)始終為0，相對(duì)壓力真空表讀數(shù)隨下放深度線(xiàn)性增大，其讀數(shù)表示真空測(cè)量裝置安裝位置的相對(duì)靜水壓力，因此可用于校對(duì)絞刀下放深度；泥泵開(kāi)啟時(shí)，2種真空測(cè)量裝置均出現(xiàn)讀數(shù)，但隨著挖深變化，相對(duì)壓差表保持穩(wěn)定，而相對(duì)壓力表讀數(shù)隨挖深線(xiàn)性變化。

2）圖2顯示，不同工況、不同安裝位置、不同類(lèi)型真空測(cè)量裝置的讀數(shù)和量程均有不同。

①絞吸船水下泵相對(duì)壓力表量程下限為-1 bar，上限值與船舶設(shè)計(jì)挖深及水下泵在橋架位置有關(guān)，IHC8527系列絞吸船真空表量程上限值均為1.5 bar，而“天鯨號(hào)”相對(duì)壓力表量程上限為1 bar，但根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相對(duì)壓力表讀數(shù)可能超過(guò)1 bar，建議進(jìn)行調(diào)整。

②計(jì)算結(jié)果顯示，絞吸船水下泵相對(duì)壓差表讀數(shù)一般在-1～0 bar或0～1 bar之間，讀數(shù)的正負(fù)取決于傳感器程序邏輯。但實(shí)際上相對(duì)壓差表讀數(shù)的絕對(duì)值可能超過(guò)1 bar，因此從使用角度考慮，隨著工況范圍擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)大多數(shù)大型挖泥船相對(duì)壓差表需要優(yōu)化，量程應(yīng)擴(kuò)大至±1.5 bar及以上。

③無(wú)水下泵絞吸船采用相對(duì)壓力表，由于泥泵吃水一般較小，泵前相對(duì)壓力值在0 bar以下，量程范圍一般在-1～0 bar。

④帶水下泵耙吸船正常情況下挖深較大，相對(duì)壓力真空表和相對(duì)壓差真空表讀數(shù)一般在0～2.5 bar之間，但相對(duì)壓力表讀數(shù)可能出現(xiàn)負(fù)值，同時(shí)量程范圍要留有余量，如通程船水下泵相對(duì)壓力表量程為-1～4 bar。

⑤耙吸船艙內(nèi)泵真空測(cè)量裝置在裝艙、吹填過(guò)程中均有使用，一級(jí)泵裝艙時(shí)真空測(cè)量裝置讀數(shù)范圍為-1～1 bar，吹填時(shí)讀數(shù)范圍為0～1 bar，二級(jí)泵裝艙時(shí)真空測(cè)量裝置讀數(shù)范圍為-1～1 bar，吹填時(shí)讀數(shù)范圍為0～7 bar，綜合考慮，耙吸船一級(jí)泵真空測(cè)量裝置刻度范圍一般為-1～1bar，二級(jí)泵刻度范圍與泥泵性能有關(guān)，并留有余量，如通程船刻度范圍為-1～12 bar，由于其正壓測(cè)量范圍較大，往往稱(chēng)為真空壓力表。

大型絞吸船及耙吸船真空測(cè)量裝置的推薦量程設(shè)置如表3所示，并有如下規(guī)律：量程范圍跨零的真空測(cè)量裝置是相對(duì)壓力表，量程范圍不跨零的真空測(cè)量裝置用在水下泵時(shí)為相對(duì)壓差表，用在非水下泵時(shí)為相對(duì)壓力表。

表3 挖泥船真空測(cè)量裝置建議量程設(shè)置Table 3 Dredger vacuum measuring device recommended rangesetting

3）從物理意義講，相對(duì)壓差表僅反映將單位質(zhì)量泥漿從海水中提升高度h所需的功，包括泥漿的動(dòng)能、勢(shì)能以及沿程和局部能量損失，讀數(shù)絕對(duì)值越大表示能量損耗越大。而相對(duì)壓力表可監(jiān)控泵前絕對(duì)壓力值，保證泥泵運(yùn)行安全，但相對(duì)壓力表讀數(shù)隨挖深變化范圍更大。

基于以上特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)部分新造挖泥船也出現(xiàn)設(shè)置2種真空測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這可各自發(fā)揮特點(diǎn)，提升復(fù)雜工況條件下泥泵運(yùn)行和管路通暢狀態(tài)的監(jiān)測(cè)效果。

4 不同形式真空測(cè)量裝置的施工工藝控制

泥泵泵前絕對(duì)壓力大于必需汽蝕余量才能保障運(yùn)行安全[6]。必需汽蝕余量與泥泵的吸入特性有關(guān)[7]，多數(shù)泥泵汽蝕余量在3.5～5.5 m·H2O，以5 m·H2O為例，需要保證相對(duì)壓力表讀數(shù)不低于-0.5 bar，而相對(duì)壓差表臨界值與挖深有關(guān)，控制值變化范圍大。

表1工況五中耙吸船在吹填時(shí)，隨著船舶吃水降低，泥泵真空表讀數(shù)會(huì)下降，但相對(duì)壓力一般不會(huì)低至0 bar以下，工況三中耙吸船水下泵裝艙，除淺水作業(yè)等非常規(guī)施工工況外，泵前相對(duì)壓力值也在0 bar以上。因此工況三、五泥泵汽蝕危險(xiǎn)較小。

表1工況一中，帶水下泵絞吸船在淺水挖泥時(shí)泵前絕對(duì)壓力接近必需汽蝕余量，此時(shí)要注意控制。圖3顯示汽蝕余量為5 m·H2O時(shí)帶水下泵絞吸船真空測(cè)量裝置讀數(shù)臨界值，而在實(shí)際施工過(guò)程中，很多操作人員會(huì)將相對(duì)壓差表與相對(duì)壓力表混淆。表4顯示某疏浚工程中絞吸船疏浚淤泥質(zhì)土，挖深18 m，水下泵汽蝕余量為4.5 m·H2O，水下泵真空測(cè)量裝置采用相對(duì)壓差表，量程范圍為-1.5～0 bar，若與相對(duì)壓力表混淆，將真空表讀數(shù)控制在-0.55 bar，輸送密度不超過(guò)1.18 t/m3，施工效率會(huì)降低25%以上，這種錯(cuò)誤是應(yīng)該絕對(duì)避免的。

圖3 絞吸船水下泵真空測(cè)量裝置讀數(shù)臨界值Fig.3 Cutter suction dredger underwater pump vacuum measuring device threshold

表4 某工程絞吸船施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table4 Construction parameter statisticsof a dredger

另外從計(jì)算結(jié)果看，表1工況二、工況四也可能發(fā)生泥泵汽蝕現(xiàn)象。無(wú)水下泵絞吸船在大挖深疏挖淤泥等松軟土質(zhì)時(shí)，生產(chǎn)率限制往往是由于挖掘濃度受限導(dǎo)致的，此時(shí)要密切關(guān)注真空讀數(shù)，力求泵前壓力平穩(wěn)、接近必需汽蝕余量并留有余量，而耙吸船艙內(nèi)泵裝艙易沉淀土質(zhì)時(shí)，應(yīng)在裝艙之前增加船舶吃水。

此外，工況一、三計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于安裝在水下泵前的相對(duì)壓力表，儀表讀數(shù)隨挖深增加而上升，隨輸送濃度上升而下降，但對(duì)于帶水下泵的耙吸船，當(dāng)挖掘密度超過(guò)一定值后，隨著挖深增加，相對(duì)壓力表讀數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是由于絞吸船水下泵一般安裝在橋架的中間位置，挖深越大則水下泵獲得的靜壓水頭越大，而耙吸船水下泵的安裝位置更靠近吸口彎管，在挖深增加量一定時(shí)，耙吸船水下泵獲得的靜水壓頭增量不及絞吸船水下泵。一般在絞吸船、耙吸船面對(duì)大挖深工況時(shí)，水下泵汽蝕危險(xiǎn)不大，只是隨著挖深增加，泥泵泵機(jī)功率需求會(huì)不斷攀升，因此配備大功率水下泵的絞吸船、耙吸船是當(dāng)前挖泥船設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)真空測(cè)量裝置類(lèi)型、原理、應(yīng)用、特點(diǎn)、工藝控制措施等分析，得到結(jié)論：

1）相對(duì)壓力表讀數(shù)表征泵前相對(duì)壓力值，易于泥泵汽蝕監(jiān)測(cè)和控制，相對(duì)壓差表讀數(shù)的絕對(duì)值表征將單位質(zhì)量泥漿從海水中提升高度h所需的功，便于監(jiān)測(cè)吸泥管路通暢狀態(tài)，二者代表不同物理意義，又可互相轉(zhuǎn)化。

2）相對(duì)壓力表是國(guó)際行業(yè)內(nèi)的主要形式，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的絞吸船水下泵使用相對(duì)壓差表較多。

3）不同工況下、不同形式真空測(cè)量裝置讀數(shù)變化規(guī)律不同，建議大型挖泥船真空測(cè)量裝置按照表3和船舶特點(diǎn)進(jìn)行量程設(shè)置，量程設(shè)置存在的規(guī)律可作為真空測(cè)量裝置類(lèi)型的判別標(biāo)準(zhǔn)。

4）絞吸船水下泵淺水吹填、無(wú)水下泵絞吸船吹填、耙吸船艙內(nèi)泵裝艙3種工況易發(fā)生泥泵汽蝕現(xiàn)象，要注意不同真空測(cè)量裝置的讀數(shù)臨界值控制工藝標(biāo)準(zhǔn)。