于 濤，白海鵬，房世龍

(1.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210098；2.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010)

近年來，全世界平均每年的疏浚量幾乎都達(dá)到了幾十億立方米，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)總額高達(dá)數(shù)百億美元，我國近年來的疏浚需求也不斷上升，年平均疏浚需求接近十億立方米，市場規(guī)模也有數(shù)十億美元[1]。雖然疏浚市場規(guī)模和經(jīng)濟(jì)總量巨大，但各類挖泥船舶的技術(shù)水平還有待提高，特別是能量消耗比較大的挖泥船舶泥沙輸送系統(tǒng)，還有較大的改進(jìn)和優(yōu)化空間[2]。艏吹管線是制約挖泥船生產(chǎn)能力的主要因素，中大型耙吸式挖泥船在實(shí)施粉質(zhì)黏土艏吹時(shí)，由于粉質(zhì)黏土的阻力較大，如果不控制好泥漿濃度和輸送流速，粉質(zhì)黏土就會沉積并堵塞艏吹管線而影響吹泥效率[3-4]。目前，國內(nèi)外關(guān)于輸泥管路堵塞防治的方法大致可歸納為3類：1)通過吸排系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整防止輸泥管道堵塞[5-7]，但此類方法需要人工操作，效率較低、耗時(shí)較長、成功率不高、施工成本較大，而且很容易對船機(jī)設(shè)備和艏吹管線造成較為嚴(yán)重的損壞。2)通過助送輸泥方式來防止輸泥管道堵塞[8-10]。但該方法程序較為復(fù)雜，系統(tǒng)配置安裝成本較高，對工作人員的操控水平要求較高，而且多個(gè)自動控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的實(shí)際效果還須經(jīng)過工程實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)[11]。3)通過改進(jìn)船機(jī)設(shè)備和艏吹管線設(shè)計(jì)防止輸泥管道堵塞[12-15]。此方法的理論研究較為深入，在工程實(shí)際中也取得過較好效果，但該方法實(shí)施成本較高，實(shí)際操作較為復(fù)雜。綜上，截至目前，國內(nèi)外針對耙吸船艏吹粉質(zhì)黏土疏浚物的管線清堵裝備及實(shí)施方法的相關(guān)研究成果較少。

本文在系統(tǒng)論述了國內(nèi)外已有的輸泥管路堵塞防治方法的基礎(chǔ)上，研制出一種耙吸船艏吹管線清堵裝備及清堵作業(yè)方法，并依托“青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程”疏浚工程進(jìn)行了現(xiàn)場原型對比試驗(yàn)研究。

1 艏吹管線清堵裝備研制

通過對艏吹輸泥管路堵管防治方法的綜合分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外疏浚船舶輸泥管路是較常采用的和經(jīng)過較為系統(tǒng)研究的清堵方法，均有使用局限和適用范圍。為此，本文研制了一種艏吹管線清堵裝備，并應(yīng)用該裝備對耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。清堵裝備原理是通過布設(shè)于清堵裝置內(nèi)壁的壓力傳感器，對輸泥管路堵管情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，并判斷吹泥管線的堵塞位置，然后停止艏吹施工，打開輸泥管線不同位置處的清堵裝置，減小輸泥管線路由長度，有效降低泥漿泵的排出壓力，并通過船舶吹水的方式將堵塞于輸泥管道中的粉質(zhì)黏土疏浚物排出。

耙吸船艏吹粉質(zhì)黏土疏浚物的管線清堵裝備主要是由管體、套管、排泥口、法蘭、壓力傳感器、止水膠墊和螺絲等部分構(gòu)成，清堵連接管兩端設(shè)置連接法蘭，管體上開設(shè)一矩形排泥口，套管亦設(shè)置一相同尺寸的矩形排泥口，套管直徑略大于管體外徑，套管內(nèi)壁布設(shè)一壓力傳感器后，再襯裝止水膠墊，套管側(cè)壁沿軸線方向設(shè)置一定尺寸的矩形切口，切口兩側(cè)筒壁上沿圓筒軸線方向焊有兩條垂直于筒壁的條肋，按一定間距設(shè)置螺孔，以螺栓連接，見圖1。

圖1 管線清堵裝備結(jié)構(gòu)

利用上述管線清堵裝備對耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化之后形成了一種適用于耙吸船艏吹的新型輸泥管線系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由挖泥船船首泥漿泵、艏吹輸泥膠管、自浮式輸泥膠管、清堵連接管和輸泥鋼管等5種構(gòu)件連接而成。

耙吸式挖泥船船首泥漿泵與艏吹輸泥膠管的一端相連，艏吹輸泥膠管另一端與清堵連接管相連，清堵連接管與自浮輸泥膠管相連，自浮輸泥膠管數(shù)量大于等于2時(shí)，相鄰兩個(gè)自浮輸泥膠管之間設(shè)置清堵連接管，最末端的自浮輸泥膠管與輸泥鋼管之間也通過清堵連接管相接，見圖2。

圖2 耙吸船艏吹粉質(zhì)黏土疏浚物的清堵管線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)中的自浮輸泥膠管由膠管本體、聚氨酯硬質(zhì)泡沫層、橡膠層、膠外層和膠管法蘭等部分組成，膠管本體與橡膠層之間填充了一層聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，橡膠層外部以膠外層進(jìn)行包裹和防護(hù)，膠管法蘭被設(shè)置于膠管兩端，見圖3。

圖3 自浮輸泥膠管結(jié)構(gòu)

2 管線清堵實(shí)施方法

在清堵和疏通管線前，首先要分析泥漿泵的主要性能參數(shù)(揚(yáng)程、效率、轉(zhuǎn)速、功率等)和泥漿的主要特征參數(shù)(泥漿濃度、土顆粒級配、泥漿運(yùn)動黏滯系數(shù))，進(jìn)行泥漿泵和管路的匹配設(shè)計(jì)，并在保證產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性的前提下，確定輸泥管路的主要特征參數(shù)(管長、管徑、粗糙程度、阻力特性等)；然后分析輸泥管線路由，確定管線路由中易堵管和堵管后不易疏通的部位(彎段、逆坡等)，從而確定清堵連接管的布設(shè)個(gè)數(shù)、布設(shè)位置和布置形式；最后確定相鄰兩個(gè)清堵連接管間自浮輸泥膠管的長度。

之后按圖2順序連接各部件。為了保證良好的自身漂浮性能，膠管本體與橡膠層之間填充一層聚氨酯硬質(zhì)泡沫；為了提高自浮輸泥膠管抗風(fēng)浪、耐腐蝕的能力和使用壽命，橡膠層外部以膠外層包裹和防護(hù)。

為了便于堵管的清堵操作，安裝清堵連接管時(shí)，應(yīng)將管體上開設(shè)的矩形排泥口朝上。耙吸式挖泥船艏吹作業(yè)過程中，當(dāng)泥漿泵的排壓瞬間升高或輸泥管路末端只有半管出泥等堵管特征明顯時(shí)，應(yīng)通過讀取壓力傳感器反饋的沿程壓力值，確定發(fā)生堵管的具體位置，采取措施進(jìn)行疏堵。也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)清堵連接管處的沿程壓力值，盡可能在發(fā)生堵管的初期采取清堵措施，有效減少清堵耗時(shí)、提高工作效率，從而減小對船機(jī)設(shè)備和輸泥管路的損害。具體操作實(shí)施過程中，當(dāng)管路某一位置處的上游輸泥管段壓力值明顯高于下游時(shí)，可判斷該處發(fā)生了堵管現(xiàn)象。此時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉艏吹泥漿泵和輸泥管路流量控制閥，選擇距離堵管位置最近的上游和下游清堵連接管，擰松排泥口與清堵連接管連接，由船舶吹水進(jìn)行疏通。堵管疏通完成后，擰緊連接螺絲使密閉。

3 現(xiàn)場原型試驗(yàn)研究

現(xiàn)場原型試驗(yàn)研究依托青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程疏浚吹填工程，該工程疏浚土質(zhì)以粉質(zhì)黏性土為主，采用自航耙吸式挖泥船挖泥、運(yùn)泥和吹填施工，艏吹工程總量168.12萬m3，封閉圍堰最遠(yuǎn)吹距約為4.3 km、最近吹距約為2.1 km。耙吸式挖泥船在施工過程中曾多次出現(xiàn)粉質(zhì)黏性土成球后堵塞艏吹施工管路現(xiàn)象，平均每次堵管都會造成船機(jī)設(shè)備不同程度的損壞，而每次疏通消耗的施工時(shí)間約為2.6 d，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。為了解決管路堵塞對工程進(jìn)度的影響，對艏吹施工管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在吹泥管線上每隔100 m 安裝一個(gè)清堵裝備，并通過現(xiàn)場原型試驗(yàn)分析堵管疏通效率與矩形排泥口排泥面積之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 排泥口排泥面積不同時(shí)的堵管疏通耗時(shí)

由表1可以看出，無論何種工況下，清堵裝備排泥口的開孔耗時(shí)都為0.17 h左右。而當(dāng)清堵連接管上的排泥口排泥面積增大時(shí)，疏通管道堵塞疏浚物的耗時(shí)減小，說明清堵連接管排泥口越大則清堵效率越高。但是，排泥口越大，對清堵連接管自身強(qiáng)度和剛度的要求較高，清堵連接管的耐壓耐磨性變差，成本增加，所以工程實(shí)際中要結(jié)合施工現(xiàn)場情況合理選擇。為了進(jìn)一步說明該艏吹施工管線優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的艏吹管線清堵方法進(jìn)行對比。傳統(tǒng)的艏吹管線清堵方法是先將艏吹作業(yè)暫停，查找堵塞部位，通過氣割方式于管道堵塞位置處開孔，用泥漿泵將堵塞物于管體開口處強(qiáng)制排出，再重新焊接。當(dāng)開孔孔徑為0.5 m、開孔面積為0.20 m2時(shí)，開孔耗時(shí)約為1.5 h、疏通耗時(shí)約為0.7 h，耗時(shí)合計(jì)為2.2 h。由此可見，傳統(tǒng)的管線清堵方法的施工耗時(shí)為2.2 h，遠(yuǎn)大于采用相同開孔面積時(shí)本文所述清堵裝備和清堵方法的施工耗時(shí)0.69 h(其中施工耗時(shí)為開孔耗時(shí)與疏通耗時(shí)之和)，本文所述清堵裝備和清堵方法能將清堵效率提高60%以上。

4 結(jié)論

1)耙吸船艏吹粉質(zhì)黏性土疏浚物的管線清堵裝備，不僅能夠變相削減吹泥管線長度，也能夠?qū)Υ的喙芫€沿程壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、對堵管險(xiǎn)情進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，在堵管初期就能確定堵管位置，并快速排除堵塞物。

2)艏吹粉質(zhì)黏性土管線清堵技術(shù)施工簡易、快速靈活、可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用且安全可靠，使得粉質(zhì)黏土疏浚物艏吹作業(yè)在短、中長和長距離條件下均可開展，特別適用于自航式耙吸船艏吹粉質(zhì)黏土疏浚物施工。

3)與傳統(tǒng)艏吹管線清堵方法進(jìn)行工程應(yīng)用效果對比發(fā)現(xiàn)，在不影響自身剛度、耐壓耐磨性的前提下，最大可將清堵效率提高60%以上。