大管径钢管浆体输送磨损特性与生命周期分析

袁超哲，杨增海，施宝林，骆佳成，朱 平

（1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200082；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

引言

管道输送，是目前疏浚领域十分常见的介质运输方式。目前，国内疏浚领域已有不少施工企业和研发机构对浆体管道输送阻力和输送性能开展了室内试验[1]、数值模拟[2]、理论分析[3]和现场测试[4-5]等系列工作。然而，针对不同土质输送磨损特性的研究，主要从泥泵磨损特性[6]、输送管道耐磨蚀材质[7-10]、数值模拟分析[11]和单一土质磨损监测分析[12]等方面开展研究，针对不同土质输送条件下磨损特性和剩余生命周期相关的应用类研究成果极少。

本研究依托不同土质吹填工程，开展顺直管道、弯管、爬坡管和下坡管的管壁磨损速率监测，探讨不同土质及管线铺设形式条件下的磨损特性和管线剩余生命周期。

1 工程概述

本研究主要依托连云港疏浚工程的钙化结合物输送工况、小庙洪疏浚工程的细砂输送工况和厦门机场吹填工程的粗砂输送工况，开展不同土质输送条件下，大管径钢质管（Q235-DN850）管壁磨损速率的现场监测。

其中，钙化结合物和粗砂输送工况，均发生过管道磨穿造成漏管、爆管的现象，如图1 所示。

图1 钢质排泥管磨穿

1.1 粗砂输送工况

厦门机场吹填工程中，其疏浚船舶为绞吸船，输送介质为粗砂。其实用流速和浓度分别在4.25～5.55 m/s 和20 %～30 %，监测周期171 天（2016年3 月26 日～2016 年9 月12 日），期间累计输送粗砂约420 万m³。

1.2 钙化结合物输送工况

连云港疏浚工程中，由绞吸船通过钢质排泥管吹填钙化结合物，如图2 所示。其实用输送流速和输送浓度分别在4.80～5.20 m/s 和20 %～30 %。其磨损监测周期93 天（2021 年3 月15 日至2021 年6月15 日），期间累计输送方量约235 万m³。

图2 绞吸船钙化结合物取样

1.3 细砂输送工况

小庙洪疏浚工程中，为绞吸船串联接力泵船，进行细砂的长排距输送，实用流速和浓度分别在4.12～4.39 m/s 和32 %～38 %。其磨损监测周期为40天（2021 年6 月27 日～2021 年8 月5 日），累计输送方量约为145 万m³。

2 管壁磨损量监测方案

针对顺直管段、弯管、上坡管和下坡管，采用如图3 所示管壁磨损监测方案。选取排泥管某一横断面的上部、下部、左侧和右侧分别进行管壁厚度的定期监测。为了保障管壁测点处壁厚的测量精度，对每个测点进行5 次重复测量，并取均值作为其管壁厚度。

图3 排泥管管壁磨损监测示意

图4 所示，为某一排泥管横断面测点的壁厚实测值。并通过疏浚施工船舶船载监测系统，获取磨损监测过程的吹填方量，用于磨损速率的分析和剩余生命周期的预测。

图4 某一排泥管横断面测点的壁厚实测值

为提高磨损速率和剩余生命周期预测的准确性，磨损监测期间疏浚船舶浆体的累计输送方量应大于100 万m³，以此保证管道壁厚磨损量值的可测性。根据前述依托工程概述可知，概化结合物、细砂和粗砂在管壁磨损量监测周期内，累计输送方量均超过了100 万m³。

基于实测管道壁厚磨损值和累计输送方量，通过公式（1）给出不同土质输送条件下横断面最大磨损速率（mm/100 万m³）。

式中：Wr为管道壁的最大磨损速率（mm/100万m³）；Eroi为监测周期内的管壁磨损量（mm）；Proi为磨损监测周期内的管道介质输送量（100 万m³）；Ti-1为第i-1 次测量的管道壁厚（mm）；Ti为第i次测量的管道壁厚（mm）。

3 磨损特性分析

3.1 粗砂磨损特性

粗砂测量了平铺管横断面的磨损特性曲线。由于粗砂颗粒大、含贝壳，极易在管底发生沉积现象，因此管道底部受沉积物保护，磨损量偏小，两侧的磨损量最大。如图5 所示，为某一平铺钢制管横断面的磨损特性曲线。其底部5 号测点处受到沉积粗砂的保护，磨损量最小；底部两侧的磨损量最大。

图5 粗砂不同管线铺设形式的磨损特性曲线

基于图5 所示的磨损量监测结果，后续仅选取顶部1 号点、底部两侧4 号和6 号点和底部5 号点开展磨损量监测与分析。

厦门机场吹填工程中，选取了6 个平铺管的横断面进行磨损量监测。监测期间累计输送了420 万m³粗砂，其磨损特性曲线如图6 所示。可知，其底部最大磨损量为5.35 mm，最大磨损速率为1.39 mm/ 100 万m³。

图6 粗砂输送平铺管磨损特性曲线

3.2 钙化结合物磨损特性

钙化结合物钢质管输送，监测了2 根爬坡管、1 根平铺管和1 根下坡管的磨损量。其磨损量监测点，参考图6 所示粗砂横断面点位。图7 所示，为钙化结合物在不同管线铺设形式条件下钢质管横断面磨损特性曲线。

结合钙化结合物颗粒较大，管道内水流的紊动难以使之起悬的特性进行分析可知，在平铺管底部存在大量钙化结合物滑移运动，使得底部的磨损量最大。磨损量监测期间累计输送了235 万m³钙化结合物，根据图7 平铺管磨损特性曲线的最大磨损量2.54 mm，可知平铺管下方最大磨损速率1.08 mm/ 100 万m³。

图7 钙化结合物不同管线铺设形式的磨损特性曲线

根据爬坡1 和爬坡2 管线磨损特性曲线分析可知，由于钙化结合物在爬坡管段沉积显著，管道底部受到沉积物的保护磨损量较小，左右两侧的磨损量相比于底部更大，其最大磨损量2.79 mm，最大磨损速率1.2 mm/100 万m³。

根据下坡管线磨损特性曲线分析可知，向下的管道内，钙化结合物沉积现象相比于平铺管弱。因此，其底部磨损量最大，两侧次之，顶部最小。管道底部最大磨损量为2.23 mm，最大磨损率为 0.95 mm/100 万m³。

3.3 细砂磨损特性

细砂由于颗粒较小，其沉积效果弱，介质颗粒基本处于悬浮状态。该土质条件下不同管道铺设形式的磨损特性比较统一。如图8 所示磨损特性曲线可知，下部磨损量最大、左侧右侧磨损量次之、上部磨损量最小。

图8 细砂不同管线铺设形式的磨损特性曲线

细砂输送条件下，钢质管磨损监测期间累计输送145 万m³。其中，顺直管最大磨损量0.75 mm，最大磨损速率0.52 mm/100 万m³；爬坡管最大磨损量0.8 mm，最大磨损速率0.55 mm/100 万m³。

3.4 不同土质磨损特性对比分析

结合前述不同输送土质和不同铺设形式条件下钢质管的最大磨损点位及其最大磨损速率，给出了表1 所示的磨损特性汇总，并形成了以下结论：

表1 不同土质最大磨损位置及磨损速速/(mm/100 万m³)

1）较粗颗粒的爬坡管磨损速率相比于平铺管大约11.1 %；较细颗粒的爬坡管相比于平铺管大约5.8 %。

2）不同土质输送条件下，其最大磨损点主要集中在底部及底部两侧位置。

3）对比分析平铺管在不同土质常用疏浚吹填工况下的磨损速率，粗砂磨损速率（1.39 mm/100万m3）最大，钙化结合物（1.08 mm/100 万m3）次之，细砂（0.52 mm/100 万m3）最小。

4 剩余生命周期预测与应用

4.1 剩余生命周期

疏浚吹填工程，钢质排泥管是重要的施工设备组成部分，其剩余生命周期对工程前期管线的配置、施工过程的连续性和安全性具有重要的意义。传统的疏浚吹填过程中，仅根据现场管理人员的经验，对排泥管磨损速率（剩余生命周期）进行主观判断，其误差较大。

因此，本章节基于前述给出的不同土质最大磨损点及其最大磨损速率，并结合不同土质实用输送工况条件下的月产能和Q235-DN850 钢质排泥管壁厚安全裕量，根据公式（2）和公式（3）进行剩余生命周期的预测与分析。

式中:Clife为剩余生命周期（月）；Prolife为剩余可输送方量（万m³）；Promonth为疏浚船舶单月产能（万m³）；Tnew为最新测量获取的管道壁厚（mm）；T0为安全裕量（mm）。

新制钢制管厚度一般有24 mm 和18 mm 两种，另选取12 mm 壁厚旧管进行不同壁厚钢制管可输送方量预测分析。同时，根据钢制管现场感使用情况，壁厚安全裕量约为8 mm。根据公式（3）计算给出了不同剩余壁厚条件下，钢质排泥管的剩余可输送方量，如表2 所示。

基于表2 剩余可输送方量的预测分析结果，结合钙化结合物月吹填产能109 万m3，细砂135 万m3，中粗砂80 万m3，根据公式（2）计算给出了不同剩余壁厚条件下，钢质排泥管的剩余生命周期，如表3 所示。

表2 不同土质钢质排泥管剩余可输送方量

表3 不同壁厚钢制管可输送方量（安全裕量8 mm）

4.2 排泥管全生命周期管理

通过上述剩余可输送方量和剩余生命周期的预测和分析，实现了疏浚吹填工程工前旧管调配、新管设计制造、吹填过程管线排布、竣工后管线入库等管线全生命周期高质量管理。如图9 所示，为排泥管全生命周期管理流程。

图9 排泥管全生命周期管理流程

1）工前调配：针对吹填工程管线排布方案和设计吹填方量，基于相应土质磨损速率和库存旧管剩余可输送方量情况，给出浮管、沉管、岸上主管段、岸上支管段和爬坡管等不同铺设形式管线的配置方案。

2）过程维护：针对岸上主管段配置管线的壁厚情况，结合最大磨损速率，制定翻管计划和旧管换新计划；避免出现单点磨穿，生命周期大大缩短的现象，以此保证管道壁厚的高效利用。

3）竣工管理：吹填工程完成后，通过不同铺设形式管线的累计吹填方量，完成管线剩余壁厚的预测和统计，便于其他吹填工程的调配和使用。

5 结语

综上所述，基于现场实测的不同土质吹填工况条件下DN850-Q235 钢质排泥管最大磨损点位和最大磨损速率，可以精确预测排泥管的剩余可输送方量和剩余生命周期。同时为粗砂、钙化结合物和细砂等土质工况的管线高质量调配和维护工作，提供了可靠的数据支撑。同时所形成的疏浚排泥管全生命周期管理流程，为不同其他吹填土质相关数据的收集和应用奠定了基础。