重型绞吸挖泥船1 m直径排泥管线输送微风化岩特性

王曦巍，刘 昊，李金峰，张亚楠，杨正军

(1.中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450；2.中交天津航道局有限公司，天津 300457；3.天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457)

随着我国“一带一路”倡议的不断推进，海外疏浚工程中遇到的土质越发复杂，尤其对于岩石类坚硬土质的疏浚需求越来越大，传统的炸礁方式由于效率低、环境影响大、危险性高等缺点正逐渐被重型绞吸挖泥船直接开挖岩石的方式替代[1]。国内目前采用重型绞吸挖泥船1 m管径管线输送微风化岩石尚未进行过实际施工，针对此种工况下的管线输送特性的分析研究较少。本文结合现场实船试验，对“天鲲号”自航重型绞吸船[2]输送微风化岩能力进行深入研究，并根据统计数据对常用估算方法的系数给出推荐取值，有助于我国在尖端疏浚技术领域的进步，缩小与国际先进疏浚技术的差距。

1 工程概况

本工程绞吸船排泥管线由水上管、水下管及陆地管共3部分组成。水上管线采用直径1 m、长11.8 m的自浮管组成，管线与管线之间采用螺丝连接。水下及陆地管线采用直径1 m、长6 m钢管与胶套组成，管线与管线之间采用螺丝连接，如图1所示。

图1 水上管线组装

结合绞吸船施工情况，选取岩石输送工况为：土质为碎石、岩石，中值粒径为30 mm，管径为1 m，管线长度为546 m，其中自浮管260 m、陆地管286 m，缩口780 mm。对该工况下的输送过程的施工关键参数[3]进行统计，并对泥泵扬程、泥泵效率、磨阻系数等进行计算。

2 泥泵扬程及泥泵效率分析

根据水下泵真空表和排压表布设位置，计算在不同挖深情况下真空表与排压表的高程差如图2所示，据此计算绞吸船在不同挖深情况下水下泵的泥泵扬程和泥泵效率。

图2 排压表与真空表高程差

泥泵扬程计算公式为：

(1)

式中：H为泥泵扬程(m水柱)；ρw为海水密度(t/m3)；p1为真空表位置处的绝对压强(kPa)；p2为排压表位置处的绝对压强(kPa)；Z为排压表与真空表的高程差(m)。

以不同的疏浚施工工况为例，统计现场施工数据计算泥泵扬程和泥泵效率。不同输送密度情况下的输送流量、泥泵转速与扬程的关系如图3所示。

图3 不同密度泥泵扬程曲线

以上计算结果为绞吸船水下泵在不同泥泵转速、不同输送密度、不同流量情况下的扬程。计算结果显示，泥泵扬程随流量减小而升高，与泥泵转速的平方基本呈正比。

根据《疏浚与吹填工程设计规范》[4]，泥泵泥浆扬程宜按以下公式计算：

Hm=Hw[KH(ρm-1)+1]

(2)

ρm=(ρ-ρw)ρ′+ρw

(3)

式中：Hm为泥泵泥浆扬程(m)；Hw为泥泵清水扬程(m)；KH为泥泵泥浆扬程土质换算系数；ρm为泥浆密度(t/m3)；ρ为天然土密度(t/m3)；ρ′为泥浆天然体积浓度(%)；ρw为海水密度(t/m3)。根据式(2)(3)推算泥泵泥浆扬程土质换算系数KH见表1。

表1 泥泵泥浆扬程土质换算系数KH推算结果

KH的计算结果显示，其整体平均值为0.33，KH与密度相关性不大，不同密度的取值平均值分别为0.34、0.34、0.33、0.33、0.32，而与流量对应关系见表2。可以看出，KH值存在峰值，在流量较高和较低时，KH值均会下降。

表2 KH推荐值

泥泵效率计算公式为：

(4)

式中：η为泥泵效率(%)；N水为泥泵清水功率(kW)；N轴为泥泵轴功率(kW)。结合施工统计数据，采用式(4)计算施工工况下绞吸船水下泵的泥泵效率，计算结果见表3。

表3 泥泵效率计算结果

对泥泵效率的计算结果进行分析，泥泵挂浆后效率比清水效率的下降幅度与泥浆密度关系见表4。

表4 泥泵效率下降百分比

3 管线摩阻系数分析

泥泵总排压可按下式计算：

(5)

式中：pm为输送泥浆时泥泵总排压(m水柱)；λm为管路浆体摩阻系数；D为管线直径(m)；v为管内泥浆流速(m/s)；X为排压测量仪器所在位置高程(m)；Z为管口中心点位置高程(m)；L为折算成标准钢管的长度(m)。

依据式(5)，在已知施工排压、流速、管径、管线长度、管口高程与排出传感器高程差的情况下可反算求出摩阻系数λm。结合施工统计数据，计算该工况下绞吸船1 m管径钢管摩阻系数λm，结果如图4所示。

图4 12 m钢管串联时不同密度、流速对应的摩阻系数

不同流速下计算的摩阻系数平均值见表5。

表5 1 m管径钢管摩阻系数λm平均值与流速关系

基于摩阻系数计算模型的基本原理，编制阻力系数计算软件，通过设定计算时间步长和其他边界条件、导入施工数据，计算标准管线管阻系数与流速、颗粒浓度等关系后，反算《疏浚与吹填工程设计规范》中推荐的管路输送杜兰德模型中的实验系数KD：

(6)

式中：KD为杜兰德系数；Im为泥浆水力梯度；If为清水水力梯度；Cvd为土颗粒体积浓度(%)；vm为泥浆流速(m/s)；D为管路直径(m)；ρs为土颗粒密度(t/m3)；d为土颗粒平均粒径(m)；vt为土颗粒沉降速度(m/s)。

计算过程的边界条件中考虑了泥沙颗粒滑移比、输送管路中不同管径[5]等因素。计算结果见表6。

表6 实验系数KD与土颗粒浓度关系

《疏浚与吹填工程设计规范》对式(6)中的试验系数KD推荐取值为121，通过对1 m管径输送30 mm中值粒径的微风化岩石工况的实际计算，实验系数KD的值会随着土颗粒粒径和土颗粒浓度的变大而减小。为便于使用，现将管径1 m时输送30 mm中值粒径的微风化岩石的杜兰德模型中实验系数KD推荐值见表7。

表7 管径1 m实验系数推荐值

4 结语

1)依托国外某疏浚工程，对重型绞吸船“天鲲号”首次采用1 m管径的管道输送30 mm中值粒径微风化岩工况的施工数据进行统计分析，总结归纳“天鲲号”水下泵不同转速、密度、流量等情况下的泥泵扬程及泵效、输送管路不同密度及流速下对应的摩阻系数，掌握了自航式重型绞吸挖泥船“天鲲号”输送微风化岩的施工关键技术。

2)通过对“天鲲号”水下泵的泥泵扬程及泵效的分析，对《疏浚与吹填工程设计规范》中推荐的泥泵泥浆扬程计算公式中的土质换算系数KH进行了重新计算，针对1 m管径管线输送30 mm中值粒径微风化岩的工况总结出不同情况下的KH的推荐值。

3)通过对“天鲲号”输送管路摩阻系数进行分析，对《疏浚与吹填工程设计规范》中推荐的管路输送杜兰德模型中的实验系数KD进行了重新计算，针对1 m管径管线输送30 mm中值粒径微风化岩的工况总结出不同情况下KD的推荐值。