泥水管道选择与接力泵位置计算

2010-03-21马凤伟

河南建材 2010年5期

马凤伟

中铁十六局集团有限公司（450000）

0 概述

南水北调穿黄隧洞总设计长度4250m，分过河段和邙山段两部分，其中过河段3450m，邙山段800m。隧洞最深覆土35m，采用竖井始发技术，施工竖井深40m。根据地质勘探报告，本工程选用了德国海瑞克生产的泥水加压式盾构机进行施工。由于黄河地区地质条件复杂，因此泥水环流系统的设计和选择非常重要。本文仅针对泥水环流系统的两个重要方面进行了详细的解析和阐述。图1为泥水环流系统控制界面。

图1 泥水环流系统控制界面

1 泥浆管的选择与设计

1.1 基本原始参数

泥浆管总长:3450m；管道内径:350mm；泥浆泵理论扬程:76～78m。

1.2 设计计算

1.2.1 管道壁厚计算

1）计算公式:

其中:δ—管道壁厚；dg—管道内径；p—泵的出口压力；σ—材料许用应力；a—附加厚度，一般铸铁管取7～9mm，钢管取 1～2mm。

2）计算过程:

①泥浆泵出口压力。泥浆泵的出口压力一般可使用泵的扬程进行近似计算，而在泥水环流系统中，泥浆泵有进泥泵和排泥泵两种，一般情况下排泥泵的负荷要大于进泥泵，因此可使用排泥泵的扬程计算:

P=ρgh=1.3×103×10×73=0.95MPa

其中，ρ—排泥密度；h—排泥泵扬程。

δm=1.0×3.5=3.5mm

综上所述:δ=δ0+δm=2.8+3.5=6.3mm，由于泥浆管在实际使用过程中不可避免的要承受冲击压力，因此取壁厚安全系数 n=1.5，则:

δ=1.5×6.3=9.45mm

实际管道在加工过程中存在误差，考虑管道的制造误差，取 δ=10mm。

1.2.2 管道选择

1）规格型号选择:经计算泥浆管的壁厚为10mm，则管道外径为370mm。查管材规格型号表可选择外径为377 mm，壁厚为10mm的钢管。

2）材料选则:市场上现有无缝钢管，螺旋焊接钢管，直缝焊接钢管等多种钢管。现做如下分析:

①压力要求。根据GB8163-87的规定，普通钢管用作流体运输，必须进行流体压力试验。其静水试验压力计算公式为:

其中，p—试验压力，MPa；S—公称壁厚，mm；σs—规定屈服点的 60%，N/mm2；D—公称外径，mm。

由表1可见,螺旋钢管足以满足环流系统对压力的要求。

②磨损要求。泥浆管道的磨损，现在还没有统一的计算公式，相关的经验参数也很少,但泥浆管道的抗磨损系数一般与材料的化学成分有关（见表2）。

表1 不同材料钢管的力学性能比较

图2 螺旋管抗压试验

表2 不同材料化学成分表

在化学成分中，C含量主要影响材料的硬度，Si含量和Mn含量影响材料的耐磨性，S含量和P含量则影响材料的韧性。从表中可以看出,材料Q235B的抗磨性能是比较好的，但较之20#，45#钢其S、P含量过高，一定程度上影响了它的硬度和耐磨性能。上述四种材料45#钢的耐磨性最好，但Q235B的耐磨性能已足以满足施工需要。

3）市场价格分析。市场上现有较多规格的管材供应,经调查绘制如下表3。

表3 管材市场价格分析

综上可知针对穿黄工程的施工需要,材料为Q235B的螺旋焊接管性价比最高,因此管道选择以螺旋焊接钢管为主。

2 中继泵加装位置计算

2.1 原始计算参数

施工竖井深度:40m；进泥泵扬程:76m；排泥泵扬程:78 m；进泥流量:1100m3/h；排泥流量:1200m3/h；管道内径:350 mm；隧道长度:3450m；地面段管路:200m；闸阀:100m/个；出口压力:400～500kPa。

2.2 计算过程

2.1.1 进泥接力泵安装位置

1）沿程损失:

又由L=1+n×11=1+31.5计算得:

其中:L—当量长度；1—理论安装位置；n—弯头个数，此处取 n=6；11—查表得直径 350mm，45°弯头的当量长度为5.25m。

2）入口水头损失:

V—入口流速，可使用（1）中计算流速；ξE—入口损失系数，一般管式入口ξE=1，法兰入口ξE=0.5，圆滑喇叭入口ξE=0.05，喇叭入口 ξE=0.1～0.2。此处选用管式入口，取 ξE=1，代入公式得HE≈0.522m。

3）闸阀水头损失:

本循环系统中选用350mm的刀式闸阀,查表得350mm闸阀的损失系数ξT=0.11，故单个闸阀的水头损失为:HT≈0.66m。

4）出口水头损失:

泥浆泵扬程计算公式如下:

图3 中继泵安装示意图

考虑到穿黄隧洞有一段深40m的竖井,40m水柱压力约为400KPa，做如下补充计算:计算可得1≈199m，即竖井段垂直管路可抵消4bar出口压力下约199m长度的管损，故地面进泥泵可维持更长距离，也即1=1330m+199m=1529m。

综上接力泵的安装距离应为11=1529-200m=1329m，12=1329+1330m=2659m。2.1.2排泥接力泵安装位置

1）沿程损失:

0.01379≈0 .014，又有 L=1+n×11=1+31.5 计算得:

2）入口水头损失:

3）闸阀水头损失:

4）出口水头损失:

代入扬程公式，则:

计算得排泥泵可维持的理论长度l=1425m,考虑计算过程中的误差，取储备系数1.25，所以排泥接力泵的理论加装位置应为l/1.25=1140m。由于竖井深度为40m，加大了泵的负荷程度，作如下补充计算:

计算可得在3bar的出口压力下，排泥泵的剩余扬程可抵消479m管路损耗，因此整条隧道（3450m）至少要使用4台排泥泵。也即除去盾构机上的排泥泵，还需3台接力泵，且分别在推进1140～1425m范围内安装最合适,取中间值1282m。则接力泵的安装距离应为11=479m，12=479+1282 m=1761m，13=1761+1282m=3043m。