耙吸船艏吹粉質黏性土疏浚物的管線清堵裝備及實施方法

于 濤，白海鵬，房世龍

(1.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210098；2.江蘇航運職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010)

近年來，全世界平均每年的疏浚量幾乎都達到了幾十億立方米，由此產生的經濟總額高達數百億美元，我國近年來的疏浚需求也不斷上升，年平均疏浚需求接近十億立方米，市場規(guī)模也有數十億美元[1]。雖然疏浚市場規(guī)模和經濟總量巨大，但各類挖泥船舶的技術水平還有待提高，特別是能量消耗比較大的挖泥船舶泥沙輸送系統(tǒng)，還有較大的改進和優(yōu)化空間[2]。艏吹管線是制約挖泥船生產能力的主要因素，中大型耙吸式挖泥船在實施粉質黏土艏吹時，由于粉質黏土的阻力較大，如果不控制好泥漿濃度和輸送流速，粉質黏土就會沉積并堵塞艏吹管線而影響吹泥效率[3-4]。目前，國內外關于輸泥管路堵塞防治的方法大致可歸納為3類：1)通過吸排系統(tǒng)參數調整防止輸泥管道堵塞[5-7]，但此類方法需要人工操作，效率較低、耗時較長、成功率不高、施工成本較大，而且很容易對船機設備和艏吹管線造成較為嚴重的損壞。2)通過助送輸泥方式來防止輸泥管道堵塞[8-10]。但該方法程序較為復雜，系統(tǒng)配置安裝成本較高，對工作人員的操控水平要求較高，而且多個自動控制系統(tǒng)協調運作的實際效果還須經過工程實際應用檢驗[11]。3)通過改進船機設備和艏吹管線設計防止輸泥管道堵塞[12-15]。此方法的理論研究較為深入，在工程實際中也取得過較好效果，但該方法實施成本較高，實際操作較為復雜。綜上，截至目前，國內外針對耙吸船艏吹粉質黏土疏浚物的管線清堵裝備及實施方法的相關研究成果較少。

本文在系統(tǒng)論述了國內外已有的輸泥管路堵塞防治方法的基礎上，研制出一種耙吸船艏吹管線清堵裝備及清堵作業(yè)方法，并依托“青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程”疏浚工程進行了現場原型對比試驗研究。

1 艏吹管線清堵裝備研制

通過對艏吹輸泥管路堵管防治方法的綜合分析發(fā)現，目前國內外疏浚船舶輸泥管路是較常采用的和經過較為系統(tǒng)研究的清堵方法，均有使用局限和適用范圍。為此，本文研制了一種艏吹管線清堵裝備，并應用該裝備對耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。清堵裝備原理是通過布設于清堵裝置內壁的壓力傳感器，對輸泥管路堵管情況進行實時預警，并判斷吹泥管線的堵塞位置，然后停止艏吹施工，打開輸泥管線不同位置處的清堵裝置，減小輸泥管線路由長度，有效降低泥漿泵的排出壓力，并通過船舶吹水的方式將堵塞于輸泥管道中的粉質黏土疏浚物排出。

耙吸船艏吹粉質黏土疏浚物的管線清堵裝備主要是由管體、套管、排泥口、法蘭、壓力傳感器、止水膠墊和螺絲等部分構成，清堵連接管兩端設置連接法蘭，管體上開設一矩形排泥口，套管亦設置一相同尺寸的矩形排泥口，套管直徑略大于管體外徑，套管內壁布設一壓力傳感器后，再襯裝止水膠墊，套管側壁沿軸線方向設置一定尺寸的矩形切口，切口兩側筒壁上沿圓筒軸線方向焊有兩條垂直于筒壁的條肋，按一定間距設置螺孔，以螺栓連接，見圖1。

圖1 管線清堵裝備結構

利用上述管線清堵裝備對耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，優(yōu)化之后形成了一種適用于耙吸船艏吹的新型輸泥管線系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由挖泥船船首泥漿泵、艏吹輸泥膠管、自浮式輸泥膠管、清堵連接管和輸泥鋼管等5種構件連接而成。

耙吸式挖泥船船首泥漿泵與艏吹輸泥膠管的一端相連，艏吹輸泥膠管另一端與清堵連接管相連，清堵連接管與自浮輸泥膠管相連，自浮輸泥膠管數量大于等于2時，相鄰兩個自浮輸泥膠管之間設置清堵連接管，最末端的自浮輸泥膠管與輸泥鋼管之間也通過清堵連接管相接，見圖2。

圖2 耙吸船艏吹粉質黏土疏浚物的清堵管線系統(tǒng)結構

優(yōu)化后的耙吸船艏吹輸泥管線系統(tǒng)中的自浮輸泥膠管由膠管本體、聚氨酯硬質泡沫層、橡膠層、膠外層和膠管法蘭等部分組成，膠管本體與橡膠層之間填充了一層聚氨酯硬質泡沫塑料，橡膠層外部以膠外層進行包裹和防護，膠管法蘭被設置于膠管兩端，見圖3。

圖3 自浮輸泥膠管結構

2 管線清堵實施方法

在清堵和疏通管線前，首先要分析泥漿泵的主要性能參數(揚程、效率、轉速、功率等)和泥漿的主要特征參數(泥漿濃度、土顆粒級配、泥漿運動黏滯系數)，進行泥漿泵和管路的匹配設計，并在保證產量和經濟性的前提下，確定輸泥管路的主要特征參數(管長、管徑、粗糙程度、阻力特性等)；然后分析輸泥管線路由，確定管線路由中易堵管和堵管后不易疏通的部位(彎段、逆坡等)，從而確定清堵連接管的布設個數、布設位置和布置形式；最后確定相鄰兩個清堵連接管間自浮輸泥膠管的長度。

之后按圖2順序連接各部件。為了保證良好的自身漂浮性能，膠管本體與橡膠層之間填充一層聚氨酯硬質泡沫；為了提高自浮輸泥膠管抗風浪、耐腐蝕的能力和使用壽命，橡膠層外部以膠外層包裹和防護。

為了便于堵管的清堵操作，安裝清堵連接管時，應將管體上開設的矩形排泥口朝上。耙吸式挖泥船艏吹作業(yè)過程中，當泥漿泵的排壓瞬間升高或輸泥管路末端只有半管出泥等堵管特征明顯時，應通過讀取壓力傳感器反饋的沿程壓力值，確定發(fā)生堵管的具體位置，采取措施進行疏堵。也可以實時監(jiān)測各個清堵連接管處的沿程壓力值，盡可能在發(fā)生堵管的初期采取清堵措施，有效減少清堵耗時、提高工作效率，從而減小對船機設備和輸泥管路的損害。具體操作實施過程中，當管路某一位置處的上游輸泥管段壓力值明顯高于下游時，可判斷該處發(fā)生了堵管現象。此時，應該關閉艏吹泥漿泵和輸泥管路流量控制閥，選擇距離堵管位置最近的上游和下游清堵連接管，擰松排泥口與清堵連接管連接，由船舶吹水進行疏通。堵管疏通完成后，擰緊連接螺絲使密閉。

3 現場原型試驗研究

現場原型試驗研究依托青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程疏浚吹填工程，該工程疏浚土質以粉質黏性土為主，采用自航耙吸式挖泥船挖泥、運泥和吹填施工，艏吹工程總量168.12萬m3，封閉圍堰最遠吹距約為4.3 km、最近吹距約為2.1 km。耙吸式挖泥船在施工過程中曾多次出現粉質黏性土成球后堵塞艏吹施工管路現象，平均每次堵管都會造成船機設備不同程度的損壞，而每次疏通消耗的施工時間約為2.6 d，嚴重影響了施工進度。為了解決管路堵塞對工程進度的影響，對艏吹施工管線進行優(yōu)化設計，即在吹泥管線上每隔100 m 安裝一個清堵裝備，并通過現場原型試驗分析堵管疏通效率與矩形排泥口排泥面積之間的關系，試驗結果見表1。

表1 排泥口排泥面積不同時的堵管疏通耗時

由表1可以看出，無論何種工況下，清堵裝備排泥口的開孔耗時都為0.17 h左右。而當清堵連接管上的排泥口排泥面積增大時，疏通管道堵塞疏浚物的耗時減小，說明清堵連接管排泥口越大則清堵效率越高。但是，排泥口越大，對清堵連接管自身強度和剛度的要求較高，清堵連接管的耐壓耐磨性變差，成本增加，所以工程實際中要結合施工現場情況合理選擇。為了進一步說明該艏吹施工管線優(yōu)化設計的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)的艏吹管線清堵方法進行對比。傳統(tǒng)的艏吹管線清堵方法是先將艏吹作業(yè)暫停，查找堵塞部位，通過氣割方式于管道堵塞位置處開孔，用泥漿泵將堵塞物于管體開口處強制排出，再重新焊接。當開孔孔徑為0.5 m、開孔面積為0.20 m2時，開孔耗時約為1.5 h、疏通耗時約為0.7 h，耗時合計為2.2 h。由此可見，傳統(tǒng)的管線清堵方法的施工耗時為2.2 h，遠大于采用相同開孔面積時本文所述清堵裝備和清堵方法的施工耗時0.69 h(其中施工耗時為開孔耗時與疏通耗時之和)，本文所述清堵裝備和清堵方法能將清堵效率提高60%以上。

4 結論

1)耙吸船艏吹粉質黏性土疏浚物的管線清堵裝備，不僅能夠變相削減吹泥管線長度，也能夠對吹泥管線沿程壓力進行實時監(jiān)控、對堵管險情進行實時判斷，在堵管初期就能確定堵管位置，并快速排除堵塞物。

2)艏吹粉質黏性土管線清堵技術施工簡易、快速靈活、可操作性強、經濟適用且安全可靠，使得粉質黏土疏浚物艏吹作業(yè)在短、中長和長距離條件下均可開展，特別適用于自航式耙吸船艏吹粉質黏土疏浚物施工。

3)與傳統(tǒng)艏吹管線清堵方法進行工程應用效果對比發(fā)現，在不影響自身剛度、耐壓耐磨性的前提下，最大可將清堵效率提高60%以上。