泥泵简易除气装置设计研究

严 巍，林海波

（1. 中港疏浚有限公司，上海 200120；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

在疏浚施工实践中，不同地区、不同工程，其土质情况差异很大。耙吸挖泥船主要是通过泥泵的吸入能力，将疏浚土吸入泥舱或直接排出。但遇到含有油气的土质，对耙吸挖泥船的工作效率影响很大。因为泥泵通常是离心泵，在疏浚的过程中含有油气的土质由于压力的作用会在泥泵内产生大量的气体，导致泥泵吸空，致使泥泵的疏浚效率大大降低甚至不能工作。同时，泥泵吸入大量的气体也会加剧“气蚀”，使泥泵叶轮、内胆等过早损坏。

2011年底新海虎4轮接到委内瑞拉马拉开波工程的任务。该航道部分区段内的疏浚土质含有大量的油气，从资料及实际施工显示该段含气层主要集中在表层0.3～0.5m厚度内，水深12.0～12.3m。为了提高疏浚效率，在投入施工前，加装了一套简易除气装置，通过实际使用比较，施工效率有很大的提高。本文以此为例进行研究。

1 简易除气装置原理

根据除气装置的工作原理，利用船上现有设备[1～3]，因地制宜，既能使成本投入较小，又能达到一定除气效果，提高施工效率。

1.1 系统主要设备组成及设计思路

系统主要由如下设备组成：气体收集器（泥泵吸口专用短管）、喷射泵、高压冲水泵、阀和管系。其设计思路是：在泥泵的吸入端，安装喷射泵，配以适当管系、阀件来吸除气体，以提高泥泵吸入真空，吸出的气体连同部分泥水混合物排入泥舱或排出船外。喷射泵的工作水由船上原有的高压冲水泵配以适当的管系、阀件来提供。由于含有气体的疏浚土一般都是密度较小的松散的淤泥，施工时耙头不需要高压冲水，所以可以借助船上现有的高压冲水泵为喷射泵提供动力水。现有的高压冲水泵是变频控制，可在一定范围内调整转速，以达到喷射泵所需的合适驱动功率。泥泵的吸入短管采用专用短管，在短管内部上方安装一块“舌形板”，使之深入泥泵吸口，在短管内形成一个集气腔以利于气体聚集。喷射泵吸除的气体和泥水混合物通过连接到低浓度排放管直接排出或排入泥舱。当此除气装置不使用时只要关闭该装置上的各阀，更换原有的泥泵吸入短管即可恢复到原来的管路状态，简易除气装置原理见图1。

1.2 基本使用操作

1) 施工前开启除气装载管系上配置的所有截止阀；

2) 当耙吸管到位后开启高压冲水泵，调节转速达到喷射泵所需的工作压力；

3) 开启泥泵后，按普通耙吸状态进行施工。

其中高压冲水泵的调节尤为关键。操作人员根据喷射泵的工作压力，在实际施工中反复摸索，经过多次试验比较，高压冲水泵输出压力调整到0.7～0.8MPa较合适，除气效果明显。

2 除气装置效率

为检验此除气装置的效果，摸索该设备达到使用效果的操作方法，在同一施工区域、基本相同的施工条件下进行比较试验。

图1 简易除气装置原理

2.1 不使用除气装置

在不使用除气装置的情况下，调整施工状态航速在 2.5～3.0kn，波浪补偿器蓄能器压力设置在 4.8MPa，拉起耙唇，打开引水窗，使油气外冒，减少泥泵吸入，随时观察施工状态，如出现进舱流速、密度都降低，则及时提升耙头，调整至稳定状态。操纵屏幕显示：在含气层影响下其进舱浓度、泥泵真空、泥泵流量等均急速下降。

根据施工数据统计，54min装载土方量为1287m3，施工效率约为1430m3/h。具体施工数据统计（平均值）见表1。

表1 施工数据统计（平均值）

2.2 使用除气装置

在使用除气装置后，施工航速调整为2.5～3.0kn，波浪补偿器蓄能器压力设置为4.8MPa，耙头正常着地，除气装置的截止阀全开，高压冲水泵压力调节到1MPa左右，多次试验比较，高压冲水泵压力调整到0.7～0.8MPa与喷射泵的工作压力较匹配，各项施工参数较稳定，耙唇及引水窗可根据实际施工效果调节。其进舱浓度、泥泵真空、泥泵流量等施工参数比较稳定。

根据施工数据统计，51min装载土方量为7040m3，施工效率约为8282m3/h。具体施工数据统计（平均值）见表2。

2.3 除气装置效果

根据上述施工数据统计结果，在航速、泵机转速、波浪补偿器压力等施工参数配置相同情况下，其采集数据及疏浚界面截图见图2～6。

表2 具体施工数据统计（平均值）

图2 泥泵真空度对比

图3 泥泵排压对比

图4 装载速度对比

图5 进舱浓度对比

2.4 施工效果对比分析

在实际施工中观察疏浚控制系统相关界面可看到：波浪补偿器正常工作时，在未开启除气装置时，泥泵几乎没有出现真空甚至是正压，泥浆浓度极低，流量、流速快速下降。此时，通过频繁调节耙头引水窗及耙唇对地角度，快速起升耙管，使流量、流速上升到相对正常值时再将耙头下降，但2min之内又出现之前的情况。如此反复，提升耙头后清水入泥舱势必造成部分泥浆溢流，故对装舱效果也产生影响，约 5km的疏浚距离，约 54min的施工时间，装舱量仅1287m3，单位时间装舱量极低仅有 1430m3/h（见采集数据及疏浚界面截图）。而且，造成耙管系统频繁的调节，泥泵的工作很不稳定等情况，如长期处于这种工作状态对设备很不利。

当开启除气装置施工时，施工情况明显改善，观察各项施工参数都比较平稳且达到较理想的施工要求。泥泵真空度达到30kPa以上，泥浆浓度达到1.30t/m3，进舱泥浆浓度、真空、流量、流速等也保持在正常范围内小幅波动，没有出现急速下降的现象。而且，耙头深度、耙唇对地角度、引水窗等调节到相对合适的位置后基本保持稳定正常施工。同样的施工距离及施工时间下，装舱量增加到 7040m3，单位时间装舱量达到8282m3/h（见采集数据及疏浚界面截图）基本达到正常情况。

根据上述数据比较，开启除气装置将提高进舱浓度约45%，增加泥泵真空约30kPa，提高排压约20kPa，施工效率提高约为5.8倍。可以看出，这一简易除气装置在含气体土质实际施工中发挥了显著的作用，达到了预期的效果。但是，由于不使用除气装置的测量次数、数据较少，该数据分析可能存在一定误差，还有分析方法也存在一定缺陷，主要有：1) 不使用除气装置测试数据有限，不能多样本比对；2) 不使用除气装置时，耙头经常提高，不能保持着地，各施工参数变化很大，含气量情况不明，对真空度、进舱浓度、施工效率分析等存在一定影响；3) 上述分析方法只是取其平均值，对未使用除气装置时，由于含气影响，耙头提升且不着地的数据没有剔除，对分析结果存在一定影响。

3 存在问题

从新海虎4轮的实际使用情况看，虽然效果比较好，整套设备的投资成本也比较低，操作比较方便，而且基本不影响其他土质工况的正常施工。但由于改装时间比较仓促，还有需要完善的必要。问题主要有：

1) 喷射泵选型要与泥泵特性匹配；

2) 该船除气装置是利用现有的高压冲水泵作为驱动源，现有高压冲水泵的转速调节旋钮操作时，转速变化比较大，致使压力变化也比较大，影响喷射泵效果；

3) 船上现有高压冲水泵的管系直径较大，而接入喷射泵的管径较小，高压冲水泵起、停时水流冲击比较大，产生较大震动；

4) 除气装置上的所有截止阀都是手动操作，且安装位置比较高，不利于操作。

4 结 语

从新海虎4轮的实际使用情况看，简易除气装置效果比较好，能够显著地提高疏浚效率，整套设备的投资成本也比较低，操作比较方便。其中高压冲水泵的转速调整很重要，压力过高或过低都不利于喷射泵的有效工作，压力过高虽然除气比较好，但一定程度上也影响到泥泵泵吸效能，压力过低可能达不到除气效果。但可以肯定的是采用简易的除气装置可以解决含有气体的土质的疏浚问题，提高疏浚效率。

[1] 郭立军. 泵与风机[M]. 北京：中国电力出版社，1985.

[2] 李之义，等. 船舶辅助机械[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 王振琅，曾 湛. 大型耙吸挖泥船装舱系统设计研究[J]. 船舶与海洋工程，2012, (1): 38-45.