絞吸船施工輸送過(guò)程分析

徐玉華，岳文飛

（1.中交海洋投資控股有限公司，海南　三亞　572000；2.中交天航南方交通建設(shè)有限公司，廣東　深圳　518040）

絞吸船施工輸送過(guò)程分析

徐玉華1，岳文飛2

（1.中交海洋投資控股有限公司，海南三亞572000；2.中交天航南方交通建設(shè)有限公司，廣東深圳518040）

絞吸船施工工藝復(fù)雜，涉及到挖掘工藝和輸送技術(shù)，其中輸送過(guò)程與泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相關(guān)。文中主要通過(guò)對(duì)輸送過(guò)程泥泵工況點(diǎn)、泥泵與柴油機(jī)特性匹配的分析，尋找到理論較優(yōu)工況以及絞吸船施工輸送過(guò)程一般規(guī)律，探討絞吸船施工分析方法，以對(duì)絞吸船的有效施工操作提供指導(dǎo)。

絞吸船；施工；分析；效率

0　引言

絞吸船施工中，潮位、地形、土質(zhì)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等條件時(shí)刻改變著，施工狀態(tài)也隨之發(fā)生復(fù)雜變化，為了保證船舶生產(chǎn)效率的充分發(fā)揮，管理人員需較全面地了解絞吸船施工性能，才能根據(jù)實(shí)際條件設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的施工方案，并及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)施工狀態(tài)的優(yōu)劣作出判斷，進(jìn)而采取相應(yīng)優(yōu)化措施。

本文重點(diǎn)從泥泵柴油機(jī)特性、泥泵特性、管路特性、組合工況分析及經(jīng)驗(yàn)收集入手，以尋找絞吸船施工輸送過(guò)程一般規(guī)律，探討絞吸船施工分析方法。

1　絞吸船施工輸送過(guò)程

絞吸船施工過(guò)程由挖掘和輸送過(guò)程組成，即通過(guò)船上泵機(jī)驅(qū)動(dòng)離心式泥泵，產(chǎn)生一定的真空，把絞刀挖掘所得的泥漿吸入、泵出再通過(guò)輸泥管線輸送、排出的過(guò)程。其中輸送過(guò)程與泵機(jī)性能、泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相關(guān)。

2　柴油機(jī)

2.1主要性能指標(biāo)

柴油機(jī)性能通?？蓮膭?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)轉(zhuǎn)性、可靠性、耐久性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可分為指示指標(biāo)和有效指標(biāo)兩類(lèi)[1]。

1）指示指標(biāo)：包括平均指示壓力Pi，MPa、指示功率Ni，kW、指示熱效率ηi、指示燃油消耗率gi，kg/（kW·h）。

2）有效指標(biāo)：包括平均有效壓力Pe，MPa、有效功率Ne，kW、有效熱效率ηe、有效燃油消耗率ge，kg/（kW·h）。

Ne=Ni-Nm

ηe=ηi·ηm

式中：Nm為機(jī)械損失功率；ηm為機(jī)械效率。

轉(zhuǎn)矩Me=

3）其他指標(biāo)：充氣系數(shù)ηv、過(guò)量空氣系數(shù)α、機(jī)械損失功率Nm，kW、機(jī)械效率ηm。

2.2柴油機(jī)工況

工況是指柴油機(jī)在帶動(dòng)各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀況，其中轉(zhuǎn)速n和負(fù)荷（轉(zhuǎn)矩Me或平均有效壓力Pe）是柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)變化的兩個(gè)主要參數(shù)。

2.3柴油機(jī)特性

隨著運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化，柴油機(jī)性能參數(shù)相應(yīng)變化。柴油機(jī)有效性能參數(shù)（Ne、Pe、ηe等）隨工況（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）而變化的關(guān)系，稱(chēng)為柴油機(jī)的特性。

1）負(fù)荷特性

指柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速固定不變時(shí)，其主要性能指標(biāo)及工作參數(shù)隨負(fù)荷而變化的規(guī)律。典型負(fù)荷特性曲線見(jiàn)圖1。

圖1　負(fù)荷特性曲線Fig.1　Characteristic curve of loading

2）速度特性

將油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（油泵齒條或拉桿）固定在某一位置時(shí)，改變柴油機(jī)的外負(fù)荷，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化，這樣測(cè)得的柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速ne而變化的規(guī)律，叫柴油機(jī)的速度特性。典型負(fù)荷特性曲線見(jiàn)圖2。

3　泥泵

3.1泥泵性能參數(shù)

圖2　速度特性曲線Fig.2　Characteristic curve of velocity

泥泵是一種輸送泥漿的離心泵。離心泵的基本性能參數(shù)有流量Q，m3/h、揚(yáng)程H，m、軸功率Np、水功率Nu、效率η、轉(zhuǎn)速n、比轉(zhuǎn)速ns和需要的汽蝕余量（NPSHr）（或允許吸入真空度，或允許吸上高度）。泥泵性能參數(shù)在離心泵外還有允許通過(guò)最大球徑f。

3.2泥泵清水特性

3.2.1流量揚(yáng)程特性

泥泵流量揚(yáng)程特性可以從流量揚(yáng)程特性曲線（Q-H曲線）反映，不同轉(zhuǎn)速下具有不同的Q-H曲線，見(jiàn)圖3。

圖3　流量揚(yáng)程特性曲線Fig.3　Characteristic curve of flow rate and lift head

3.2.2流量功率特性

泥泵軸轉(zhuǎn)矩Mp=

泥泵水功率Nu是泥泵傳遞給輸送液體的功率，用下式計(jì)算：

柴油機(jī)發(fā)出的功率Ne與泥泵軸功率的關(guān)系依傳動(dòng)情況而不同。如柴油機(jī)與泥泵軸直接連接，則Ne=Np。柴油機(jī)流量功率關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖4　柴油機(jī)流量功率關(guān)系曲線Fig.4　Relationship of flow rate to power of a diesel engine

從圖4中可知，隨著流量增大，功率逐漸增大。相同流量下，轉(zhuǎn)速高者功率大。

3.2.3流量效率特性

泥泵效率η為泥泵輸出功率Nu與軸功率Np之比，η=×100%。泥泵傳動(dòng)效率ηt=×100%泥泵的機(jī)組效率ηgr=η·η·tηe×100%式中：ηe為柴油機(jī)有效熱效率。

3.3泥泵泥漿特性

泥泵泥漿特性受土質(zhì)、土壤顆粒、泥漿濃度、密度及流態(tài)等因素影響較大。

泥泵泵送泥漿時(shí)基本規(guī)律：同種土質(zhì)，泥漿密度增大，揚(yáng)程增加（顆粒大時(shí)可能減少），效率降低，功率增加。泥漿越接近均勻的單相介質(zhì)，揚(yáng)程功率增加越接近泥漿密度倍數(shù)，效率降低亦越小，泥漿越接近不均勻的兩相介質(zhì)，揚(yáng)程增加越少或下降越多，功率增加越多，效率降低越多。

4　管路特性

4.1管路清水特性

液體在管路中流動(dòng)，摩阻水頭損失包括沿程摩阻損失hf和局部阻力損失hj[2-3]。式中：λw為清水沿程摩阻系數(shù)；l為管路長(zhǎng)度；D為管線內(nèi)徑；v為流速；ξw為清水局部阻力系數(shù)。影響λw的有流動(dòng)形態(tài)，雷諾數(shù)大小，管壁內(nèi)表面相對(duì)粗糙度以及過(guò)流斷面形狀等。ξw不僅與斷面的幾何條件有關(guān)，且與雷諾數(shù)Re有關(guān)，因工程中管內(nèi)流動(dòng)為紊流，雷諾數(shù)比較大，則ξw與Re無(wú)關(guān)，僅隨斷面幾何條件不同而變化。

管路流量揚(yáng)程特性曲線是由管中流動(dòng)水力損失hf曲線和幾何揚(yáng)程h0曲線迭加而得。

4.2管路泥漿特性

泥漿在管路內(nèi)運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，流動(dòng)性及管路摩阻受顆粒大小、分配形狀、泥漿密度、平均流速、管徑、黏滯度等影響。

5　泥泵工況

5.1泥泵工況點(diǎn)

泥泵工況指泥泵工作狀態(tài)，泥泵的工況決定著挖泥生產(chǎn)率及比油耗率（1 m3土方·1 000 m排距的燃油消耗率，kg）[4]。

如圖5[5]，泥泵工況點(diǎn)可以從泥泵泥漿特性曲線及管路泥漿特性曲線中找到。輸送泥漿過(guò)程中，假設(shè)泥漿中土質(zhì)條件、密度等不發(fā)生變化，流量大于Qm時(shí)，因管路所需水頭大于泥泵所產(chǎn)生水頭，管路中能量不足以保證流量維持，流量將下降；流量小于Qm時(shí)，因泥泵所產(chǎn)生水頭超過(guò)管路所需水頭，管路中能量過(guò)剩，流量上升；流量等于Qm時(shí)，管路所需水頭與泥泵所產(chǎn)生水頭相等，泥泵可在此工況下維持平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，圖5中K點(diǎn)即為泥泵的工況點(diǎn)。

圖5　泥泵泥漿工況點(diǎn)示意圖Fig.5　Schematic diagram of working points of mud pumps

由于絞吸船施工輸送過(guò)程中，管線長(zhǎng)度、排高、泥漿密度、泥漿土質(zhì)條件等常發(fā)生變化，泥泵工況點(diǎn)也隨著發(fā)生變化。

5.2工況設(shè)計(jì)思路

1）雖然提高濃度、流量均可提高生產(chǎn)率，但提高濃度的效果更為顯著，而經(jīng)濟(jì)性的提高也主要靠提高濃度，故盡量使?jié)舛葹樽畲?，勿使?jié)舛仁芴岣吡魉俚挠绊憽?/p>

2）勿使管路泥漿摩阻增加過(guò)多，細(xì)顆粒土摩阻較小，可適當(dāng)取較大的流速。如當(dāng)受挖掘吸入濃度限制已達(dá)最大濃度時(shí)，短排距施工時(shí)流量較大，此時(shí)雖生產(chǎn)率較大，但摩阻較大，對(duì)于能耗及設(shè)備磨耗均不利，不宜采用，應(yīng)降低流量使用。而當(dāng)進(jìn)行細(xì)顆粒土施工時(shí)，可適當(dāng)采用相對(duì)粗顆粒土稍大的流速。

3）土質(zhì)變化復(fù)雜，濃度變化大的流速可選取的大些。

4）較大的流速雖然要增大摩阻、泥泵功率及耗油量，但如能增大挖泥生產(chǎn)率而比油耗率降低，仍應(yīng)取較大流速[6]。

5.3泥泵工況設(shè)計(jì)步驟

1）根據(jù)柴油機(jī)特性，選取柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

國(guó)內(nèi)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵輸泥時(shí)均采用柴油機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，利用調(diào)速器保持轉(zhuǎn)速的恒定。因此，國(guó)內(nèi)施工一般以柴油機(jī)在某一恒定轉(zhuǎn)速的工況下進(jìn)行泥泵工況的分析。如選取90%、95%、100%額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)比對(duì)等。

2）合理選擇排泥管徑。

一般絞吸船設(shè)計(jì)管徑可滿(mǎn)足不同土質(zhì)施工的需要，但因土類(lèi)不同，能達(dá)到的濃度也不同，各類(lèi)土臨界流速和實(shí)用流速也不同，且泥泵揚(yáng)程及功率都有一定的限制，挖不同土類(lèi)時(shí)最大排距亦不同。當(dāng)挖粗砂、礫石等土類(lèi)，其臨界流速較高，采用設(shè)計(jì)管徑的排泥管路施工而泥泵的揚(yáng)程尚未用足，但因流速的限制使?jié)舛炔荒芴岣邥r(shí)，可選用較設(shè)計(jì)管徑更小的管徑施工，雖然管路摩阻有所增加，但因臨界流速有所降低，使?jié)舛瓤梢栽黾樱嗉纯梢栽黾由a(chǎn)率。有時(shí)挖淤泥、粉土等土類(lèi)，其臨界流速很低，采用設(shè)計(jì)管徑的長(zhǎng)管路施工而泥泵功率尚未充分發(fā)揮，但泥泵的揚(yáng)程過(guò)高時(shí)，可選用較設(shè)計(jì)管徑更大的管徑施工，既能使管路摩阻降低，又有可能在降低泥泵揚(yáng)程的條件下施工并提高生產(chǎn)率。

管徑選擇也應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)算進(jìn)行確定。

3）綜合考慮絞刀挖掘能力、泥泵吸入能力、泥泵柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)能力和泥泵排送能力的限制，初選輸泥最大濃度和平均濃度。

絞吸船輸泥最大濃度指施工中短時(shí)或瞬時(shí)能建立的最大濃度，如挖泥船在施工時(shí)，施工條件較好，挖泥操作合理得當(dāng)，亦可能由較長(zhǎng)時(shí)間建立的濃度。平均濃度指在一般情況下，挖泥船應(yīng)能達(dá)到的施工濃度，一般取最大濃度的70%左右。

管道能排送的泥漿濃度取決于管內(nèi)泥漿流速的大小，而泥漿流速又取決于泥泵的驅(qū)動(dòng)能力，為了求出最大可能的濃度，需首先設(shè)定一個(gè)最大濃度值，然后用泥泵和管路的泥漿特性曲線作圖求出泥泵能泵送的流量范圍，其次計(jì)算最大濃度值下的臨界流速，并與當(dāng)前流速進(jìn)行對(duì)比確定是否滿(mǎn)足要求，經(jīng)過(guò)幾次試算便可找出最大濃度。

4）計(jì)算并繪制泥泵泥漿特性曲線。

5）計(jì)算繪制管路泥漿特性曲線。

6）結(jié)合柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性、泥泵工況，進(jìn)行各類(lèi)工況的生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比驗(yàn)算，從不同工況點(diǎn)中選擇滿(mǎn)足柴油機(jī)負(fù)荷要求、泥泵吸入、排送能力要求的最佳工況點(diǎn)。

7）在實(shí)際施工中驗(yàn)證，并根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)修正。

6　結(jié)語(yǔ)

1） 泥泵工況選取要根據(jù)柴油機(jī)特性，合理選取排泥管徑，綜合考慮絞刀挖掘能力、泥泵吸入能力和泥泵排送能力的限制，初選輸泥最大濃度和平均濃度，通過(guò)泥泵和管路特性曲線，可以選定最佳的工況點(diǎn)。

2）施工中，由于施工條件常發(fā)生變化，泥泵工況也在不斷變動(dòng)，因此需要結(jié)合濃度變化，準(zhǔn)確分析管路中的情況，采取相應(yīng)增減排壓、增減濃度的措施。

[1]徐立華.船舶柴油機(jī)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006. XU Li-hua.Marine diesel engine[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,2006.

[2]胡冀元.泥泵基本理論特性與管路特性的運(yùn)用[M].天津：天津航道勘察設(shè)計(jì)研究院，2000. HU Ji-yuan.The basic theoretical characteristics of mud pumps andapplication of pipeline characteristics[M].Tianjin:Tianjin FairwayProspection and Research Institute,2000.

[3]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works[S].

[4]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規(guī)范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[5]天津市航?？萍挤?wù)公司.絞吸挖泥船泥泵輸泥計(jì)算手冊(cè)[K]. 1996. Tianjin Hangjun Technology Services Company.Manual for calculation of mud transport by mud pumps on cutter suction dredger[K]. 1996.

[6]JTJ 319—99，疏浚工程技術(shù)規(guī)范[S]. JTJ 319—99,The technical code for dredging engineering[S].

Analysis of transport process of cutter-suction dredger

XU Yu-hua1,YUE Wen-fei2
（1.CCCC Ocean Investment Holding Co.,Ltd.,Sanya,Hainan 572000,China；2.CCCC TDC Southern Communication Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China）

The technology of a cutter-suction dredger for dredging operations is complex,including excavation and transport technology.The transport process is associated with the performance of dredge pumps,characteristics of pipelines and operating methods.We try to find the optimum conditions of a dredge pump in theory by analyzing the best efficiency point of a dredge pump and the matching between a dredge pump and a diesel engine as well as the general law of transport process.We also discuss the methods for the analysis of the operation of a cutter suction dredger.It's hoped that this study may provide some guidelines for effective operation of cutter-suction dredgers.

cutter-suction dredger;construction;analysis;efficiency

U615.351.3

A

2095-7874（2016）09-0062-04

10.7640/zggwjs201609015

2016-06-26

徐玉華（1963— ），女，吉林長(zhǎng)春市人，碩士，高級(jí)工程師，董事長(zhǎng)，從事港灣項(xiàng)目施工管理工作。E-mail：2260500194@qq.com