中歐疏浚公司吹填管線對(duì)比

張吉軼

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州510290)

吹填管線是疏浚吹填施工中至關(guān)重要的材料，吹填管線選擇與布設(shè)方式直接關(guān)系到吹填施工效率。管線爆裂、管線斷面磨損不均勻是吹填施工中常見的問題，如何有效避免管線爆裂與管線斷面磨損不均勻，一直是疏浚吹填施工過程中需要關(guān)注的重難點(diǎn)[1]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于吹填管線的研究主要涉及排泥管道磨損、泥沙輸送對(duì)管線磨損監(jiān)測(cè)及泥沙輸送摩阻特性等[2-4]。

由于引入的歐洲疏浚公司的特大型絞吸船“Helios”的自有管線無法及時(shí)調(diào)遣，前期使用中國(guó)疏浚公司已經(jīng)組裝完畢的在場(chǎng)管線進(jìn)行吹填施工，在施工過程中管線爆裂(尤其是沉管)頻繁發(fā)生，管線修復(fù)耗時(shí)較長(zhǎng)。絞吸船“Helios”自有管線進(jìn)場(chǎng)后，替換其自有管線施工時(shí)，管線爆裂頻率及處理管線故障耗時(shí)均顯著降低。歐洲疏浚公司經(jīng)過近百年的發(fā)展，已擁有較為先進(jìn)、成熟的疏浚吹填施工工藝。通過本項(xiàng)目中的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)我國(guó)疏浚公司使用的吹填管線與歐洲疏浚公司使用的吹填管線存在較大的差異。

1 項(xiàng)目吹填土質(zhì)及吹填距離

本項(xiàng)目位于波斯灣沙特阿拉伯朱拜勒(Jubail)市，疏浚區(qū)域表層覆蓋有厚0.5～4 m的巖帽(cape rock)，巖石完整性好、強(qiáng)度高，巖帽無側(cè)限抗壓強(qiáng)度多為30 MPa以上，巖帽下層為中細(xì)砂。由于疏浚區(qū)域覆蓋層厚不均的巖帽，且施工水域水深小，最遠(yuǎn)吹填距離約5.5 km，基于疏浚泥土理論所設(shè)計(jì)的挖泥船并不適用于疏浚強(qiáng)度很大的巖石，因此需要選用挖掘功率大且具有破巖能力的特大型絞吸船進(jìn)行該項(xiàng)目疏浚吹填施工[5-6]。因吹填料多為破碎后帶棱角的巖石，吹填料輸送過程中管線磨損嚴(yán)重。

2 疏浚設(shè)備及管線

疏浚開挖料為硬度高且完整性好的巖石，因此引入歐洲疏浚公司的特大型絞吸式挖泥船“Helios”進(jìn)行施工。該絞吸船主要參數(shù)見表1。

表1 絞吸船“Helios”主要參數(shù)

3 浮管差異

3.1 連接方式差異

自浮管線具有良好的自浮性能，且具有一定的柔性，能跟隨絞吸船開挖逐漸移動(dòng)，主要用于絞吸船船尾，便于在自浮管線活動(dòng)范圍內(nèi)開展疏浚施工。因自浮管線造價(jià)高，每艘絞吸船配備的自浮管線長(zhǎng)度有限，多與沉管直接連接。因自浮管線漂浮在海面，隨著洋流、潮汐起伏，特大風(fēng)浪期間易受損，因此大風(fēng)浪區(qū)域不適宜布設(shè)較長(zhǎng)的自浮管線[7]。

國(guó)內(nèi)疏浚公司常用的自浮管線為鎧裝膠管，法蘭盤通過螺栓逐根組裝到需求長(zhǎng)度后投入使用，整條自浮管線由若干根浮管拼接而成，連接見圖1。歐洲疏浚公司亦使用鎧裝膠管作為自浮管線，與國(guó)內(nèi)疏浚公司使用自浮管線的主要區(qū)別在于：歐洲疏浚公司將一定數(shù)量的自浮管線通過螺栓連接成長(zhǎng)約100 m的標(biāo)準(zhǔn)段，段與段之間用快速接頭(ball joint)連接?？焖俳宇^主要結(jié)構(gòu)有連接頭浮箱、連接體浮箱、公連接頭(球頭)、母連接體(承口)、液壓傳動(dòng)裝置、收放鎖緊裝置等[8]。其中公母接頭為長(zhǎng)3 m左右的短鋼管，嵌套在浮箱內(nèi)，通過液壓傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)公母接頭快速連接與分離(圖2) 。

圖1 國(guó)內(nèi)自浮管線連接方式

圖2 自浮管線快速接頭結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)疏浚公司自浮管線與絞吸船船尾管主要通過法蘭螺栓連接，而歐洲疏浚公司自浮管線與船尾相連的初始段增加球形接頭，絞吸船船尾管安裝有液壓控制的可開閉承口，自浮管與船尾管可迅速對(duì)接、分離。

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

無論是浮管段與段之間，還是船尾管與自浮管的對(duì)接方式，歐洲疏浚公司均采用快速接頭的形式。該形式具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)對(duì)接靈活，拆卸方便。法蘭螺栓長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中易銹蝕及附著海生物，需要拆開時(shí)往往需要使用風(fēng)焊逐套切割法蘭螺栓，比較耗費(fèi)時(shí)間；而快速接頭易對(duì)接、分離。2)維修便利，縮短絞吸船停工時(shí)間。自浮管線出現(xiàn)故障時(shí)，迅速拆開快速接頭，將出現(xiàn)故障的浮管標(biāo)準(zhǔn)段拆除后，對(duì)接其他正常浮管標(biāo)準(zhǔn)段，絞吸船能及時(shí)恢復(fù)施工，大大縮短傳統(tǒng)浮管爆裂維修時(shí)的停工時(shí)間。3)利于管線翻轉(zhuǎn)，減少管線斷面磨損不均勻。自浮管線漂浮在海水中，底部會(huì)附著大量海生物，因此管線底部較重，當(dāng)較長(zhǎng)的浮管翻轉(zhuǎn)時(shí)，受制于重心作用，管線不易翻轉(zhuǎn)。而劃分成標(biāo)準(zhǔn)段的浮管，拆開快速接頭，每段自浮管線長(zhǎng)度較小，通過輔助船舶起吊能夠快速實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，增加標(biāo)準(zhǔn)段的翻管頻率，減少管線斷面磨損不均勻，從而延長(zhǎng)自浮管線使用壽命。4)靈活縮減浮管長(zhǎng)度，減小吹填排距，提高施工效率。隨著絞吸船向前挖掘，絞吸船開挖進(jìn)尺達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度后，可以及時(shí)快速縮減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段的自浮管線，逐步減小吹填料排距來提高吹填施工效率。

3.3 快速街頭管線未在我國(guó)推廣的原因

3.3.1輔助設(shè)備差異明顯

歐洲疏浚公司使用多功能艇(multi-cat)來進(jìn)行疏浚吹填輔助作業(yè)。以本項(xiàng)目使用的多功能艇BKM104為例，其具備拖帶、移錨、起吊、輔助移動(dòng)絞吸船和燃油補(bǔ)給等功能，擁有艘吊、中吊2個(gè)大功率伸縮吊機(jī)，1臺(tái)大功率絞車，1個(gè)較小的伸縮吊機(jī)(管線快速接頭對(duì)接與分離時(shí)使用)。多功能艇擁有側(cè)向推進(jìn)器，船舶拆管、接管時(shí)調(diào)整位置、姿態(tài)較為便利。同時(shí)，絞吸船開挖信息、多功能艇移錨、拋錨后標(biāo)記的錨位坐標(biāo)等都能在各自駕駛艙中控屏實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)共享，便于絞吸船與輔助船舶獲取各自需求的信息來開展作業(yè)。為降低多功能艇淺區(qū)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，多功能艇采用雙層底設(shè)計(jì)(圖3)。一艘功能完備的類似多功能艇造價(jià)約1 600萬美元，遠(yuǎn)超出我國(guó)疏浚公司使用的錨艇造價(jià)。由此可知，歐洲疏浚公司基于其疏浚吹填作業(yè)需求，結(jié)合其自身管線工藝進(jìn)行輔助船舶功能設(shè)計(jì)與制造。國(guó)內(nèi)疏浚公司通常使用錨艇作為輔助設(shè)備，使用傳統(tǒng)的法蘭螺栓連接管線，泥沙疏浚吹填時(shí)管線故障發(fā)生頻率較低，使用價(jià)格相對(duì)低廉的錨艇具有較高的性價(jià)比，也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。但是，在巖石吹填時(shí)，實(shí)際配合作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)僅有絞車與A字架的錨艇難以高效地與歐洲公司的多功能艇協(xié)調(diào)處理管線爆裂問題。

圖3 多功能艇(multi-cat)船體

3.3.2快速接頭存在不足

對(duì)接時(shí)如果承口內(nèi)橡膠墊密封不嚴(yán)實(shí)，吹填過程中粉細(xì)砂逐步填充球頭與承口之間的縫隙，分離時(shí)球頭會(huì)卡在承口內(nèi)，須多次調(diào)整前后浮管的方向，活動(dòng)球頭后才能分離快速接頭。

4 沉管差異

4.1 連接方式差異

我國(guó)疏浚公司采用的沉管主要由鋼管及橡膠短管構(gòu)成，通常是24 m鋼管與鋼管之間對(duì)接1根橡膠短管，通過橡膠短管增加鋼管與鋼管之間的自由度；歐洲疏浚公司使用的沉管不采用橡膠短管，而是直接將鋼管逐根焊接成幾百米長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)段，段與段之間通過快速接頭連接，組裝便利。我國(guó)疏浚公司使用的沉管壁厚通常為20 mm，而歐洲疏浚公司配備大型絞吸船使用的沉管壁厚通常為30 mm。

4.2 優(yōu)勢(shì)分析

歐洲疏浚公司在沉管對(duì)接時(shí)不放置橡膠短管的主要優(yōu)點(diǎn)：1)大大減小沉管爆裂幾率。吹填施工中，疏浚料中的塊石管路輸送往往需要較大的排壓，才能將密度較大的石料通過管線快速輸送至回填區(qū)域。而排壓較高時(shí)，鋼管與鋼管之間存在的橡膠短管因老化、塊石撞擊，使用一段時(shí)間后無法承受較大的壓力而爆裂，爆裂部位通常位于沉管與自浮管線、陸地管連接的上下坡段附近。歐洲疏浚公司采用的沉管連接方式不使用橡膠短管，顯著降低了沉管爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。2)沉管安放容易。鋼管焊接后，整條管線為直線，可以直接下沉，沉管沉放在海底時(shí)也呈直線分布。而包含橡膠短管的沉管浮在水面時(shí)，受風(fēng)及水流作用呈弧線型，沉管下沉?xí)r也是弧狀沉放在海底。有風(fēng)浪的天氣沉管下沉?xí)r，需要多艘輔助船舶調(diào)整管線狀態(tài)才能比較順直地下沉。3)管線不會(huì)彎折。淺水區(qū)域下放的沉管，如因海底涌流作用移位，部分膠管老化后，鋼管與鋼管之間的短膠管容易彎折、擰住。

4.3 焊接沉管的不足

焊接沉管由單根鋼管焊接成型，焊接工作量大、焊縫質(zhì)量要求高，通常是在固定加工區(qū)域完成焊接后下水。由于焊接鋼管之間沒有自由度，對(duì)海底地形變化適應(yīng)性不足，在海床面地形起伏較大的水域，焊接沉管下放至海底前，需要對(duì)水域進(jìn)行多波速測(cè)量，依據(jù)測(cè)量結(jié)果選擇海底地形較為平緩的區(qū)域下放沉管才能使沉管緊貼海床面。

5 陸地管差異

5.1 連接方式差異

我國(guó)疏浚公司主要采用鋼管與鋼管之間通過法蘭螺栓逐根對(duì)接的方式鋪設(shè)、延伸陸地管至吹填區(qū)域。而歐洲疏浚公司通常使用的方式為：2根12 m的鋼管之間通過法蘭螺栓對(duì)接后，在24 m標(biāo)準(zhǔn)段兩端法蘭提前安裝大小接頭，吹填過程中接管時(shí)標(biāo)準(zhǔn)段與標(biāo)準(zhǔn)段之間通過大小后實(shí)現(xiàn)快速鏈接。

5.2 優(yōu)勢(shì)分析

歐洲疏浚公司將陸地管通過大小頭的方式變成易于快速對(duì)接、分離的管線，管線接管及拆卸方便。與此同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)施工絞吸船不停止吹填施工，挖掘機(jī)與推土機(jī)配合實(shí)現(xiàn)吹填管線延伸鋪設(shè)，減少施工船舶停滯時(shí)間(圖4)。

圖4 吹填管線快速對(duì)接

6 結(jié)語

1)特大型絞吸船吹填破碎巖石時(shí)，沉管中包含的橡膠短管因老化、破碎巖石撞擊等原因易爆裂，會(huì)制約絞吸船吹填巖石效率。

2)船尾管、自浮管線、沉管及陸地管中增加不同形式的快速接頭是一種較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，我國(guó)疏浚公司在升級(jí)吹填管線技術(shù)、工藝時(shí)可以作為參考，并加以優(yōu)化。