絞吸船吹填細粉砂有關(guān)問題探討

劉美榮，孫芳淳，秦亮

（中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司，天津 300450）

0 引言

曹妃甸地區(qū)屬于典型渤海?？诔绷鞒练e區(qū)，土質(zhì)以6～8級細粉砂為主，上層含有少量的2級淤泥，粉砂上層板結(jié)嚴重，國內(nèi)很多大型絞吸挖泥船匯聚于此施工。通過多年的施工發(fā)現(xiàn)，曹妃甸地區(qū)疏浚船舶多反映泥泵汽蝕比較嚴重，而相同挖深、相同管線輸送距離與泥泵轉(zhuǎn)速下其他工地汽蝕相對要小得多。為此，根據(jù)在曹妃甸地區(qū)施工的多艘絞吸挖泥船施工資料，對泥泵汽蝕嚴重的原因進行了分析，同時，對絞吸挖泥船的施工方法進行了探討，為今后類似土質(zhì)的施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 泥泵汽蝕情況

圖1分別是1 900 m3/h和1 600 m3/h絞吸挖泥船在曹妃甸施工后換下的舊葉輪照片。

圖1 葉輪汽蝕照片F(xiàn)ig.1 Photo of impeller cavitation

從圖中可以看出，1 900 m3/h絞吸挖泥船泥泵磨損嚴重，葉墻表面汽蝕坑很多，一葉片的外緣三分之一段基本消失；1 600 m3/h絞吸挖泥船泥泵軸端葉墻邊緣處及葉片外緣工作面處也有明顯的汽蝕坑存在，整體葉片損傷嚴重，另外，泵膽鼻端靠近吸入口側(cè)也存在明顯的汽蝕。

2 泥泵汽蝕原因分析

2.1 泥泵汽蝕與磨損的關(guān)系

據(jù)觀察，曹妃甸地區(qū)的挖泥船泥泵汽蝕不僅有壓力較低的水下泵發(fā)生汽蝕，作為串聯(lián)泵的2級與3級艙內(nèi)泵也有明顯的汽蝕坑存在，并且往往發(fā)生在葉片工作面出口邊等高壓區(qū)，這就完全不同于一般流體機械只在進口低壓區(qū)發(fā)生翼型汽蝕。常規(guī)狀況下，葉片出口邊壓力較高，不應(yīng)該發(fā)生汽蝕[1]。考慮到葉片發(fā)生汽蝕的具體狀況，筆者認為曹妃甸地區(qū)的汽蝕并不是一種單純的汽蝕，而是磨損與汽蝕的綜合作用，這是因為葉片一般出口邊的工作面葉片流速較高并且與土壤顆粒的接觸較多，因此該區(qū)域極易磨損，而磨損發(fā)生后，葉片表面會先發(fā)生明顯的凸凹不平，這就極易引起局部流場的變化，造成高低壓區(qū)的間隔，從而產(chǎn)生汽蝕，而汽蝕又可以加劇磨損，因此高壓區(qū)的汽蝕是一種磨損與汽蝕的綜合作用。

2.2 土質(zhì)顆粒構(gòu)成對泥泵汽蝕的影響

曹妃甸地區(qū)是典型的跨區(qū)域沉積區(qū)，所輸送的沉積物為泥質(zhì)砂和細粉砂，其中細粉砂占多數(shù)。該區(qū)域的細粉砂天然土密度1.85 t/m3，屬于正常范圍內(nèi)，但天然土顆粒的密度稍小，比重約在2.56～2.59之間，略低于常規(guī)天然土顆粒比重平均值2.6～2.7。輸送的臨界流速除設(shè)備管徑等因素外，和土質(zhì)相關(guān)的就是土顆粒比重計及粒徑。曹妃甸地區(qū)的土質(zhì)極易輸送，臨界流速較低，在相同管線長度及設(shè)備轉(zhuǎn)速的情況下，相同濃度土質(zhì)輸送流速較高，因此泥泵與顆粒的摩擦作用也更強。較高的流速不僅加劇磨損，而且也會使葉片表面的溫度更高，而溫度的上升又會造成臨界汽化壓力的上升，也就更易發(fā)生汽蝕。

還有一點需要指出的是曹妃甸地區(qū)的細粉砂顆粒硬度很高，其顆粒成分組成為石英25.9%~32.6%、鉀長石35.8%~40.4%，斜長石含量20.4%~24.1%。常見天然礦物中石英硬度極高，耐磨性好，長石類礦物也富含SiO2、Al2O3（剛玉）等高硬度物質(zhì)，所以曹妃甸地區(qū)的砂對泥泵流道的磨損也較大，這就加劇了磨蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3 施工方法選擇

3.1 絞刀挖掘方式

曹妃甸地區(qū)粉砂上層板結(jié)嚴重，如果采用常規(guī)的絞吸挖泥船自上而下分層開挖時，會造成絞刀壓力瞬間增大，對絞刀齒和齒座等設(shè)備易造成損害，且絞刀在切泥時極易發(fā)生滾刀現(xiàn)象，施工效率差。因此建議采取在鐵板砂下部掏挖的挖掘方式，使鐵板砂在失去支撐后塌方、破碎，這樣可以保證船機設(shè)備（絞刀系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)）的安全，并可以明顯提高絞刀破土方量[2-3]。按照這種挖掘方式施工，在曹妃甸地區(qū)施工的絞吸挖泥船都獲得了較高的產(chǎn)量。

3.2 施工流速控制

曹妃甸地區(qū)土質(zhì)在輸送方面具有極易輸送的明顯特點，臨界流速很低，在較長吹距與較高濃度條件下，只要挖泥船操作正?；静粫l(fā)生堵管現(xiàn)象。根據(jù)對曹妃甸地區(qū)土質(zhì)顆粒構(gòu)成對泥泵汽蝕的影響分析結(jié)果，為了減小對泥泵的汽蝕，絞吸挖泥船吹填時應(yīng)采用低流速、高濃度施工，即通過調(diào)節(jié)絞刀橫移速度和一次開挖厚度來控制輸送速度，施工流速一般應(yīng)控制在1.1倍臨界流速。

4 結(jié)語

本文對絞吸挖泥船在曹妃甸施工泥泵發(fā)生的汽蝕現(xiàn)象進行了描述分析，得出該地區(qū)施工的絞吸船葉輪等結(jié)構(gòu)的損壞不是單純的汽蝕所致，而是磨損與汽蝕的聯(lián)合作用。由于該地區(qū)土質(zhì)顆粒比重較輕，臨界流速與磨阻系數(shù)較低，所以輸送濃度及流速相對較大，加劇了泥泵過流部件的磨損和局部升溫，使臨界汽化壓力升高，增加汽蝕發(fā)生的可能性，因此，絞吸挖泥船吹填應(yīng)采用低流速、高濃度的施工方法。

[1] 王正偉.流體機械基礎(chǔ)[M].北京：.清華大學(xué)出版社，2006.WANG Zheng-wei.Fluid mechanical basis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006.

[2] 天津航道局.疏浚工程學(xué)[E].天津：天津航道局，1999.CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.Dredgingengineering[E].Tianjin:CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,1999.

[3]JTS207—2012，疏浚與吹填工程施工規(guī)范[S].JTS207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].