泥泵簡易除氣裝置設(shè)計(jì)研究

嚴(yán) 巍，林海波

（1. 中港疏浚有限公司，上海 200120；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

在疏浚施工實(shí)踐中，不同地區(qū)、不同工程，其土質(zhì)情況差異很大。耙吸挖泥船主要是通過泥泵的吸入能力，將疏浚土吸入泥艙或直接排出。但遇到含有油氣的土質(zhì)，對耙吸挖泥船的工作效率影響很大。因?yàn)槟啾猛ǔＪ请x心泵，在疏浚的過程中含有油氣的土質(zhì)由于壓力的作用會在泥泵內(nèi)產(chǎn)生大量的氣體，導(dǎo)致泥泵吸空，致使泥泵的疏浚效率大大降低甚至不能工作。同時，泥泵吸入大量的氣體也會加劇“氣蝕”，使泥泵葉輪、內(nèi)膽等過早損壞。

2011年底新海虎4輪接到委內(nèi)瑞拉馬拉開波工程的任務(wù)。該航道部分區(qū)段內(nèi)的疏浚土質(zhì)含有大量的油氣，從資料及實(shí)際施工顯示該段含氣層主要集中在表層0.3～0.5m厚度內(nèi)，水深12.0～12.3m。為了提高疏浚效率，在投入施工前，加裝了一套簡易除氣裝置，通過實(shí)際使用比較，施工效率有很大的提高。本文以此為例進(jìn)行研究。

1 簡易除氣裝置原理

根據(jù)除氣裝置的工作原理，利用船上現(xiàn)有設(shè)備[1～3]，因地制宜，既能使成本投入較小，又能達(dá)到一定除氣效果，提高施工效率。

1.1 系統(tǒng)主要設(shè)備組成及設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)主要由如下設(shè)備組成：氣體收集器（泥泵吸口專用短管）、噴射泵、高壓沖水泵、閥和管系。其設(shè)計(jì)思路是：在泥泵的吸入端，安裝噴射泵，配以適當(dāng)管系、閥件來吸除氣體，以提高泥泵吸入真空，吸出的氣體連同部分泥水混合物排入泥艙或排出船外。噴射泵的工作水由船上原有的高壓沖水泵配以適當(dāng)?shù)墓芟?、閥件來提供。由于含有氣體的疏浚土一般都是密度較小的松散的淤泥，施工時耙頭不需要高壓沖水，所以可以借助船上現(xiàn)有的高壓沖水泵為噴射泵提供動力水。現(xiàn)有的高壓沖水泵是變頻控制，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)速，以達(dá)到噴射泵所需的合適驅(qū)動功率。泥泵的吸入短管采用專用短管，在短管內(nèi)部上方安裝一塊“舌形板”，使之深入泥泵吸口，在短管內(nèi)形成一個集氣腔以利于氣體聚集。噴射泵吸除的氣體和泥水混合物通過連接到低濃度排放管直接排出或排入泥艙。當(dāng)此除氣裝置不使用時只要關(guān)閉該裝置上的各閥，更換原有的泥泵吸入短管即可恢復(fù)到原來的管路狀態(tài)，簡易除氣裝置原理見圖1。

1.2 基本使用操作

1) 施工前開啟除氣裝載管系上配置的所有截止閥；

2) 當(dāng)耙吸管到位后開啟高壓沖水泵，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達(dá)到噴射泵所需的工作壓力；

3) 開啟泥泵后，按普通耙吸狀態(tài)進(jìn)行施工。

其中高壓沖水泵的調(diào)節(jié)尤為關(guān)鍵。操作人員根據(jù)噴射泵的工作壓力，在實(shí)際施工中反復(fù)摸索，經(jīng)過多次試驗(yàn)比較，高壓沖水泵輸出壓力調(diào)整到0.7～0.8MPa較合適，除氣效果明顯。

2 除氣裝置效率

為檢驗(yàn)此除氣裝置的效果，摸索該設(shè)備達(dá)到使用效果的操作方法，在同一施工區(qū)域、基本相同的施工條件下進(jìn)行比較試驗(yàn)。

圖1 簡易除氣裝置原理

2.1 不使用除氣裝置

在不使用除氣裝置的情況下，調(diào)整施工狀態(tài)航速在 2.5～3.0kn，波浪補(bǔ)償器蓄能器壓力設(shè)置在 4.8MPa，拉起耙唇，打開引水窗，使油氣外冒，減少泥泵吸入，隨時觀察施工狀態(tài)，如出現(xiàn)進(jìn)艙流速、密度都降低，則及時提升耙頭，調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)。操縱屏幕顯示：在含氣層影響下其進(jìn)艙濃度、泥泵真空、泥泵流量等均急速下降。

根據(jù)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，54min裝載土方量為1287m3，施工效率約為1430m3/h。具體施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（平均值）見表1。

表1 施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（平均值）

2.2 使用除氣裝置

在使用除氣裝置后，施工航速調(diào)整為2.5～3.0kn，波浪補(bǔ)償器蓄能器壓力設(shè)置為4.8MPa，耙頭正常著地，除氣裝置的截止閥全開，高壓沖水泵壓力調(diào)節(jié)到1MPa左右，多次試驗(yàn)比較，高壓沖水泵壓力調(diào)整到0.7～0.8MPa與噴射泵的工作壓力較匹配，各項(xiàng)施工參數(shù)較穩(wěn)定，耙唇及引水窗可根據(jù)實(shí)際施工效果調(diào)節(jié)。其進(jìn)艙濃度、泥泵真空、泥泵流量等施工參數(shù)比較穩(wěn)定。

根據(jù)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，51min裝載土方量為7040m3，施工效率約為8282m3/h。具體施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（平均值）見表2。

2.3 除氣裝置效果

根據(jù)上述施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在航速、泵機(jī)轉(zhuǎn)速、波浪補(bǔ)償器壓力等施工參數(shù)配置相同情況下，其采集數(shù)據(jù)及疏浚界面截圖見圖2～6。

表2 具體施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（平均值）

圖2 泥泵真空度對比

圖3 泥泵排壓對比

圖4 裝載速度對比

圖5 進(jìn)艙濃度對比

2.4 施工效果對比分析

在實(shí)際施工中觀察疏?？刂葡到y(tǒng)相關(guān)界面可看到：波浪補(bǔ)償器正常工作時，在未開啟除氣裝置時，泥泵幾乎沒有出現(xiàn)真空甚至是正壓，泥漿濃度極低，流量、流速快速下降。此時，通過頻繁調(diào)節(jié)耙頭引水窗及耙唇對地角度，快速起升耙管，使流量、流速上升到相對正常值時再將耙頭下降，但2min之內(nèi)又出現(xiàn)之前的情況。如此反復(fù)，提升耙頭后清水入泥艙勢必造成部分泥漿溢流，故對裝艙效果也產(chǎn)生影響，約 5km的疏浚距離，約 54min的施工時間，裝艙量僅1287m3，單位時間裝艙量極低僅有 1430m3/h（見采集數(shù)據(jù)及疏浚界面截圖）。而且，造成耙管系統(tǒng)頻繁的調(diào)節(jié)，泥泵的工作很不穩(wěn)定等情況，如長期處于這種工作狀態(tài)對設(shè)備很不利。

當(dāng)開啟除氣裝置施工時，施工情況明顯改善，觀察各項(xiàng)施工參數(shù)都比較平穩(wěn)且達(dá)到較理想的施工要求。泥泵真空度達(dá)到30kPa以上，泥漿濃度達(dá)到1.30t/m3，進(jìn)艙泥漿濃度、真空、流量、流速等也保持在正常范圍內(nèi)小幅波動，沒有出現(xiàn)急速下降的現(xiàn)象。而且，耙頭深度、耙唇對地角度、引水窗等調(diào)節(jié)到相對合適的位置后基本保持穩(wěn)定正常施工。同樣的施工距離及施工時間下，裝艙量增加到 7040m3，單位時間裝艙量達(dá)到8282m3/h（見采集數(shù)據(jù)及疏浚界面截圖）基本達(dá)到正常情況。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)比較，開啟除氣裝置將提高進(jìn)艙濃度約45%，增加泥泵真空約30kPa，提高排壓約20kPa，施工效率提高約為5.8倍。可以看出，這一簡易除氣裝置在含氣體土質(zhì)實(shí)際施工中發(fā)揮了顯著的作用，達(dá)到了預(yù)期的效果。但是，由于不使用除氣裝置的測量次數(shù)、數(shù)據(jù)較少，該數(shù)據(jù)分析可能存在一定誤差，還有分析方法也存在一定缺陷，主要有：1) 不使用除氣裝置測試數(shù)據(jù)有限，不能多樣本比對；2) 不使用除氣裝置時，耙頭經(jīng)常提高，不能保持著地，各施工參數(shù)變化很大，含氣量情況不明，對真空度、進(jìn)艙濃度、施工效率分析等存在一定影響；3) 上述分析方法只是取其平均值，對未使用除氣裝置時，由于含氣影響，耙頭提升且不著地的數(shù)據(jù)沒有剔除，對分析結(jié)果存在一定影響。

3 存在問題

從新?；?輪的實(shí)際使用情況看，雖然效果比較好，整套設(shè)備的投資成本也比較低，操作比較方便，而且基本不影響其他土質(zhì)工況的正常施工。但由于改裝時間比較倉促，還有需要完善的必要。問題主要有：

1) 噴射泵選型要與泥泵特性匹配；

2) 該船除氣裝置是利用現(xiàn)有的高壓沖水泵作為驅(qū)動源，現(xiàn)有高壓沖水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕操作時，轉(zhuǎn)速變化比較大，致使壓力變化也比較大，影響噴射泵效果；

3) 船上現(xiàn)有高壓沖水泵的管系直徑較大，而接入噴射泵的管徑較小，高壓沖水泵起、停時水流沖擊比較大，產(chǎn)生較大震動；

4) 除氣裝置上的所有截止閥都是手動操作，且安裝位置比較高，不利于操作。

4 結(jié) 語

從新海虎4輪的實(shí)際使用情況看，簡易除氣裝置效果比較好，能夠顯著地提高疏浚效率，整套設(shè)備的投資成本也比較低，操作比較方便。其中高壓沖水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整很重要，壓力過高或過低都不利于噴射泵的有效工作，壓力過高雖然除氣比較好，但一定程度上也影響到泥泵泵吸效能，壓力過低可能達(dá)不到除氣效果。但可以肯定的是采用簡易的除氣裝置可以解決含有氣體的土質(zhì)的疏浚問題，提高疏浚效率。

[1] 郭立軍. 泵與風(fēng)機(jī)[M]. 北京：中國電力出版社，1985.

[2] 李之義，等. 船舶輔助機(jī)械[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 王振瑯，曾 湛. 大型耙吸挖泥船裝艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 38-45.