熊 庭 楊 文 鄧 勇 劉建偉 曹 福 李善奇

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (長(zhǎng)江宜昌航道工程局2) 宜昌 443003)

絞吸挖泥船泥漿管道輸送模型構(gòu)建*

熊 庭1)楊 文1)鄧 勇2)劉建偉2)曹 福2)李善奇2)

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1)武漢 430063) (長(zhǎng)江宜昌航道工程局2)宜昌 443003)

根據(jù)絞吸式挖泥船泥漿輸送過(guò)程和輸送原理，構(gòu)建了絞吸挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)模型，根據(jù)模型可確定不同體積分?jǐn)?shù)下泥漿的實(shí)用流速，通過(guò)泥漿輸送過(guò)程中管路揚(yáng)程和泥泵揚(yáng)程的計(jì)算，確定施工工況點(diǎn)，可求出不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下的流量和施工產(chǎn)量.同時(shí)，根據(jù)實(shí)船“長(zhǎng)獅10”單泵施工數(shù)據(jù)，對(duì)泥漿輸送模型中泥漿實(shí)用流速、施工產(chǎn)量進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，實(shí)船施工數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致，誤差在可控范圍內(nèi).

絞吸船；泥漿管道輸送；模型構(gòu)建；實(shí)船驗(yàn)證

絞吸式挖泥船是目前廣泛運(yùn)用的一種疏浚設(shè)備，運(yùn)用于沿海和內(nèi)河港口航道的建設(shè)與維護(hù)、河道與湖泊清淤工程，以及環(huán)保疏浚建設(shè)中.泥漿管道輸送系統(tǒng)是絞吸挖泥船十分重要的組成部分，對(duì)疏浚施工效率影響十分大，也是施工中的主要能耗系統(tǒng)之一.正確的泥漿管道輸送系統(tǒng)模型是施工操作和施工動(dòng)態(tài)優(yōu)化的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于絞吸船新船建設(shè)和舊船改造也具有積極意義.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)泥漿管道輸送進(jìn)行了一系列的研究，這些工作對(duì)于分析泥漿輸送具有積極意義[1-4].但多數(shù)研究均是根據(jù)理論模型和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)推導(dǎo)而成，沒(méi)有實(shí)際船舶的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的驗(yàn)證.

針對(duì)泥漿管道輸送過(guò)程，本文建立了管道輸送模型，可利用該模型計(jì)算出不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下的實(shí)用流速以及施工產(chǎn)量，同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)江宜昌航道工程局提供的實(shí)船試驗(yàn)船舶“長(zhǎng)獅10”的施工數(shù)據(jù)對(duì)泥漿管道輸送模型進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 泥漿管道輸送模型

1.1 管路流速確定

1) 根據(jù)實(shí)際施工中泥漿體積分?jǐn)?shù)和吸排泥管直徑確定管路臨界流速 對(duì)于平均粒徑小于0.55 mm的粘土，以及粉土，其臨界流速為[5]

(1)

式中：vc1為泥漿臨界速度，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；CV為疏浚泥土顆粒體積分?jǐn)?shù)；Dp為排泥管內(nèi)徑，m；ds為疏浚泥土顆粒平均粒徑，可參考土質(zhì)參數(shù)表1，利用插值法取土壤顆粒平均粒徑；ρs為疏浚泥土顆粒密度，t/m3.

當(dāng)數(shù)據(jù)土質(zhì)平均粒徑大于0.05 mm時(shí)，按下式計(jì)算.

(2)

式中：vss為顆粒在靜水中的沉降速度，m/s，可參考表1選??；ds為疏浚泥土顆粒平均粒徑，mm.

表1 土質(zhì)參數(shù)表

2) 按照實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)確定臨界流速 根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，臨界流速可按照表2確定.當(dāng)挖泥船排泥管徑為560mm，施工工況為中、細(xì)砂(以細(xì)砂為主)，選擇的臨界流速vc2=3.6m/s.若管中流速過(guò)高，將會(huì)加大泥管的磨損；若過(guò)低又將引起關(guān)內(nèi)泥漿沉淀而淤積.目前國(guó)家沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一般選擇臨界流速比計(jì)算值略大而經(jīng)驗(yàn)值.

表2 臨界流速參考值

3) 實(shí)用流速的確定 實(shí)用流速，即為經(jīng)濟(jì)流速，應(yīng)按下列要求選取：盡量使體積分?jǐn)?shù)最大，不使體積分?jǐn)?shù)受流速提高的影響；避免管路泥漿摩阻增加太多，當(dāng)細(xì)顆粒土摩阻較小時(shí)，可適當(dāng)增大流速；土質(zhì)復(fù)雜，體積分?jǐn)?shù)變化大，流速可適當(dāng)增大；較大的流速摩阻增大、泥泵功率增加，如能提高生產(chǎn)率，降低比油耗率，則仍取較大流速；如果實(shí)用流速選擇太小，管道中泥沙將淤積甚至堵塞，造成施工減產(chǎn)甚至停工.

實(shí)用流速的選擇應(yīng)與挖掘生產(chǎn)率相匹配.絞吸式挖泥船挖掘生產(chǎn)率不但與土質(zhì)、絞刀的功率和性能有關(guān)，還與泥泵所能產(chǎn)生的吸入流量有關(guān).

計(jì)算法可按下式進(jìn)行初步計(jì)算.

(3)

式中：vp為實(shí)用最低流速，m/s；vc為臨界流速，m/s，按輸泥平均體積分?jǐn)?shù)計(jì)算；Kv為相關(guān)系數(shù)，

按表3選取.

表3 實(shí)用流速系數(shù)表

按照凱夫公式計(jì)算沉降速度.

(4)

將沉降速度與實(shí)用流速進(jìn)行對(duì)比分析，以進(jìn)一步確認(rèn)在設(shè)計(jì)工況流速下不會(huì)發(fā)生沉降.根據(jù)上述2種算法，排泥管內(nèi)實(shí)際流速按較大值選取.

1.2 管路揚(yáng)程計(jì)算

當(dāng)承建的施工項(xiàng)目確定以后，相應(yīng)的工況條件也就基本確定，如開挖的土質(zhì)、所需的排距及相應(yīng)的排高，因而所需的揚(yáng)程也就基本確定.

1) 泥管折算長(zhǎng)度計(jì)算 為便于計(jì)算說(shuō)明，本文中排泥管內(nèi)徑與水上、水下，以及陸上管內(nèi)徑一致.根據(jù)船上管、水上管對(duì)陸上管長(zhǎng)的折算比，以及吸排泥管附件局部阻力的折算長(zhǎng)度比可以分別計(jì)算出吸泥管的折算長(zhǎng)度∑L1s和排泥管的折算長(zhǎng)度∑L1p.折算比可參考表4、表5.

表4 船上管、水上管對(duì)陸上管長(zhǎng)的折算比

表5 不同管徑局部阻力的折算長(zhǎng)度

膠套、彎管折算岸管長(zhǎng)度計(jì)算公式為[6]

(5)

式中：l為折算為岸管的長(zhǎng)度,m；ζw為清水局部阻力系數(shù)；λw為清水沿程阻力系數(shù).

(6)

其中：c為管壁粗糙系數(shù)，管壁光滑1.676 7，新制焊接管1.948，修補(bǔ)舊管2.219 90(適用于管徑400～1 000 mm)；d為泥管內(nèi)徑，mm.

輸泥管路中使用的彎管均為圓管均順轉(zhuǎn)彎的彎管，彎管清水局部阻力系數(shù)ζw為[7]：

(7)

式中：R為泥管彎曲半徑,m;θ為彎管角度，(°).根據(jù)計(jì)算，90°彎管ζw取為1.03，60°彎管取為0.48，45°彎管取為0.31，30°彎管取為017.

2) 管路總耗用清水水頭計(jì)算 管路的水頭損失即耗用的清水水頭大致可概括為4個(gè)部分.

(1) 由于排高所損失的水頭H1

(8)

式中：Z為排高， m；ρw為清水密度，t/m3.

(2) 管路的沿程損失H2

(9)

式中：λw1為吸泥管沿程阻力系數(shù)；λw2為排泥管沿程阻力系數(shù)；∑L1s1為吸泥管折算長(zhǎng)度，m(不含吸泥管中的附件局部阻力的折算長(zhǎng)度)；∑L1p1為排泥管折算長(zhǎng)度,m(不含排泥管中的附件局部阻力的折算長(zhǎng)度)；Ds為吸泥管內(nèi)徑，m；Dp為排泥管內(nèi)徑，m；vs為吸泥管內(nèi)流速，m/s；vp為排泥管內(nèi)流速，m/s.

(3) 管路中，附件局部阻力引起的水頭損失，如吸口、彎頭、接頭等引起的水頭損失，第一部分為吸泥管中局部阻力引起的水頭損失，第二部分為排泥管(含水上管、沉管、陸上管等)引起的水頭損失：

(10)

式中：∑λw3為吸泥管附件阻力系數(shù)之和；∑λw4為排泥管附件阻力系數(shù)之和.

(4) 管路出口的流速所產(chǎn)生的速度損失水頭

(11)

管路總耗用的清水水頭為

(12)

根據(jù)吸泥管、排泥管(含水上管、沉管、陸上管等)以及吸排泥管中附件局部阻力折算的直管長(zhǎng)度，管路總耗用清水水頭可簡(jiǎn)化為

(13)

式中：∑L1s為吸泥管折算后的長(zhǎng)度，m；∑L1d為排泥管折算后的長(zhǎng)度，m；vs為吸泥管平均流速；Ds為吸泥管內(nèi)徑，mm；Dp為排泥管內(nèi)徑，mm；為吸泥管沿程阻力系數(shù)；λw2為排泥管沿程阻力系數(shù)；ρw為清水密度，t/m3；Z為水面至排泥管出口中心垂直距離，即排高，m.

由此，可以計(jì)算出管路總耗用清水揚(yáng)程.

3) 管路總耗用泥漿水頭計(jì)算

(1) 泥漿沿程摩阻系數(shù)λm為[8]

(14)

式中：β為土壤系數(shù)，淤泥2.5，細(xì)砂3.0，粗砂4.0，礫石5.0，珊瑚礁等粒徑較大且有棱角取7.0；ρm為泥漿密度，t/m3；ρw為清水密度，t/m3.

(2) 根據(jù)泥漿沿程摩阻系數(shù)，可以計(jì)算出管路總耗泥漿水頭Hm為

(15)

式中：y為水面離海底的距離，即挖深，m.

1.3 泥泵揚(yáng)程計(jì)算

1) 泥泵清水特性曲線擬合[9]在泥泵出廠時(shí)，廠家大多會(huì)提供泥泵清水特性數(shù)據(jù)，在泥泵使用初期，泥泵磨損較小，可以直接采用廠家提供的泥泵清水特性數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件擬合出其表達(dá)式.

利用Matlab軟件的Polyfit多項(xiàng)式擬合函數(shù)進(jìn)行擬合，得到泥泵清水Q-H曲線的關(guān)系式為

H=-0.437 7Q3+1.340 2Q2+

(16)

得到的泥泵清水特性Q-H曲線見(jiàn)圖1.

圖1 Matlab擬合的泥泵Q-H曲線

2) 泥泵泥漿特性的換算 泥泵的泥漿揚(yáng)程Hm、不同土質(zhì)的泥漿密度ρm、不同土質(zhì)的泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)CV可分別按下式進(jìn)行換算：

(17)

(18)

(19)

式中：Hm為泥泵輸送泥漿時(shí)的揚(yáng)程，kPa；Hw為泥泵輸送清水時(shí)的揚(yáng)程，kPa；ρm為泥漿密度，t/m3；KH為土質(zhì)換算系數(shù)；r為天然土密度，t/m3；ρw為水密度，t/m3，海水取1.025，清水取1.00；C為泥漿天然土體積密度，%；CV為土顆粒體積密度，%；ρs為土顆粒密度，t/m3.

土質(zhì)換算系數(shù)KH的取值見(jiàn)表6.

表6 泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)表

1.4 工況點(diǎn)的確定

泥泵輸出的總水頭稱之為有效總水頭，泥泵輸出的有效總水頭曲線和管路需要的總水頭曲線的相交區(qū)域，即為泥泵及管路系統(tǒng)的工作區(qū)域，泥泵和管道Q-H特性曲線的交點(diǎn)挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)的工況點(diǎn).

在實(shí)際施工模型計(jì)算中，根據(jù)施工過(guò)程中泥泵和管路的水頭曲線，利用matlab軟件擬合出絞吸式挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)施工工況點(diǎn)，見(jiàn)圖2，為長(zhǎng)江宜昌航道工程局“長(zhǎng)獅10”絞吸船在單泵施工條件下、淤泥質(zhì)土質(zhì)、泥漿體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)特定排泥距離時(shí)的工況點(diǎn).

圖2 “長(zhǎng)獅10”單泵施工工況點(diǎn)擬合圖

在泥泵和管道基本參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)工況點(diǎn)主要受到泥漿體積分?jǐn)?shù)和流量這一對(duì)因素的支配.泥漿體積分?jǐn)?shù)與泥泵和管道Q-H特性有著密切的關(guān)系，隨著泥漿體積分?jǐn)?shù)的升高，管道沿程阻力損失變大，泥泵的出口壓力也隨著泥漿體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，當(dāng)泥漿體積分?jǐn)?shù)降低時(shí)情況恰好相反，所以泥漿體積分?jǐn)?shù)的變化直接引起系統(tǒng)工況點(diǎn)的變化.泥漿流速是影響泥泵和管道Q-H特性的另一個(gè)重要參量，它直接影響到疏浚的產(chǎn)量和吸揚(yáng)系統(tǒng)的效率，而且關(guān)系到管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行.泥漿流速直接影響到泥漿的流動(dòng)狀態(tài)，而泥漿的流動(dòng)狀態(tài)又直接影響到管路的阻力損失.當(dāng)泥漿流速較高時(shí)，泥漿的紊動(dòng)較強(qiáng)，管路中的泥沙就會(huì)隨水一起流動(dòng)；當(dāng)泥漿流速較低時(shí)，泥漿的紊動(dòng)就較弱，管路中的泥沙就可能會(huì)沉積于管道底部，嚴(yán)重時(shí)甚

至引起堵管、爆管和拉管等故障.

2 實(shí)船施工介紹

“長(zhǎng)獅10”輪是由江蘇海新船重工廠為長(zhǎng)江宜昌航道工程局建造的新型非自航絞吸式挖泥船，可以挖掘淤泥、粘土、砂質(zhì)土等疏浚土質(zhì)，標(biāo)定疏浚能力約為4 500 m3/h.

黃驊港綜合港區(qū)航道疏浚施工項(xiàng)目為長(zhǎng)江宜昌航道工程局在沿海的一重大項(xiàng)目，主要是為滄州港務(wù)集團(tuán)完成黃驊港港口深水航道疏浚建設(shè)，并利用挖掘的泥土吹填出港口岸線.根據(jù)泥漿排距、疏浚土質(zhì)和施工的要求，“長(zhǎng)獅10”分別采用單泵、雙泵施工.本文利用“長(zhǎng)獅10”集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)單泵施工的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)絞吸船泥漿管道輸送模型進(jìn)行驗(yàn)證.實(shí)際施工時(shí)泥漿排距1 000 m左右，挖深約為17 m，疏浚土質(zhì)為淤泥.

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 數(shù)據(jù)對(duì)比

1) 據(jù)模型可以計(jì)算出不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下的泥漿流速值，施工中的實(shí)際流速值和模型計(jì)算的泥漿流速值對(duì)比見(jiàn)圖3，以施工中實(shí)際流速為標(biāo)準(zhǔn)，理論計(jì)算的泥漿流速相比實(shí)際泥漿流速的誤差見(jiàn)圖4.

圖3 不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下理論流速和實(shí)際流速對(duì)比圖

圖4 不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下理論流速誤差圖

由圖3、圖4可以看出，在不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下，泥漿理論實(shí)用流速較實(shí)際流速小.以實(shí)際流速為標(biāo)準(zhǔn)，泥漿理論實(shí)用流速小于實(shí)際流速12%～18%.

2) 不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下施工產(chǎn)量和模型計(jì)算產(chǎn)量對(duì)比見(jiàn)圖5，以實(shí)際施工產(chǎn)量為標(biāo)準(zhǔn)，理論計(jì)算的施工產(chǎn)量相比實(shí)際施工產(chǎn)量的誤差見(jiàn)圖6.由圖5～6可以看出，理論施工產(chǎn)量在實(shí)際施工產(chǎn)量附近波動(dòng)，誤差基本在10%以內(nèi).

3.2 對(duì)比結(jié)果分析

1) 實(shí)際流速大于理論實(shí)用流速12%～18%，且在體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)實(shí)際流速大于理論實(shí)用流速的幅度較大，在達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)時(shí)實(shí)際流速大于

圖5 不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量對(duì)比圖

圖6 不同泥漿體積分?jǐn)?shù)下理論產(chǎn)量誤差圖

理論實(shí)用流速的幅度相對(duì)較低.

在實(shí)際施工中操作人員為了防止管道堵塞人為的增加了泥泵轉(zhuǎn)速，故而實(shí)際流速大于理論流速.同時(shí)，為方便操作，實(shí)際施工時(shí)，為減少對(duì)柴油機(jī)的損耗，操作員習(xí)慣于使泥泵處于額定轉(zhuǎn)速的80%，85%，90%，95%當(dāng)中的一檔，使得泥漿流速往往穩(wěn)定在某一值附近，當(dāng)施工情況變化較大時(shí)，才對(duì)泥泵的施工轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整.由于泥漿體積分?jǐn)?shù)的不斷變化，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，所需的理論流速相對(duì)較低，故而實(shí)際流速大于理論流速的幅度較大，當(dāng)泥漿體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，所需的理論流速相對(duì)較高，所以實(shí)際流速大于理論流速的幅度較小.

2) 理論施工產(chǎn)量與實(shí)際施工產(chǎn)量的偏離基本在10%以內(nèi).

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)“長(zhǎng)獅10”實(shí)船試驗(yàn)參數(shù)，代入絞吸式泥漿管道輸送模型中進(jìn)行計(jì)算，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差在一定范圍內(nèi)，模型整體正確.

2) 在不同的泥漿體積分?jǐn)?shù)下，泥漿實(shí)際流速大于理論流速12%～18%，這主要是由于操作人員為防止堵管，人為的增加泥漿流速所造成.

3) 在泥漿管道輸送模型參數(shù)選取過(guò)程中，應(yīng)考慮施工中設(shè)備實(shí)際情況以及施工設(shè)備的安裝工藝等具體情況，當(dāng)參數(shù)在一定范圍數(shù)值內(nèi)時(shí)，建議選擇其中偏大的值.

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The Construction of Cutter Suction Dredger Slurry Pipeline Transport Model

XIONG Ting1)YANG Wen1)DENG Yong2)LIU Jianwei2)CAO Fu2)LI Shanqi2)

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan43006,China)1)(YangtzeRiverYichangWaterwayEngineeringBureau,Yichang443003,China)2)

As for slurry transportation of suction dredger, this paper builds a pipeline transportation system model for it, based on its processes and principles. The model can help to identify the real-time flow rates of different concentrated slurries, to locate the perfect operating areas by the calculation of pipeline lift and pump lift, and to get the quantity of flow and the output of slurry production under conditions of different slurry concentrations. Besides, data has been collected from one-pump production of real ship “Chang Shi 10” to verify practically the quantity of flow and the slurry output gained from the above pipeline transportation system model. The comparison results show that the actual production data is in good consistency with the theoretical calculation and its error is in a controlled range.

suction dredger; pipeline slurry transportation; model building; real ship verification

2015-01-12

*國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51179144)、長(zhǎng)江宜昌航道工程局計(jì)劃資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：20143h0337)資助

U615

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.006

熊 庭(1982- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槭杩９こ膛c管道輸送技術(shù)