中大型耙吸船艏吹粉質(zhì)粘士輸泥系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性研究

于濤

摘要：中大型耙吸式挖泥船在實(shí)施粉質(zhì)粘土艏吹時(shí)，由于粉質(zhì)粘土的阻力較大，如果不控制好泥漿濃度和輸送流速，粉質(zhì)粘土就會(huì)沉積并堵塞艏吹管線而影響吹泥效率。截至目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)粉質(zhì)粘土疏浚物開(kāi)發(fā)出適用的耙吸船艏吹防堵管線系統(tǒng)，也沒(méi)有關(guān)于耙吸船艏吹防堵管線系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)研究成果。因此，本文提出了一種適用于粉質(zhì)粘土疏浚的耙吸船艏吹防堵管線系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建艏吹輸泥的水沙數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了泥泵特征參數(shù)、泥漿特征、輸泥管道特征參數(shù)等耙吸船艏吹管路系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，并分析了泥漿濃度、泥管直徑、輸泥排距等要素變化對(duì)耙吸船艏吹管路系統(tǒng)參數(shù)的影響程度。

關(guān)鍵詞：耙吸式挖泥船;疏浚工程;粉質(zhì)粘性土;艏吹施工;數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U674.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7973（ 2020） 06-0081-04

近年來(lái)，世界各國(guó)的疏浚施工需求均不斷上升，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增大，疏浚經(jīng)濟(jì)總量也十分巨大[1，2]。但是，各式各類挖泥船舶的技術(shù)水平還有待提高，特別是能量消耗占比較大的挖泥船舶泥沙輸送系統(tǒng)，還有較大的改進(jìn)和優(yōu)化空間[3，4]。耙吸式挖泥船的艏吹輸泥管路是非常龐大和繁雜的系統(tǒng)，包含多種機(jī)械設(shè)備，也涉及多個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。這個(gè)系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槭艿侥骋粋€(gè)特定因素的限制而大大降低自身的經(jīng)濟(jì)性，而且整個(gè)系統(tǒng)的每一個(gè)特征參數(shù)都會(huì)因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)（特別是顆粒中值粒徑和輸送泥漿濃度）的變化而發(fā)生變化，也就是說(shuō)其經(jīng)濟(jì)性隨著輸送介質(zhì)的變化而發(fā)生變化。特別是中大型耙吸式挖泥船在實(shí)施粉質(zhì)粘土艏吹時(shí)，艏吹管線更是制約挖泥船生產(chǎn)能力的最為主要的影響因素，由于粉質(zhì)粘土的阻力較大，如果不控制好泥漿濃度和輸送流速，粉質(zhì)粘土就會(huì)沉積并堵塞艏吹管線，進(jìn)而影響艏吹輸泥效率[5]。防止艏吹管線堵塞的傳統(tǒng)方法是通過(guò)調(diào)高泥漿泵的轉(zhuǎn)速、增大泥漿泵的排壓、逐漸減低疏浚泥漿濃度、在泥漿濃度較低時(shí)返擺等方式，緩慢將堵塞疏浚物強(qiáng)制性地排出[6]。但多年的工程實(shí)際應(yīng)用證明，傳統(tǒng)疏通堵管的方式不僅效率較低、耗時(shí)較長(zhǎng)、成功率不高、施工成本較大，而且很容易對(duì)船機(jī)設(shè)備和艏吹管線造成較為嚴(yán)重的損壞。無(wú)論是艏吹效率的提高，還是施工經(jīng)濟(jì)性的保持，都需要建立在科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行操控的基礎(chǔ)之上[7，8]。所以，在進(jìn)行耙吸船艏吹輸泥管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析典型和常用工況下系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)之間的相互匹配，也要同時(shí)兼顧各種工作范圍。但在艏吹施工開(kāi)展和進(jìn)行時(shí)，則要依據(jù)具體工程施工條件，及時(shí)調(diào)整相關(guān)組成設(shè)備的工作狀態(tài)，并盡量獲取最高效率和最大產(chǎn)量。上述目的的實(shí)現(xiàn)，需要各組成設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)與具體施工條件實(shí)現(xiàn)最佳匹配，也需要同時(shí)兼顧組成構(gòu)件的工作使用范圍?；谏鲜隹紤]，本文提出了一種適用于粉質(zhì)粘土疏浚的耙吸船艏吹防堵管線系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建艏吹輸泥的水沙數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了泥泵特征參數(shù)、泥漿特征參數(shù)、輸泥管道特征參數(shù)等耙吸船艏吹管路系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，并分析了泥漿濃度、泥管直徑、輸泥排距等要素變化對(duì)耙吸船艏吹管路系統(tǒng)參數(shù)的影響程度。

1 耙吸船艏吹粉質(zhì)粘土防堵管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耙吸式挖泥船在實(shí)施粉質(zhì)粘土艏吹時(shí)，由于粉質(zhì)粘土的阻力較大，如果不控制好泥漿濃度和輸送流速，粉質(zhì)粘土就會(huì)沉積并堵塞艏吹管線，進(jìn)而影響吹泥效率。為此，提出了一種適用于粉質(zhì)粘土疏浚的創(chuàng)新型耙吸船艏吹防堵管線系統(tǒng)，并在“青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程”疏浚工程應(yīng)用中極大提高了艏吹施工效率。

適用于耙吸船艏吹粉質(zhì)粘土的創(chuàng)新型新輸泥管線系統(tǒng)，主要由挖泥船船艏泥漿泵、艏吹輸泥膠管、自浮式輸泥膠管、防堵連接管和輸泥鋼管等五種構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間通過(guò)法蘭連接而成，如圖1所示。防堵管線系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)布設(shè)于防堵連接管內(nèi)壁的壓力傳感器，對(duì)堵管情況實(shí)時(shí)預(yù)警，并判斷吹泥管線的堵塞位置，然后停止艏吹施工，打開(kāi)輸泥管線不同位置處的防堵裝置，減小輸泥管線路由長(zhǎng)度，有效降低泥漿泵的排出壓力，并通過(guò)船舶吹水的方式將堵塞于輸泥管道中的粉質(zhì)粘土疏浚物排出。

2 計(jì)算模型建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)耙吸船艏吹粉質(zhì)粘土動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析和研究，本文利用VB編程語(yǔ)言構(gòu)建了數(shù)值計(jì)算模型來(lái)計(jì)算得出泥漿輸送動(dòng)態(tài)過(guò)程中的重要參數(shù)，并以圖表形式來(lái)描述重要參數(shù)的變化規(guī)律。

耙吸船艏吹輸泥過(guò)程中，泥漿泵要提供動(dòng)力來(lái)克服泥漿輸送過(guò)程中受到的阻力，所以輸泥管道內(nèi)泥漿流速的計(jì)算可采用的公式為

3 工程概況及計(jì)算參數(shù)選取

本文以“青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程”疏浚工程艏吹輸泥施工過(guò)程中所采用的耙吸式挖泥船為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。該工程采用自航耙吸式挖泥船進(jìn)行艏吹粉質(zhì)粘土施工，艏吹工程總量168.12萬(wàn)立米，封閉圍堰平均吹距約為0.7km。該工程疏浚土質(zhì)以粉質(zhì)粘性土為主，顆粒密度Ps= 2.65x10³kg/m3，液體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)v=1.146x10^-6m2/s粘性土中值粒徑d 50 0.07mm。在粉質(zhì)粘土艏吹施工過(guò)程中，由于耙吸船泥艙內(nèi)泥漿濃度不均勻等多種綜合性外部因素的影響，近似地認(rèn)為泥漿密度呈周期性變化，并利用正弦曲線來(lái)近似模擬實(shí)際工況中泥漿密度的變化。該工程中使用的自航式挖泥船屬于中大型耙吸船，其艏吹輸泥的管路系統(tǒng)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)各組成單元的主要特性參數(shù)為：泥泵額定清水軸功率1249kw，泥泵額定轉(zhuǎn)速245 rpm，額定流量12000m3/h，額定揚(yáng)程41m，自浮輸泥膠管長(zhǎng)度100m、內(nèi)徑0.65m，防堵連接管長(zhǎng)度2m、內(nèi)徑0.65m，大堤外海側(cè)斜坡面角度45度，每?jī)蓚€(gè)輸泥膠管之間連接一個(gè)防堵連接管，輸泥管線的水平輸泥管段部分長(zhǎng)度合計(jì)為520m，坡面管段長(zhǎng)度為28m，輸泥鋼管長(zhǎng)度160m。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

為了全面研究泥漿泵特征參數(shù)（泥漿泵轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、揚(yáng)程、效率等）、泥漿特征參數(shù)（泥漿密度、流速等）、輸泥管道特征參數(shù)（管道管阻、進(jìn)口壓強(qiáng)、汽蝕余量等）等艏吹系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，也為了分析泥漿濃度、泥管直徑、輸泥排距等要素變化對(duì)上述輸泥管路系統(tǒng)參數(shù)的影響程度，選取了耙吸船艏吹粉質(zhì)粘土施工的4種典型工況。工況1中輸泥管線長(zhǎng)700m、泥管直徑0.65m、泥漿濃度在1000-1400 kg/m3范圍內(nèi)變化;在保持工況1其他條件不變時(shí)，工況2的泥漿濃度在1000-1100 kg/m3范圍內(nèi)變化，工況3的輸泥管線長(zhǎng)度取500m，工況4的泥管直徑取0.80m。此外，計(jì)算開(kāi)始時(shí)先將泥漿泵啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到額定轉(zhuǎn)速的60%，即150 rpm，直至粘土泥漿充滿輸泥管道，然后將泥漿泵轉(zhuǎn)速調(diào)高至額定轉(zhuǎn)速，泥漿泵運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始吸泥，直至粘土泥漿充滿輸泥管。

圖2是泥漿密度隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖可知，泥漿泵啟動(dòng)后充水過(guò)程持續(xù)了7分鐘左右，此過(guò)程中的泥漿密度幾乎沒(méi)有變化。而隨著粘土泥漿充滿輸泥管道后，工況1、3、4中的泥漿濃度開(kāi)始發(fā)生變化，并沿著固定值1200 kg/m3振蕩，其變化規(guī)律與正弦曲線Ps =1200+200sin（2nt/T）較為接近，變化周期T大約為3 min.不同工況時(shí)泥漿濃度的變化基本相同。工況2是為研究泥漿濃度對(duì)輸泥管理系統(tǒng)參數(shù)的影響程度而選取的，所以該工況中泥漿濃度變化近似符合Ps= 1050+50sin（2nt/T），周期與其它工況相同。由圖3中泥漿泵轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化過(guò)程可以看出，泥漿泵的啟動(dòng)分為兩個(gè)階段。第一階段內(nèi)泥漿泵的轉(zhuǎn)速設(shè)定為150 rpm，大致為額定轉(zhuǎn)速的60%，在此階段中轉(zhuǎn)速幾乎在1min內(nèi)就陜速達(dá)到了設(shè)定值，此后又持續(xù)了6 min左右，使得粘土泥漿充滿輸泥管道;第二階段將泥漿泵轉(zhuǎn)速調(diào)整到額定轉(zhuǎn)速，此階段中轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到了額定值245 rpm。雖然兩個(gè)階段中泥漿泵轉(zhuǎn)速值不同，但隨時(shí)間的變化規(guī)律幾乎相同，均是隨著泥漿密度的周期變化而變化。對(duì)比不同工況發(fā)現(xiàn)，在泥漿密度較小的工況2中，調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用會(huì)使得泥漿泵的轉(zhuǎn)速略有增大。

圖4是艏吹輸泥管道進(jìn)口壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖中可以看出，輸泥管道進(jìn)口壓強(qiáng)先是隨著時(shí)間的增加而減小，而后迅速增大到一個(gè)極值，最后又急速減小，直至趨于穩(wěn)定后隨著泥漿密度呈周期性波動(dòng)。對(duì)比不同工況下的進(jìn)口壓強(qiáng)發(fā)現(xiàn)，增加泥漿密度、增大泥管管徑、減小輸泥排距，能有效減小輸泥管道進(jìn)口壓強(qiáng)。圖5是汽蝕余量△h隨時(shí)間的變化過(guò)程，圖中有效汽蝕余量△Aha隨時(shí)間增加到極值后減小，必須汽蝕余量△ha則是隨時(shí)間減小到極值后增加，隨后兩者均趨于平穩(wěn)，并隨泥漿密度的變化而呈周期性波動(dòng)。結(jié)合圖4中艏吹輸泥管道進(jìn)口壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化過(guò)程綜合分析汽蝕余量的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在泥漿泵啟動(dòng)之后，隨著轉(zhuǎn)速和所輸送泥漿密度的增大，吸泥口處的壓強(qiáng)逐漸增大，形成一個(gè)高速減壓區(qū)，滿足汽蝕產(chǎn)生的條件△ha<△hr，故而泥漿泵發(fā)生汽蝕，而后△ha 隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，當(dāng)△ha>△hr時(shí)泥泵不再發(fā)生汽蝕。由此可見(jiàn)，泥漿泵抽泥開(kāi)始時(shí)刻，極易發(fā)生氣蝕，雖然汽蝕歷時(shí)很短，但會(huì)引起泥漿泵和輸泥管路各項(xiàng)特征參數(shù)的振蕩，甚至?xí)?duì)整個(gè)艏吹系統(tǒng)造成極大危害。為了減少泥漿泵啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的氣蝕對(duì)船機(jī)設(shè)備的危害和艏吹效率的影響，通常采用分階段調(diào)節(jié)泥漿泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的方法。對(duì)比不同工況下發(fā)現(xiàn)，泥漿密度越高，泥管管徑越大，輸泥排距越小，泥漿泵越容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

由圖6中泥漿泵轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化過(guò)程可以看出，泥漿泵輸泥開(kāi)始后，轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間持續(xù)增大到一個(gè)極值，而后又逐漸減小.最終趨于平穩(wěn)，并隨泥漿密度的變化而呈周期性波動(dòng)。泥漿密度越高，泥管管徑越大，輸泥排距越小，泥漿泵的轉(zhuǎn)矩值就越大。泥漿泵啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩極值，說(shuō)明此時(shí)泥漿泵極易發(fā)生過(guò)載，而采用分次啟動(dòng)的方式，可有效避免泥漿泵過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生。圖7是泥漿泵功率隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖可以看出，泥漿泵啟動(dòng)之后功率逐漸增大，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到60%額定轉(zhuǎn)速后達(dá)到極值。此后隨著輸送距離的增長(zhǎng)，泥漿流量開(kāi)始減小，泥漿泵功率逐漸降低。當(dāng)整個(gè)輸泥管線充水完成之后第二次啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，泥漿泵功率又逐漸增大，此時(shí)如果提高泥漿密度、增加泥管直徑、縮短艏吹排距，泥漿泵功率將會(huì)超過(guò)額定工況點(diǎn)功率而產(chǎn)生過(guò)載現(xiàn)象。

分析圖8中泥漿泵揚(yáng)程隨時(shí)間的變化過(guò)程可知，首次輸泥開(kāi)始后泥漿泵揚(yáng)程逐漸增大，在轉(zhuǎn)速達(dá)到60%額定轉(zhuǎn)速后到達(dá)一個(gè)極值，此后又開(kāi)始緩慢減小。輸泥管道首次啟動(dòng)充水完成后開(kāi)始第二次啟動(dòng)時(shí)，泥漿泵揚(yáng)程迅速增大，直至趨于穩(wěn)定。分析揚(yáng)程隨時(shí)間變化過(guò)程可知，增大輸泥排距和泥管直徑并減小艏吹排距會(huì)使泥漿泵的揚(yáng)程增大。圖9是泥漿流速隨時(shí)間的變化過(guò)程，由圖可知泥漿泵啟動(dòng)后泥漿流速隨時(shí)間持續(xù)減小，輸泥管道充水完成時(shí)達(dá)到極小值。泥漿流速在首次啟動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，主要是由輸泥管道內(nèi)充水長(zhǎng)度增加導(dǎo)致管道阻力增大泥漿泵啟動(dòng)時(shí)發(fā)生氣蝕共同造成的。第二次啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，由于泥漿泵功率的增加，輸泥管道內(nèi)的泥漿流速迅速增加，直至區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)。泥漿密度和泥管排距越小，泥漿流速就越大，這能夠減少艏吹管路內(nèi)的泥沙沉降，可以有效避免輸泥堵管現(xiàn)象的發(fā)生，這有利于艏吹輸泥效率的提高。但由于受到密度變化、泥漿泵氣蝕等因素的影響，艏吹管道內(nèi)泥漿流速起伏變化比較大，這對(duì)艏吹輸泥效率的提高非常不利。

由圖10中艏吹輸泥管道管阻隨時(shí)間的變化過(guò)程可以看出，艏吹輸泥開(kāi)始以后，泥漿泵開(kāi)始有泥漿流經(jīng)時(shí)，輸泥管道阻力隨時(shí)間的增大而逐漸增大到一個(gè)極值后又迅速減小，直至輸泥管道充水完成后達(dá)到極小值，而后隨著二次啟動(dòng)的開(kāi)始，輸泥管道阻力增加較慢直至趨于穩(wěn)定，并隨著密度發(fā)生周期性變化。管道阻力變化特性是由整個(gè)輸泥管道內(nèi)的泥漿流動(dòng)決定的。圖11是泥漿泵效率隨時(shí)間的變化過(guò)程，由圖可知，泥漿泵啟動(dòng)后泥漿泵的效率迅速增加，在達(dá)到極大值后又逐漸減小，泥漿泵調(diào)節(jié)到額定轉(zhuǎn)速后，效率迅速增加到一個(gè)穩(wěn)定值，此后隨泥漿密度周期波動(dòng)變化。對(duì)比不同工況時(shí)管道管阻和泥漿泵效率發(fā)現(xiàn)，泥漿濃度降低、泥管管徑增大、輸泥排距減小會(huì)有效減小輸泥阻力和提高效率。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)研究了泥漿泵特征參數(shù)、泥漿特征參數(shù)、輸泥管道特征參數(shù)等耙吸船艏吹管路系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，也分析了泥漿濃度、泥管直徑、輸泥排距等要素變化對(duì)上述輸泥管路系統(tǒng)參數(shù)的影響程度。研究結(jié)果表明，泥漿泵啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速增大，泥漿流速、密度等也相應(yīng)增大，泥漿泵抽泥口處快速形成了一個(gè)高速減壓區(qū)，導(dǎo)致泥漿泵產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，氣蝕不僅會(huì)對(duì)泥漿泵揚(yáng)程、功率、效率有極大影響，也會(huì)威脅船機(jī)設(shè)備安全和降低艏吹輸泥效率，所以應(yīng)該分階段調(diào)節(jié)泥漿泵使之達(dá)到額定轉(zhuǎn)速;艏吹輸泥管道內(nèi)粉質(zhì)粘性土泥漿的密度降低，會(huì)使得泥漿泵轉(zhuǎn)速減小、功率變小、輸泥管道進(jìn)口壓強(qiáng)降低，從而使得泥漿泵不容易發(fā)生汽蝕和過(guò)載;艏吹輸泥管理排距變小，會(huì)使得輸泥管道阻力變小，粘土泥漿流速變大，從而減少艏吹管路內(nèi)的泥沙沉降，可以有效避免輸泥堵管現(xiàn)象的發(fā)生，有利于艏吹輸泥效率的提高;吹泥管道直徑增大，管道阻力減小，能夠有效降低艏吹過(guò)程中的能量損耗。

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