渣漿泵卸貨設備在沉船打撈中的應用研究與設計優(yōu)化

董紹雷

摘要：本文簡要介紹了渣漿泵卸貨設備的工作原理和組成、內部流道固液兩相流模型研究和設計計算，并結合渣漿泵在打撈工程中的實際應用，對渣漿泵的工程選型、管路匹配進行了理論研究和探索優(yōu)化。

關鍵詞：渣漿泵、固液兩相流、選型、管路匹配、“東方日出”

引言

隨著國民經濟的持續(xù)增長、國內外海運業(yè)的迅速發(fā)展，各個港口吞吐量持續(xù)增長，進、出我國領海的貨船也越來越大型化；相應隨之而來的是沉船中往往載有大量礦砂、煤粉等散貨，因而在現代沉船打撈工程中，清除沉船艙內的礦砂、煤粉等各種大小顆粒散貨，減輕沉船水下重量，往往成為第一步需要快速開展的工作。而水下卸貨工作的進度與效果，往往對打撈工程的工期、起浮風險等方面有著直接的影響，與整個工程的成敗休戚相關。

針對“暢通”輪、“東方日出”輪等打撈工程中的卸貨和吸砂經驗，我們探索將目前廣泛應用于煤炭部門水煤漿運輸、采礦工業(yè)中礦渣輸送、水利工程中疏浚作業(yè)中的渣漿泵設備進行相應改進引入到打撈工程中的水下卸貨和吸砂應用，在“東方日出”輪打撈工程中進行了水下除煤卸貨，取得了良好的卸貨效果。

1.渣漿泵卸貨設備系統(tǒng)工作原理和組成

渣漿泵卸貨設備主要有柴油原動機、渣漿泵總成、輸送管路、吸頭和高壓水攪拌設備組成。柴油機驅動渣漿泵泵軸帶動葉輪高速旋轉，高壓水攪動散貨顆?；旌虾Ｋ?，在渣漿泵的吸力作用下，吸頭吸進固液兩相混合物，通過輸送管道輸送固液混合物到裝載駁船上，完成水下吸砂卸貨的工作。

渣漿泵按照工作原理劃分，與泥泵、沙礫泵統(tǒng)稱為離心式固液兩相流泵（又稱離心式雜質泵），是利用葉輪旋轉而使水產生的離心力來工作的。渣漿泵在啟動前，必須使泵殼和吸口管內充滿水，然后啟動柴油機，使泵軸帶動葉輪和水做高速旋轉運動，固液混合物在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，經蝸形泵殼的流道流入渣漿泵的壓水管路。渣漿泵葉輪中心處，由于固液混合物在離心力的作用下被甩出后形成真空，難船艙內中的煤水混合物便在大氣壓力的作用下被壓進泵殼內，葉輪通過不停地轉動，使得固液混合物在葉輪的作用下不斷流入與流出，完成了從水下沉船中吸取散貨的整個工作流程。

2.渣漿泵內部流道固液兩相流輸送理論和設計參數計算

2.1.“固液兩相流理論”簡介

兩相流理論的基本觀點是：混合液中的固液兩相流在流場中存在著速度差.有著各自的速度場，固體顆粒的存在將使液體的速度場產生畸變。當固體顆粒的速度小于液體速度時，固體顆粒相對于液體產生相對阻塞作用。當固體顆粒的速度大于液體速度時，固體顆粒相對于液體產生相對抽吸作用。因此，在水泵工作時，固體顆粒對泵性能的影響、主要表現為固體顆粒在泵流道的流場中.特別是在葉輪流道的流場中對液體速度場、壓力場和水力損失的影響，也就是對泵的能量轉換過程的影響。

盡管固體顆粒不存儲壓力能，但固體顆粒速度在葉輪進口、出口處有顯著差別，也就是說泵的葉輪可供給固體顆粒一定的動能，這應成為理論揚程的一部分。

泵中固體和液體各以不同的速度運動，其速度差的大小，主要決定于固體的密度、濃度、粒徑及繞固液運動的邊界條件。水流運動的速度越高，固液兩相運動的速度差也越小，葉型和流道變化的規(guī)律越趨近于清水。但是速度太高，能量損失加大，泵的水力效率就很低。

2.2. 打撈卸貨中的渣漿泵研究設計思想

根據水下吸砂上廣泛的應用統(tǒng)計分析，在運用“固液兩相流理論”，結合現代渣漿泵的工程使用特點，確定打撈工程中水下卸貨渣漿泵的設計思想：

2.2.1.提高吸取效率。選擇合理的葉片進出口角度、良好的葉片型線、合理的葉片寬度都有利于提高效率。

2.2.2.高耐磨性。較大的葉片寬度和較小的葉輪外徑等均有利于減少磨損；

2.2.3.過流能力。渣漿泵抽送的介質中往往會有混有大顆粒固體，必須在設計時考慮對顆粒的通過能力。一般情況下，較少的葉片數、較大的葉片進出口角度和較大的葉片寬度等都有利于防堵，提高過流能力。

2.2.4.汽蝕性。選擇合理的葉輪進口直徑、葉片寬度等，以保證汽蝕性能要求。

2.3 .渣漿泵轉速的選擇

在改進設計性能要求的情況下.轉速的選擇直接影響到過流部件的壽命，轉速越高。圓周速度越高，磨損越嚴重。根據流體磨損的原理.磨損量應與作用力特性和速度特性有關。

式中 H—揚程，m；

n— 轉速，r/min；

[K]— 常數，一般取值l00～150

常數[K]值的大小與渣漿泵的規(guī)格尺寸和介質磨蝕性強弱有關。泵愈小、磨蝕性愈弱.取值可以越大。

另外.從汽蝕性能出發(fā)，也可按下式選擇

轉速：

式中C— 汽蝕比轉速，一般取值400～800；

—— 必需汽蝕余量，

Q—流量， 。

2.4. 渣漿泵進口直徑計算

渣漿泵進口直徑的選擇應保證進口流速大于臨界沉降速度。當直徑小于200mm 時，臨界沉降速度的計算一般依據杜拉德公式：

式中 臨界沉降速度（m/s）

與粒徑、濃度有關的系數，一般取O.6～ 1.4，取凡一1.1：

g— 重力加速度.g=9.81（m/s。）；

d— 泵進口直徑（m），；

s—固體物料的相對密度，??；

—流體的相對密度。

2.5. 渣漿泵漿體濃度控制

根據一些試驗并結合濃度對泵壽命的影響，建議離心式渣漿泵輸送漿體的最大體積濃度不超過3O%為宜，即 ≤30% 。這是因為泵過流零部件的磨損量與濃度成正比，即漿體濃度越大，零件的磨損量也越大，也就是說泵的壽命也就越短。

3.渣漿泵的工程選型公式計算研究

打撈工程中在進行渣漿泵卸貨設備設計選型時，不僅要考慮渣漿泵本身的性能參數，而且還要考慮所吸取的沉船艙內固體顆粒的粒徑、粒形、比重沉降速度、固液兩相流體濃度、粘性和密度，以及它們對泵性能的影響等因素。整個卸貨系統(tǒng)選型合理，可充分發(fā)揮泵的性能，延長使用壽命，節(jié)省能源；如果選型不當，在泵的運行中將發(fā)生抽空，汽蝕，效率低、壽命短（磨損快）等不良現象。

3.1. 由于固液兩相流體的性質是多種多樣的，因此輸送管路對不同的固液兩相流體介質的損失揚程亦是各不相同的。誠然，要找出適用沉船艙內諸多不同固液兩相流體介質的準確阻力計算式是非常困難的。但參考歷年來的工程實踐結果，計算選擇渣漿泵的揚程及流量與實際的損失揚程及流量誤差值在10% 之內時.是完全能滿足實際需要的。因此推薦如下通用渣漿泵選型揚程計算式：

3.1.1.式中d為輸送管內徑（m）； 為輸送管的阻力系數；L為輸送管長度（m）；V為固液兩相流體平均流速（m/s）； 為沉船和泵入口的幾何高度差即靜揚（mH2O）。

3.1.2. 為局部阻力與沿程阻力的比值系數。計入該值是為了簡化計算局部損失而設。該式中 、 、 系數若選擇得當時.是完全可以滿足要求的。一般長距離輸送（1000m）較適合，該值選擇范圍為0.03～ O.06；輸送管路長時取小值，反之，則取大值。

3.2. 在實際打撈工程中的水下卸貨一般為1000 米之內的短距離輸送，應采用沿程與局部阻力分開計算的辦法，這樣計算結果較準確，即應用下式：

3.2.1.式中：K 為備用系數，對于ZJ系列渣漿泵取1、05～ 1.08即可； 為各種局部阻力件阻力系數之和。

3.2.2. 為輸送清水時的管路沿程阻力系數。長距離輸送時，該值選用的準確與否，對計算結果影響很大。 值計算方法如下：

對于吸取沉船船艙內的煤粉等小顆粒輸送介質，推薦采用公式：

式中 為管路粗糙度（mm）；因上述行業(yè)對管路磨損厲害，金屬管使用后磨損得很光，所以，對于無縫鋼管一般取 =0.046。當然，沿程阻力系數 值考慮到雷諾數的大小還有很多計算方法，但通常流速V= 1.8～3.0m/s之間時，均可使用上述計算式，必要時可用其他方法進行校核?？傊瑧M力做到準確一些。

3.2.3. V為管內平均流速，該值的選取一定要校核固液兩相流體的沉降流速，確保管內部不發(fā)生嚴重的沉降而堵管；輸送固液兩相流體時在保證不沉降條件下，流速一般取 = 1.8～ 2.6 m/s之間較合理，流速過高會加速管路磨損。

3.2.4. 為輸送清水時的損失揚程與輸送固液兩相流體時損失揚程之比。它反映了輸送固液兩相流體與輸送清水的阻力損失并非完全一致。除該系數是

將清水管路損失轉換成固液兩相流體管路損失。其計算及選取辦法如下：

式中 為固相密度（ ）， 為固相流體質量濃度（%）； 為固相平均粒度（mm）。對于打撈卸貨中輸送塊煤混合固液兩相流體時，建議 選擇范圍在0.88～ 0.95。

以上系數選取原則是：質量濃度大時取小值，濃度小時取大值。

4.輸送管路與渣漿泵的合理匹配

為渣漿泵設計安裝配套輸送管路時，當選定泵揚程高于管路實際揚程太多時，離心式渣漿泵輸送渣漿的管路系統(tǒng)的特性與渣漿泵的特性匹配不當時，將會使泵發(fā)生抽空、震動噪聲大，汽蝕、不能正常輸送、使用壽命大幅度下降、柴油原動機超負荷工作等不正常情況。為了避免發(fā)生這些不正常事故，就要求在輸送系統(tǒng)的設計中，使管路特性與泵特性做好合理匹配。

與管路有關的泵特性曲線有Q—H曲線和Q—NPSHr曲線（圖1）。這兩條特性曲線由泵實際測試得到和驗證校核。管路系統(tǒng)也有Q—H曲線和Q—NPSHd曲線。這兩條特性曲線也應由實測得到和驗證校核。

圖1 管路與泵的特性曲線

管路和泵組成的輸送系統(tǒng)的特征點，是管路的Q—H曲線與泵Q—H曲線的交點（圖1中的m點）是泵的運行工況點，即m點對應的流量Qm和對應的揚程Hm就是泵實際輸送的渣漿流量和渣漿揚程；再一個特征點是管路的Q—NPSHa曲線與泵Q—NPSHr曲線的交點（圖1中的d點）

式中NPSHr——泵的必需汽蝕余量，其值由泵的特性曲線查得，所以要保證泵能正常運行能不發(fā)生汽蝕，受管路系統(tǒng)制約的泵實際輸送流量Qm就一定要小于管路輸送系統(tǒng)的臨界汽蝕流量Qd，即Qm

5.渣漿泵卸貨設備在“東方日出”打撈工程中的實踐應用

5.1.“東方日出”輪除煤卸載工程概述

2011年10月28日，裝載4100噸粉煤、總長93米的巴拿馬籍散貨船“東方日出”輪與336米長的集裝箱船“漢堡橋（HAMBURG BRIDGE）”輪在青島港2號錨地附近航道上對向航行時相撞，“東方日出”船體破損進水沉沒?！皷|方日出”輪的沉沒，嚴重影響了青島海域過往船只的安全，也給當地海洋環(huán)境也造成了巨大威脅。

難船“東方日出”輪在青島港外航道上沉沒時船上裝有4100噸無煙粉煤，其中1#艙載煤1400噸，2#艙載煤2700噸。為了減少沉船起浮重量，保證沉船起浮成功，根據打撈方案，須盡力卸掉沉船上的大部分煤炭。沉船卸煤是整個打撈工程的關鍵，卸煤進度及效果直接影響到整個打撈工程工期乃至沉船起浮成功與否。

5.2.渣漿泵卸貨設備在工程實際組裝調試案例

利用渣漿泵對沉船進行水下吸煤作業(yè)，在煙臺打撈局打撈工程中尚屬首例。打撈技術人員對渣漿泵卸煤方案和卸煤的配套設備進行多次計算校核，設計組裝了吸口攪拌吸頭裝置和配套輸送管路，并以“德瀛”船為工作母船進行組裝固定，在打撈作業(yè)現場和避風期間多次對整套卸貨設備進行了反復調試測試。

圖2 渣漿泵輸送出口管路效果圖

5.3. “東方日出”打撈的水下除煤工程施工過程

2011年11月24日17時，當“德灜”船的主鉤緩緩地將吸煤泵吸口管放入沉船艙內，柴油機啟動渣漿泵后，吸煤泵管出口一股濃濃的黑水夾雜著細小顆粒噴涌而出，直沖駁船貨艙，半小時后，施工人員用水桶在輸送管口進行現場取樣，片刻將桶中的水倒掉后，桶底露出沉淀厚厚的煤粉、煤渣；沉船卸貨設備——大功率渣漿泵卸貨設備調試安裝成功。

根據“東方日出”輪打撈工程的作業(yè)需要， “德瀛”船于2011年11月24日1605時開始進行卸煤作業(yè)，至12月24日0940時離開，工作有效時間合計299小時53分，即12天11小時53分。經潛水員探摸，“東方日出”輪1#貨艙剩余煤量約900m ，2#貨艙剩余煤量約1600m ，整個卸貨工程共除煤估計不少于1300噸。但是青島外海冬季的惡劣氣象條件及較差海況制約了工作母船的持續(xù)作業(yè)能力，使打撈現場卸煤工作進展不快，限制了最終的除煤卸貨量和效率。雖然“德瀛”船卸煤效果總體較好，但是考慮到打撈工期的影響，在經過準確核算現有的卸煤量已經滿足了預定起浮沉船要求的前提下，為減少工期成本，結束了本次吸煤卸貨作業(yè)。

6.結束語：

“東方日出”輪順利起浮成功后，觀察其貨艙內部的存煤情況可以看到，經過理論計算改進后的渣漿泵卸貨設備的水下吸煤實際效果較為理想，基本上達到了預定的除煤量目標。

但是本次打撈現場的吸煤工作也暴露出了一些不足之處，首先是對沉船貨艙內的吸煤存在多個盲區(qū)，還有大量煤粉囤積在角落難以吸??；如果沉船在水下的傾斜角度超過一定限度，實際吸煤工作將更加困難；其次是現場渣漿泵的葉輪和里襯磨損很快，需要更換修理，影響了設備的持續(xù)作業(yè)能力。這需要我們在后期工作中對設備進行持續(xù)優(yōu)化，對渣漿泵的轉速和吸取的固體顆粒大小等因素進行綜合計算校核，做到效率和使用成本的平衡。

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