水力式挖泥船真空测量装置与施工工艺控制研究

2019-07-25周光涛毕仲燕秦亮李金峰郑选斌

中国港湾建设 2019年8期

周光涛，毕仲燕，秦亮，李金峰，郑选斌

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457）

0 引言

压力表在水力式挖泥船上应用广泛，一级泥泵吸口处的压力通常称为真空，相应的测量传感器为可检测低于大气压力的“真空测量装置”。泵前真空是反映泥泵运转状态的重要指标[1]，泥泵汽蚀、吸口或泥泵堵塞等常见现象，以及挖泥操作平稳度、泥浆浓度控制等均主要通过真空读数直接反映[2]，因此真空测量对挖泥高效操作、保证泥泵系统安全至关重要[3]。水力式挖泥船的真空测量装置通常有2种形式，一种仅检测管路内部泥浆压力值作为真空读数，另一种是检测管路内、外压力差作为真空读数，由于二者均基于相对大气压的压力表测得，因此分别称为相对压力表和相对压差表，这2种真空装置的特点和应用范围均有不同，现场施工过程中常造成业内人员的认识误区，导致真空释放阀控制失效、泥泵振车、产量损失等一系列问题，鉴于此，本文从测量原理出发，对2种类型真空测量装置进行深入分析，指出两者在挖泥操作、工艺分析时的区别，供工程界参考。

1 真空测量装置类型及原理

真空测量装置通过压力接收孔感受外部环境压力，其中相对压力表是将测压孔与输送管路连接以检测管路内部压力，而相对压差表与相对压力表相比增加一个管外压力测孔，可同时检测管内、外部压力以得到压差值。

假设真空测量装置安装位置处管内、外相对压力值分别为P1、P2，则P1、P2可表示为式（1）和式（2）[4]。

式中：ρw为海水密度；ρm为泥浆密度；k为泥泵吃水；αm为吸泥管路局部水力损失系数；λm为吸泥管路沿程水力损失系数；L为泵前吸入管路长度；D为泵前吸泥管路管径；v为吸泥管中泥浆流速；h为吸口至泥泵中心高差。

则相对压力表读数C1表示为P1，相对压差表读数C2表示为P1-P2或P2-P1，其中C2多取P2-P1（读数为正），C2的绝对值表示将单位质量泥浆从海水中提升高度h所需的功。C1与C2的关系可表示为式（3）。

2 国内常见挖泥船真空测量装置应用情况

根据水力式挖泥船（主要指绞吸船及耙吸船）特点[5]，需要配备适宜的真空测量装置。其中相对压差表检测管路内压力值及同高程的海水压力值，因此仅可安装在水下泵吸口前端，相对压力表则可安装在水下泵、舱内泵、甲板泵吸口前端。

绞吸船及耙吸船常规施工工况及对应真空测量装置类型、安装位置等信息统计如表1。

图1 水下泵静置真空测量装置读数计算结果Fig.1 Underwater pump static vacuum measuring device reading calculation result

表1 绞吸船、耙吸船施工工况及真空测量装置信息统计表Table1 Statistical data table for construction conditions and vacuum measuring devicesof cutter suction dredger and trailing suction hopper dredger

绞吸船多数带有水下泵，国外以使用相对压力表为主，而国内2种真空测量装置均有使用，但以相对压差表为主，究其国内外使用习惯的差别，与最初国内建造船舶时认为船舶不开泵施工“读数应为0”的仪表使用习惯有关。

3 不同形式真空测量装置的特点对比

以IHC8527系列、IHC海狸1200系列、天航局“电天牛”系列绞吸船、天航局18 000 m3耙吸船“通程”轮为例，对比各种工况、不同形式真空测量装置的特点，以上4种船型可以涵盖多数工况条件，各船型真空测量装置类型统计见表2。

表2 典型挖泥船真空测量装置使用情况Table 2 Typical dredger vacuum measuring device usage

若将带有水下泵的绞吸船桥架或耙吸船耙臂放入水中，当泥泵处于关闭状态，水下泵前端的相对压力表和相对压差表读数随挖深变化呈现的规律如图1所示。

计算表1对应的各种情况下真空测量装置读数，计算结果如图2所示。

图2 典型挖泥船各工况真空测量装置读数计算结果Fig.2 Calculation resultsof vacuum measuring device for typical dredgers

结合图1和图2，总结2种真空测量装置主要特点和区别。

1）图1显示，当绞吸船桥架或耙吸船耙臂在水面以上时，两种真空测量装置读数均为0；桥架、耙臂放入水中、泥泵关闭状态下，相对压差表读数始终为0，相对压力真空表读数随下放深度线性增大，其读数表示真空测量装置安装位置的相对静水压力，因此可用于校对绞刀下放深度；泥泵开启时，2种真空测量装置均出现读数，但随着挖深变化，相对压差表保持稳定，而相对压力表读数随挖深线性变化。

2）图2显示，不同工况、不同安装位置、不同类型真空测量装置的读数和量程均有不同。

①绞吸船水下泵相对压力表量程下限为-1 bar，上限值与船舶设计挖深及水下泵在桥架位置有关，IHC8527系列绞吸船真空表量程上限值均为1.5 bar，而“天鲸号”相对压力表量程上限为1 bar，但根据计算结果，相对压力表读数可能超过1 bar，建议进行调整。

②计算结果显示，绞吸船水下泵相对压差表读数一般在-1～0 bar或0～1 bar之间，读数的正负取决于传感器程序逻辑。但实际上相对压差表读数的绝对值可能超过1 bar，因此从使用角度考虑，随着工况范围扩大，国内大多数大型挖泥船相对压差表需要优化，量程应扩大至±1.5 bar及以上。

③无水下泵绞吸船采用相对压力表，由于泥泵吃水一般较小，泵前相对压力值在0 bar以下，量程范围一般在-1～0 bar。

④带水下泵耙吸船正常情况下挖深较大，相对压力真空表和相对压差真空表读数一般在0～2.5 bar之间，但相对压力表读数可能出现负值，同时量程范围要留有余量，如通程船水下泵相对压力表量程为-1～4 bar。

⑤耙吸船舱内泵真空测量装置在装舱、吹填过程中均有使用，一级泵装舱时真空测量装置读数范围为-1～1 bar，吹填时读数范围为0～1 bar，二级泵装舱时真空测量装置读数范围为-1～1 bar，吹填时读数范围为0～7 bar，综合考虑，耙吸船一级泵真空测量装置刻度范围一般为-1～1bar，二级泵刻度范围与泥泵性能有关，并留有余量，如通程船刻度范围为-1～12 bar，由于其正压测量范围较大，往往称为真空压力表。

大型绞吸船及耙吸船真空测量装置的推荐量程设置如表3所示，并有如下规律：量程范围跨零的真空测量装置是相对压力表，量程范围不跨零的真空测量装置用在水下泵时为相对压差表，用在非水下泵时为相对压力表。

表3 挖泥船真空测量装置建议量程设置Table 3 Dredger vacuum measuring device recommended rangesetting

3）从物理意义讲，相对压差表仅反映将单位质量泥浆从海水中提升高度h所需的功，包括泥浆的动能、势能以及沿程和局部能量损失，读数绝对值越大表示能量损耗越大。而相对压力表可监控泵前绝对压力值，保证泥泵运行安全，但相对压力表读数随挖深变化范围更大。

基于以上特点，国内部分新造挖泥船也出现设置2种真空测量装置监测系统，这可各自发挥特点，提升复杂工况条件下泥泵运行和管路通畅状态的监测效果。

4 不同形式真空测量装置的施工工艺控制

泥泵泵前绝对压力大于必需汽蚀余量才能保障运行安全[6]。必需汽蚀余量与泥泵的吸入特性有关[7]，多数泥泵汽蚀余量在3.5～5.5 m·H2O，以5 m·H2O为例，需要保证相对压力表读数不低于-0.5 bar，而相对压差表临界值与挖深有关，控制值变化范围大。

表1工况五中耙吸船在吹填时，随着船舶吃水降低，泥泵真空表读数会下降，但相对压力一般不会低至0 bar以下，工况三中耙吸船水下泵装舱，除浅水作业等非常规施工工况外，泵前相对压力值也在0 bar以上。因此工况三、五泥泵汽蚀危险较小。

表1工况一中，带水下泵绞吸船在浅水挖泥时泵前绝对压力接近必需汽蚀余量，此时要注意控制。图3显示汽蚀余量为5 m·H2O时带水下泵绞吸船真空测量装置读数临界值，而在实际施工过程中，很多操作人员会将相对压差表与相对压力表混淆。表4显示某疏浚工程中绞吸船疏浚淤泥质土，挖深18 m，水下泵汽蚀余量为4.5 m·H2O，水下泵真空测量装置采用相对压差表，量程范围为-1.5～0 bar，若与相对压力表混淆，将真空表读数控制在-0.55 bar，输送密度不超过1.18 t/m3，施工效率会降低25%以上，这种错误是应该绝对避免的。

图3 绞吸船水下泵真空测量装置读数临界值Fig.3 Cutter suction dredger underwater pump vacuum measuring device threshold

表4 某工程绞吸船施工参数统计Table4 Construction parameter statisticsof a dredger

另外从计算结果看，表1工况二、工况四也可能发生泥泵汽蚀现象。无水下泵绞吸船在大挖深疏挖淤泥等松软土质时，生产率限制往往是由于挖掘浓度受限导致的，此时要密切关注真空读数，力求泵前压力平稳、接近必需汽蚀余量并留有余量，而耙吸船舱内泵装舱易沉淀土质时，应在装舱之前增加船舶吃水。

此外，工况一、三计算结果显示，对于安装在水下泵前的相对压力表，仪表读数随挖深增加而上升，随输送浓度上升而下降，但对于带水下泵的耙吸船，当挖掘密度超过一定值后，随着挖深增加，相对压力表读数出现下降的趋势。这是由于绞吸船水下泵一般安装在桥架的中间位置，挖深越大则水下泵获得的静压水头越大，而耙吸船水下泵的安装位置更靠近吸口弯管，在挖深增加量一定时，耙吸船水下泵获得的静水压头增量不及绞吸船水下泵。一般在绞吸船、耙吸船面对大挖深工况时，水下泵汽蚀危险不大，只是随着挖深增加，泥泵泵机功率需求会不断攀升，因此配备大功率水下泵的绞吸船、耙吸船是当前挖泥船设计的一种趋势[8]。