張永偉 張紅杰 侯石景

（1.河南省中原水利水電工程集團有限公司 河南 濮陽 457000；2.濮陽黃河河務局水上搶險隊 河南 濮陽 457000）

1 研發(fā)背景

放淤固堤施工技術是黃河下游堤防加固的主要技術方法，在堤防淤背加固施工過程中，該技術已得到普及使用。但在多年的淤筑施工實踐過程中，泥沙輸送系統(tǒng)普遍存在的以下技術問題，影響了工程施工的效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1.1 輸送泥漿含沙量不能實時定量檢測

淤筑施工過程中，輸送泥漿含沙量是泥沙輸送整套系統(tǒng)正常工作的重要影響因素，以往的施工主要根據(jù)施工人員的經(jīng)驗定性地判斷泥漿含沙量，做不到定量化檢測，準確度很差，并且不能做到實時對輸送泥漿含沙量的監(jiān)控。一般放淤固堤工程的泥沙輸送距離平均達6km，必須及時準確掌握輸送泥漿含沙量，當輸送泥漿含沙量大時，隨著輸送距離和輸送壓力的變化，容易發(fā)生管道堵塞；當輸送泥漿含沙量小時，單位時間的泥漿搬運量減少，工作效率變低，施工成本增加，施工效益變差。

1.2 管道經(jīng)常發(fā)生局部崩裂破壞現(xiàn)象

由于泥沙輸送距離長，管道需要承受的工作壓力大，施工過程當中，輸沙管道經(jīng)常發(fā)生局部崩裂破壞現(xiàn)象，造成施工停機維修，增加了停機時間和維修成本。

1.3 接力泵氣蝕破壞嚴重

流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。常發(fā)生在如離心泵葉片葉端的高速減壓區(qū)，在此形成空穴，空穴在高壓區(qū)被壓破并產(chǎn)生沖擊壓力，破壞金屬表面上的保護膜，而使腐蝕速度加快。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細小的麻點，然后逐漸擴大成洞穴。淤筑施工過程中，由于輸沙距離較遠，管道較長，輸沙過程中隨著距離的變化輸送壓力衰減，這就需要中間加裝離心式接力泵，對輸送泥漿加壓，提高泥漿的輸送壓力，加大泥漿的輸送速度。但是從多年的施工實踐發(fā)現(xiàn)，接力泵氣蝕問題嚴重，加快了泵殼和葉輪的磨損，造成離心泵振動加劇，噪聲大，并出現(xiàn)壓力和流量脈動現(xiàn)象等，使其工作效率下降。

1.3.1 產(chǎn)生振動和噪聲

氣泡潰滅時，液體質點互相撞擊，同時也撞擊金屬表面，產(chǎn)生各種頻率的噪聲，嚴重時可聽見泵內(nèi)有“劈啪”的爆炸聲，同時引起機組振動。

1.3.2 降低泵的性能

氣蝕產(chǎn)生了大量的氣泡，堵塞了流道，破壞了泵內(nèi)液體的連續(xù)流動，使泵的流量、揚程和效率明顯下降。

1.3.3 破壞過流部件

因機械剝蝕和電化學腐蝕的作用，使金屬材料發(fā)生破壞，通常受氣蝕破壞的部位多在葉輪出口附近和排液室進口附近。氣蝕初期，表現(xiàn)為金屬表面出現(xiàn)麻點，繼而表面呈現(xiàn)海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡；嚴重時可造成葉片或前后蓋板穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴重事故。

1.4 淤區(qū)平整度很難控制

根據(jù)多年的淤筑工程的實踐發(fā)現(xiàn)，在多項工程淤填即將完工時，都存在淤區(qū)平整度控制問題的困擾，普遍存在淤填的高差懸殊較大，在蓋頂時需要投入大量的工時進行平整，降低了工作效率，影響了施工進度。

1.5 淤筑方向需停機轉換

在工程的施工過程中，在改變淤筑方向時，傳統(tǒng)做法就是停機改變泥漿出口工作位置，這樣就增加了停機時間，而且需投入一定的工時進行淤筑方向改變，這樣勢必影響整個系統(tǒng)的工作效率，同時增加了施工成本。

針對以上問題，組織成立了技術攻關小組，不斷探索和研究，做了大量的實驗工作，并在工程實踐中得到應用。通過技術改造后的泥漿輸送設備系統(tǒng)，很好地解決了上述問題，提高了工作效率。

2 工作原理

2.1 含沙量測定原理

通過在泥漿輸送管道監(jiān)測點加裝測沙閥，可采樣定量測定泥漿中的含沙量，并對各個監(jiān)測點含沙量進行測定和分析，調(diào)節(jié)輸沙壓力值；通過在泥漿輸送管道監(jiān)測點設置壓力表，可以實時監(jiān)測輸送管道內(nèi)部各監(jiān)測點的液體壓力，通過壓力分析，確定加壓和減壓操作，調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉速，保證管道內(nèi)部壓力低于管道本身的承載能力，確保泥漿正常的輸送生產(chǎn)而管道不發(fā)生堵塞、爆裂破壞現(xiàn)象。

2.2 防氣蝕工作原理

對于接力泵存在的嚴重氣蝕問題，根據(jù)多年實踐經(jīng)驗和工程實際工況對氣蝕原因進行分析和研究，對原有離心接力泵結構進行改造，加裝了減少離心泵氣蝕自動裝置。

圖1 排氣閥、壓力表、測沙閥安裝位置

圖2 防氣蝕安裝位置

圖3 淤區(qū)整平閥示意圖

由于泥漿長距離傳輸，接力泵進口處壓力衰減，并且由于離心泵工作導致泵心部壓力急劇減小形成負壓，導致輸送水氣化形成大量氣泡，并且原來水中溶解的氣體大量溢出，隨著葉片的高速旋轉，在離心力的作用下氣泡迅速到達葉輪外徑，這個時候該區(qū)域有很高的正壓，水迅速液化，氣泡瞬時凝結潰滅，在氣泡凝結潰滅的瞬間，氣泡周圍的液體迅速沖入氣泡凝失形成的空穴，形成強大的局部高頻高壓水擊，金屬表面因疲勞而產(chǎn)生剝蝕。同時，由于活潑氣體（如氧氣）的存在以及氣泡凝結時產(chǎn)生的局部高溫，導致金屬表面發(fā)生電化學腐蝕。

該減少離心泵氣蝕自動裝置主要包括壓力表、壓力繼電器、濾板、手控閥門、電磁換向閥、排氣管等。在離心泵進口處安裝壓力表和壓力繼電器，測定泵進口處壓力，作為控制電磁換向閥換向排氣控制壓力信號，排氣裝置安裝在離心泵殼體的最頂端（如圖1），利于氣體的揮發(fā)排除。減少氣蝕自動裝置部件外部結構（如圖2），底端濾網(wǎng)裝于蝸殼頂端，離心泵內(nèi)氣體通過濾網(wǎng)和開啟的手控閥門及開啟的電磁閥通過放氣管排除，大大減少蝸殼內(nèi)氣泡量，從而減少氣泡在擋板、蝸殼、葉輪表面爆裂產(chǎn)生的高壓高頻撞擊，導致金屬表面疲勞而發(fā)生氣蝕的幾率。通過工程實驗和大量的工程實踐證明，防氣蝕自動裝置的應用，較好的保護了離心泵的葉輪、蝸殼和擋板，使接力泵工作性能更為穩(wěn)定。

2.3 淤區(qū)平整度控制原理

對于淤區(qū)平整度問題，通過將安裝有多個閥門的淤區(qū)整平閥鋪設在淤區(qū)中間附近，根據(jù)淤筑工作進度和現(xiàn)場的淤筑作業(yè)，選擇性打開不同出漿閥門，使泥漿均勻流向指定位置，保證淤區(qū)作業(yè)面的平整度。另外由于平整管長距離深入淤筑區(qū)，作業(yè)面范圍加大，只需選擇打開不同出漿閥就可以改變淤筑方向，無需停機操作，節(jié)約大量的工時，工作效率提高顯著。

3 研發(fā)過程

3.1 安裝測沙閥門，解決了不能準確掌握輸送泥漿含沙量問題

2009 年在濮陽標準化堤防工程施工時，輸沙距離長達7km之余，經(jīng)常出現(xiàn)堵管和含沙量較低的現(xiàn)象發(fā)生，為了避免此現(xiàn)象發(fā)生，在抽沙船上的抽沙泵出水口2m-3m的輸沙管道上、接力泵進水口處各安裝測沙閥門1個，隨時測量抽沙泵和接力泵的含沙量。根據(jù)測量情況，及時調(diào)整抽沙泵的深淺程度，使含沙量達到最佳狀態(tài)，杜絕了堵管和含沙量較低的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 安裝減少氣蝕自動裝置，最大程度降低了接力泵氣蝕損壞程度

2010 年在范縣標準化堤防建設一標二單元施工中，在接力泵的進水口處安裝了減少氣蝕自動裝置，使管道氣體自動排出，最大程度降低了氣蝕對葉輪及泵殼的損壞程度，延長了葉輪及泵殼的使用壽命（3-6個月）。

3.3 安裝壓力表，解決了管道崩裂或堵管現(xiàn)象

在沒有安裝壓力表時，抽沙船和接力泵處的工作人員，只能憑施工經(jīng)驗和聽管道中的水速，調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉速，在配合不當時就要產(chǎn)生管道崩裂或堵管現(xiàn)象。

2011 年在山東鄄城標準化堤防建設施工中，在抽沙船出水口和接力泵進出水口處分別安裝壓力表，通過觀察壓力表的讀數(shù)，及時調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉速，避免了堵管和爆管事故的發(fā)生。

3.4 安裝淤區(qū)整平閥門，提高了淤區(qū)平整度，也解決了改變淤筑方向時的停工問題

2013 年在濮陽標準化堤防建設3標施工中，在淤區(qū)管道上安裝整平閥門，根據(jù)淤填平整度的要求，在不停工的情況下，即可隨時調(diào)整淤筑位置，大大提高了淤區(qū)平整度。

4 主要技術參數(shù)

1.Φ50測沙閥門；

2.Φ32自動放氣閥門；

3.壓力表Y100型；

4.淤區(qū)整平閥選用Φ300～Φ400閥門。

5 主要創(chuàng)新點

（1）實現(xiàn)了輸送泥漿含沙量的實時監(jiān)控，解決了憑經(jīng)驗估計含沙量的弊端，保證了泥漿含沙量的最佳狀態(tài)，使生產(chǎn)效率得到了很大地提高。

（2）彌補了接力泵的缺陷。購買的接力泵沒有放氣裝置，容易產(chǎn)生嚴重的氣蝕現(xiàn)象，使泵殼和葉輪嚴重磨蝕。減少氣蝕自動裝置的安裝，延長了接力泵的使用壽命，減少了設備維修費用。

（3）實現(xiàn)了管道壓力最佳狀態(tài)。安裝壓力表后，根據(jù)壓力表的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉速，使管道壓力時時處于最佳狀態(tài)，避免了堵管和爆管事故的發(fā)生。

（4）實現(xiàn)了淤區(qū)平整度的可控制。淤區(qū)整平閥門的安裝，可以隨時改變淤筑的位置，控制淤區(qū)平整度，同時解決了原來更換淤筑位置需要停機的問題。

6 推廣應用情況及取得效益

2013 年在濮陽黃河堤防加固工程3標段施工中，共完成放淤土方120多萬m3，工期提前約一個月，增創(chuàng)利潤70多萬元。

2014 年在濮陽黃河堤防加固工程6標施工中，共完成放淤土方150多萬m3，工期提前一個月，增創(chuàng)利潤70多萬元。

以上兩個項目，使用了設備改進后的技術，延長了設備使用壽命，減少了維修費用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

7 結語

工程實踐證明，安裝測沙閥門有效解決了泥沙輸送過程中及時測定泥漿含沙量的問題，安裝減少氣蝕自動裝置減緩了接力泵氣蝕損壞程度，安裝壓力表及時掌握管道壓力，避免了管道崩裂或堵管現(xiàn)象，安裝淤區(qū)整平閥門能夠對淤區(qū)平整度進行有效控制。通過對放淤固堤工程泥沙輸送施工設備進行以上技術改造，在一定程度上提高了泥沙輸送系統(tǒng)的工作效率，延長了設備使用壽命，加快了工程施工進度，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。陜西水利

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