中小型耙吸船高效疏浚粉土關(guān)鍵技術(shù)

朱時(shí)茂，錢杰寐

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

粉土類系指粒徑大于0．075 mm的顆粒含量小于總質(zhì)量的50%，并且塑性指數(shù)小于或等于10，黏粒含量大于或等于3%，并小于15%的土類。對(duì)于以艙容4 500 m3為代表的中小型耙吸船而言，粉土土質(zhì)屬于較難施工的一類疏浚土質(zhì)，主要體現(xiàn)在：一是標(biāo)貫擊數(shù)較大、密實(shí)性好，耙頭入土深度不足，挖掘效率受限，吸入濃度低；二是攪松后的粉土進(jìn)入泥艙后，由于其單顆粒的比重較輕，沉降速度慢，在泥艙中不易沉淀，裝艙效率低。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文通過研究疏浚挖掘機(jī)具，優(yōu)化裝艙工藝，提高中小型耙吸船疏浚粉土施工效率。

1 挖掘機(jī)具研究與優(yōu)化

根據(jù)粉土的物化與力學(xué)特性，提高粉土的單船裝載量主要是提高進(jìn)艙泥漿密度，而提高耙吸船進(jìn)艙泥漿密度的方法，一是改造優(yōu)化挖掘機(jī)具提高耙頭破土效果，二是發(fā)揮好高壓沖水等輔助挖掘系統(tǒng)的作用，三是提升泥泵的泵吸能力。

1.1 耙頭、耙齒機(jī)具研究

耙頭是耙吸船最前端直接與疏浚土質(zhì)接觸的關(guān)鍵機(jī)具，其挖掘性能直接影響疏浚效率，耙頭的結(jié)構(gòu)尺寸、耙齒選用和布置、耙頭對(duì)水底泥面的接觸是影響挖掘性能的關(guān)鍵因素[1]。

1.1.1 耙頭數(shù)值模擬及優(yōu)化研究

1）耙腔內(nèi)部流場模型建立及簡化

耙頭在挖掘與輸送過程中，耙腔內(nèi)部流場分布的合理性直接關(guān)系到耙頭吸入阻力的大小，也就是耙頭吸入能力的高低。目標(biāo)耙吸船“航浚4006”輪吸泥管路通徑均為900 mm，因此與之匹配的耙頭通徑D為定值900 mm，而固定體長度L1、活動(dòng)罩長度L2、耙頭寬度B等結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)對(duì)耙頭內(nèi)部流場產(chǎn)生影響。

按吸管角度30°建立耙頭內(nèi)腔流體區(qū)域模型（圖1），并對(duì)其進(jìn)行簡化處理，耙頭引水窗未開，流體僅從耙齒后方進(jìn)入內(nèi)腔，耙頭進(jìn)口外流場區(qū)域做加大處理，將邊界設(shè)定在這塊流體區(qū)域的外面，即自由出流邊界，同時(shí)對(duì)耙頭流體出口區(qū)域做延長處理，延長長度為耙管直徑2倍，并給定出口處的速度邊界。

圖1 吸管角度30°耙頭姿態(tài)Fig.1 Draghead posture with 30°straw angle

2）計(jì)算結(jié)果分析比較

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，調(diào)整耙頭長寬等參數(shù)，使出口壓降（能耗）降低，同時(shí)其內(nèi)部流場較光順，漩渦區(qū)較少。綜合耙腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置等因素，最終確定安裝于耙吸船的DN900耙頭基本尺寸如圖2所示，其中具體尺寸為：固定體長度2 500 mm、活動(dòng)罩長度1 330 mm，耙頭寬度2 440 mm，耙管通徑900 mm。

通過對(duì)上述耙頭進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明整體耙頭阻力損失較小，尺寸設(shè)計(jì)合理。同時(shí)，通過對(duì)耙頭進(jìn)行有限元模型計(jì)算得出，耙頭的強(qiáng)度滿足要求，而且耙頭變形量不會(huì)影響活動(dòng)罩的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，位移變形位置及大小也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 優(yōu)化后耙頭尺寸Fig.2 Size of optimized draghead

1.1.2 耙齒及連接方式優(yōu)化研究

針對(duì)傳統(tǒng)耙齒及其連接方式存在挖掘性能差、易脫落等問題，結(jié)合疏浚粉土需要開啟耙齒高壓沖水的要求，設(shè)計(jì)了一種既連接牢靠又具有沖水功能的新型雙鉤沖水耙齒[2]，如圖3所示。

圖3 雙鉤沖水耙齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of draghead teeth with double hook

新型雙鉤沖水耙齒由耙齒、齒座和緊固抓鉤3部分組成，耙齒和齒座都采用整體澆鑄的形式。齒座和耙齒內(nèi)鑄有水流通道，通過預(yù)埋螺母和尼龍管實(shí)現(xiàn)連接過渡，完成沖水功能。為使耙齒鎖緊在齒座內(nèi)，齒座兩側(cè)置有能夠使耙齒嵌入的楔形嵌槽，耙齒完全卡入嵌槽后通過螺栓緊固，使耙齒完全鎖死，防止其左右晃動(dòng)，另外“工”字形卡槽的設(shè)計(jì)也可防止耙齒上下晃動(dòng)。耙齒前端置有2道加強(qiáng)筋，提高了耙齒的強(qiáng)度。同時(shí)，根據(jù)耙齒靜力分析結(jié)果，耙齒設(shè)計(jì)受力均勻，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，可減小沖擊斷齒現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 耙頭高壓沖水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)分析認(rèn)為，耙齒與泥面的夾角在45°～50°時(shí)，由于耙齒高壓沖水口與齒面夾角為20°，因此耙齒高壓沖水噴射水流與泥面夾角為20°～25°，對(duì)耙齒前進(jìn)方向的土體進(jìn)行沖刷，向膨脹區(qū)進(jìn)行補(bǔ)水，降低孔隙負(fù)壓，對(duì)降低耙齒切削阻力和增加挖寬效果顯著[3]。為此，在高壓沖水泵性能良好的情況下，可通過增加耙吸船耙齒內(nèi)高壓沖水降低挖掘飽和密實(shí)土的切削阻力，以彌補(bǔ)其推進(jìn)功率不足的缺點(diǎn)。

1.2.1 垂直高壓沖水角度優(yōu)化調(diào)整

射流力學(xué)中明確提到高壓沖水沖深與噴嘴直徑和航速的關(guān)系：

式中：H為沖深，cm；D為噴嘴直徑，cm；p為噴嘴壓力，1 psi=6．9 kPa；v為挖泥速度，1 in/s=2．54 cm/s；su為土壤抗剪切強(qiáng)度，kPa。

從式（1）可以看出當(dāng)噴嘴直徑與土體抗剪強(qiáng)度保持不變時(shí)，沖深主要與航速和流速（壓力）有關(guān)，由于耙吸船施工時(shí)的最低對(duì)地速度一般維持在2 kn左右，而高壓沖水流量或壓力受限于原船高壓水泵性能，因此要改善垂直高壓沖水的作用效果只能從改善沖水形式上入手。首先根據(jù)挖深需求以及耙管長度，分析計(jì)算高壓水箱底板及耐磨塊的最優(yōu)安裝角，通過調(diào)整預(yù)裝角度彌補(bǔ)挖深增加導(dǎo)致沖刷角度過大的問題。此外，耙頭還增加了耐磨塊與耙齒之間的距離，使耙頭作業(yè)時(shí)，始終是耙齒接觸地面。

1.2.2 高壓沖水噴嘴配置改進(jìn)

在高壓沖水系統(tǒng)中，將一定轉(zhuǎn)速下的高壓沖水泵特性曲線和沖水管路阻力特性曲線畫在同一圖上，兩曲線的交點(diǎn)代表了工況點(diǎn)，其橫坐標(biāo)為沖水泵工況點(diǎn)流量，縱坐標(biāo)為沖水泵揚(yáng)程。經(jīng)計(jì)算耙吸船高壓沖水泵的工作點(diǎn)流量Q=1 000 m3/h左右，原設(shè)計(jì)每個(gè)耙頭配置了6個(gè)噴嘴直徑為18 mm的垂直高壓沖水，總的出流面積S=2×6×每個(gè)噴嘴出口流速V=Q/S=91．0 m/s左右。雙鉤沖水耙齒試驗(yàn)成功后，為降低粉土切削阻力，為耙吸船安裝了孔徑均為12 mm的16個(gè)耐磨塊出水和8只沖水齒，耙頭高壓沖水布置如圖4所示。

圖4 耙頭高壓沖水布置Fig.4 Arrange of high-pressure jet in draghead

在實(shí)際施工過程中，當(dāng)不啟用耙齒出水模式（通過耙頭高壓沖水軟管附近的蝶閥控制關(guān)閉），新方案總出水面積為0．003 04 m2，略小于原有耙頭的出水面積，理論每個(gè)噴嘴出口流速V=Q/S=91．3 m/s左右，滿足高壓沖水系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)要求。當(dāng)啟用耙齒出水模式（控制單側(cè)耙頭吹砂），單個(gè)耙頭新方案耐磨塊及耙齒總出水面積為0．002 66 m2，理論每個(gè)噴嘴出口流速V=Q/S=104 m/s左右，滿足高壓沖水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)要求，提高了對(duì)密實(shí)粉土的破土能力。

1.3 泥泵性能提升研究

針對(duì)目標(biāo)耙吸船原有泥泵泵機(jī)達(dá)不到原設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速（600 r/min），影響施工效率的同時(shí)增加船舶能耗的問題，通過分析比較國外先進(jìn)泥泵結(jié)構(gòu)，吸收其優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其不足，研發(fā)出與原船管路匹配，與目前柴油機(jī)工況相適應(yīng)的耙吸船低流量高效泥泵（型號(hào)：ZB179-900），其基本尺寸：進(jìn)口1 000 mm，排口900 mm，葉輪外徑2 012 mm，葉輪出口寬度442 mm，葉片數(shù)4，新型泥泵主要外形尺寸如圖5所示。

圖5 新型泥泵主要外形尺寸Fig.5 Main dimensions of new dredge pump

該泥泵采用單殼形式，結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

1）葉輪。葉輪有4個(gè)葉片，葉片為空間扭曲葉片。采用高鉻鑄鐵 KmTBCr26鑄造。葉輪帽與葉輪整體鑄造，其與泵軸之間采用四頭梯形螺紋連接。葉輪的拆裝有專用工具來保證。軸套后部的泵軸上安裝有1個(gè)三拼卡環(huán)。

2）本泵采用軸側(cè)、吸入側(cè)封水形式。軸側(cè)封水系統(tǒng)分兩路，一路從水封室進(jìn)入，阻斷泥沙進(jìn)入軸密封，同時(shí)減少后襯板的磨損；另一路通過砂水分離器進(jìn)入軸封，起到潤滑和冷卻作用。吸入側(cè)封水系統(tǒng)在吸口側(cè)通過前蓋的法蘭接頭提供有一股連續(xù)的封水。封水通過葉輪防磨環(huán)上螺旋槽來避免泥沙從吸口進(jìn)入，起到潤滑和冷卻作用；封水能防止泵出的泥漿竄入葉輪與吸口前蓋之間，并以此減少泥泵的磨損。

3）泥泵軸封采用水密封裝置，結(jié)構(gòu)可靠，密封性好，方便檢修更換。

自主研發(fā)的新泵還具有結(jié)構(gòu)可靠、重量輕、體積小等特點(diǎn)，減小了運(yùn)輸、吊裝、拆卸成本，便于維修，同時(shí)，過流部件采用了耐磨材料，延長了易損件的使用周期，提高了泥泵的壽命[4]。在流量7 000～12 000 m3/h，新泵揚(yáng)程與原泵接近，效率提高了10%以上，在額定流量點(diǎn)10 000 m3/h，新泵比原泵揚(yáng)程小0．8 m，功率減小20．6%，效率由 69．5%提高至 84．2%。

2 粉土裝艙工藝研究

耙吸船疏浚攪動(dòng)后裝艙的粉土，極易受擾動(dòng)而處于懸浮狀態(tài)。針對(duì)耙吸船粉土裝艙、溢流過程中粉土粒徑組成及沉降效果，利用密度計(jì)和流速儀，開展粉土進(jìn)入泥艙后的相關(guān)試驗(yàn)研究。測試結(jié)果表明粉土進(jìn)入泥艙內(nèi)流速紊亂，沉淀效果較差。

試算選取的耙吸船疏浚土質(zhì)周期數(shù)據(jù)，裝艙時(shí)間75 min，累計(jì)溢流損失達(dá)到1 325 t，占裝艙質(zhì)量的53．8%。根據(jù)試算數(shù)據(jù)，擬合裝艙曲線的公式為：

從“航浚4006”輪疏浚監(jiān)控系統(tǒng)中，導(dǎo)出其粉土施工的土方量裝載歷史曲線，實(shí)測裝艙曲線擬合公式為：

將上述耙吸船粉土施工模型試算裝艙曲線與實(shí)測曲線比較，如圖6所示，總體變化趨勢一致，其較優(yōu)的裝艙時(shí)間都處于45～55 min。

圖6 耙吸船粉土裝載曲線對(duì)比Fig.6 Comparison curve of silt loading of TSHD

3 工藝參數(shù)尋優(yōu)測試研究

對(duì)投入黃驊港工程的目標(biāo)船舶“航浚4006”輪選取典型粉土土質(zhì)施工段，分別測試粉土土質(zhì)施工區(qū)域內(nèi)，航速（1．0～3．5 kn）、波浪補(bǔ)償器壓力（12 bar、15 bar、18 bar）、泥泵轉(zhuǎn)速（500 r/min、510 r/min）、高壓沖水壓力（不開啟、開啟）對(duì)施工效率的影響[5-6]。根據(jù)測試結(jié)果，通過模型關(guān)鍵因子分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，如表1所示。

表1 工藝參數(shù)尋優(yōu)Table 1 Process parameter optimization

通過測試數(shù)據(jù)及測試參數(shù)結(jié)果分析可得，各因素對(duì)施工效率的影響程度按大小次序排列為：高壓沖水壓力＞對(duì)地航速＞泥泵轉(zhuǎn)速＞波浪補(bǔ)償壓力，而泥泵轉(zhuǎn)速運(yùn)行在額定設(shè)計(jì)工況下較優(yōu)，目標(biāo)耙吸船針對(duì)黃驊港粉土土質(zhì)施工工藝參數(shù)如下：高壓沖水壓力16 bar或以上、航速1．5 kn、泥泵轉(zhuǎn)速510 r/min、波浪補(bǔ)償器充氣壓力15 bar。

4 工程實(shí)際應(yīng)用情況

1）黃驊港航道維護(hù)疏浚工程

黃驊港航道維護(hù)疏浚工程航道長43 km、底寬270 m、設(shè)計(jì)深度14．0 m，設(shè)計(jì)邊坡1∶5。該工程季節(jié)性突風(fēng)情況頻發(fā)，大風(fēng)造成的驟淤對(duì)航道正常通航造成不利影響，且回淤土質(zhì)以粉土為主。施工耙吸船配備適用于粉土施工的耙頭及耙齒、自主研發(fā)的高效泥泵，并通過典型工況測試，優(yōu)化了施工工藝參數(shù)，疏浚粉土進(jìn)艙密度由1．05 t/m3提高至1．08 t/m3，有效提高了裝艙效率，實(shí)現(xiàn)了航道快速疏?；赜俜弁粒瑢?duì)工程圓滿完工起到了明顯的推動(dòng)作用。

2）濱州港海港港區(qū)3萬噸級(jí)航道疏浚維護(hù)工程

濱州港海港港區(qū)3萬噸級(jí)航道工程航道總長17．5 km，航道有效寬度 130 m，通航底標(biāo)高-9．8 m，航道設(shè)計(jì)底寬121．6 m，航道設(shè)計(jì)底高程-10．4 m，設(shè)計(jì)航道邊坡為1∶7。該工程粉土土質(zhì)占比達(dá)到96%。施工耙吸船配備了適用于粉土施工的耙頭及耙齒，優(yōu)化關(guān)鍵施工參數(shù)，進(jìn)一步提升高壓沖水作用，優(yōu)化挖掘和裝艙工藝，提高了耙吸船疏浚粉土施工效率。據(jù)測算，在2個(gè)月的施工期增加疏浚土方約50 000 m3，保障航道正常通航。

5 結(jié)語

中小型耙吸船疏浚粉土施工對(duì)耙頭、耙齒、高壓沖水、泥泵等挖掘機(jī)具及裝艙工藝等的要求與常規(guī)的土質(zhì)疏浚工藝不同，針對(duì)粉土的特性，優(yōu)化耙頭尺寸設(shè)計(jì)，研制新型雙鉤沖水耙齒，調(diào)整垂直高壓沖水角度及優(yōu)化耙齒和耐磨塊高壓沖水布置，研發(fā)低流量高效泥泵等，提升了挖掘粉土破土能力，提高了粉土進(jìn)艙濃度；優(yōu)化粉土裝艙工藝，確定最佳裝艙時(shí)間，提高裝艙經(jīng)濟(jì)性；在上述挖掘機(jī)具和裝艙工藝研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)船舶和粉土土質(zhì)工程，開展工藝參數(shù)尋優(yōu)測試，優(yōu)化疏浚粉土施工關(guān)鍵參數(shù)，切實(shí)提高耙吸船疏浚粉土施工效率。