基于絞吸船為母體的大型泵砂船適應(yīng)性改造和應(yīng)用

田路路，楊立楠

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

中國對(duì)環(huán)境保護(hù)工作越來越重視，疏浚行業(yè)傳統(tǒng)吹填項(xiàng)目不斷萎縮，絞吸船主要用于吹填施工，受政策影響導(dǎo)致產(chǎn)能過剩。香港國際機(jī)場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）是一個(gè)大型填海工程，但回填材料不是通過疏浚取得，而是從遠(yuǎn)端使用皮帶船運(yùn)輸?shù)焦さ?。針?duì)該工況，項(xiàng)目前期引進(jìn)了幾條由皮帶船改造而成的小型泵砂船進(jìn)行施工。由于回填材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，用機(jī)制砂替代海砂，導(dǎo)致小型泵砂船施工效率不能滿足要求，而現(xiàn)有的其他疏浚船舶不具備在該工況下施工的條件。為滿足項(xiàng)目施工總體需求，啟動(dòng)了絞吸船適應(yīng)性改造工作。

通過分析現(xiàn)有工況和邊界條件，制定改造技術(shù)方案和路線，經(jīng)試驗(yàn)性施工和現(xiàn)場施工，解決發(fā)現(xiàn)的問題，發(fā)揮船舶優(yōu)勢(shì)，滿足了工程的進(jìn)度需求。

1 工程概況

香港三跑工程位于現(xiàn)有機(jī)場第二跑道以北，通過填海造地修建跑道及其他機(jī)場設(shè)施，回填面積650 hm2，總回填量約9200 萬m3。填砂施工船舶及其工藝主要為泵砂船吹填施工、皮帶船定點(diǎn)拋砂、陸推施工等。

香港三跑工程前期填料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原計(jì)劃使用的海砂受國家政策和其它因素影響不能辦理出口，只能大量使用機(jī)制砂替代海砂。機(jī)制砂是把建筑石料的廢渣進(jìn)一步加工處理，使用機(jī)器粉碎篩選，形成粒徑達(dá)到砂土水平的填筑砂[1]。與天然海砂相比，機(jī)制砂的粒徑更大，級(jí)配匹配性不理想，對(duì)水力吹填啟動(dòng)流速的要求較高。前期引進(jìn)的小型泵砂船泵送能力有限，施工效率非常低，不能滿足施工進(jìn)度需求。因此啟動(dòng)研究改造絞吸船的工作，使之滿足施工總體要求。

2 改造方案和技術(shù)路線

2.1 施工邊界條件和設(shè)備選型

項(xiàng)目回填主要材料是機(jī)制砂，目前國內(nèi)缺乏機(jī)制砂管道水力輸送的機(jī)理研究，此方面的研究成果國內(nèi)外報(bào)道很少。輸送機(jī)制砂的船舶生產(chǎn)能力難以準(zhǔn)確估計(jì)，施工風(fēng)險(xiǎn)不好精確掌控。針對(duì)該情況，總項(xiàng)目部委托國內(nèi)最大的水力輸送設(shè)備研究室，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)機(jī)制砂的管道水力輸送特性進(jìn)行研究。通過建模和試驗(yàn)，對(duì)中值粒徑0.9 mm、1.3 mm 和3.9 mm機(jī)制砂計(jì)算輸送水力損失和啟動(dòng)流速[2]。最終確定選擇IHC 7025 泥泵系列絞吸船進(jìn)行改造，該系列泥泵的泵送能力可以滿足項(xiàng)目需求，如表1 所示。

表1 IHC 7025 系列泥泵輸送效率Table 1 Transport efficiency of IHC 7025 sand pump

2.2 香港地方法規(guī)要求

香港地方法規(guī)對(duì)環(huán)保要求很高，注重人文關(guān)懷，還要控制好噪音，施工工藝和設(shè)備改造主要圍繞當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求進(jìn)行。

1） 環(huán)保法規(guī)對(duì)施工的要求

受施工環(huán)保要求限制，回填材料在進(jìn)施工區(qū)之前不能落地，意味著通過開挖蓄砂池，再通過絞吸船吹填到施工區(qū)的方式行不通。只能拆掉絞刀和部分絞刀橋梁，替換為砂斗，讓皮帶船將砂料打進(jìn)砂斗中，再通過水下泵和甲板泵將其泵送到施工區(qū)。

改造后的泵砂船和皮帶船聯(lián)合施工的作業(yè)方式如圖1 所示。增加的砂斗位置如圖1 方框虛線所示。

圖1 泵砂船與皮帶船配合施工側(cè)視圖Fig.1 Side view plan of sand-pumping barge and pelican barge

2） 環(huán)保法規(guī)對(duì)設(shè)備的要求

香港地區(qū)對(duì)柴油機(jī)排放要求嚴(yán)格，按照香港海事處《商船（本地船只）條例》第51 條要求，在香港水域內(nèi)任何本地船只如排放的黑煙與力高文圖表（見圖2）上的2 號(hào)陰暗色同等顏色或較之更深色，任何一次持續(xù)3 min 或以上即屬犯罪[3]。

圖2 微型力高文圖表Fig.2 Micro-ringelmann chart

絞吸船原主發(fā)電機(jī)為淄柴Z8170，將柴油機(jī)的燃燒排煙狀態(tài)與力高文圖表對(duì)比發(fā)現(xiàn)不滿足香港的排放要求。如進(jìn)行大修，燃燒情況會(huì)有改善但不知能持續(xù)多久，本次船舶改造進(jìn)行更機(jī)，替換為康明斯K38-DM。更機(jī)后排煙輕微，千瓦時(shí)油耗從210 g 降到了178 g，達(dá)到了環(huán)保排放和節(jié)能降耗的目的。

3） 環(huán)保法規(guī)對(duì)噪音控制的要求

香港環(huán)保署非常重視船上的噪音控制，一方面是因?yàn)榇拔挥诂F(xiàn)有機(jī)場附近，要降低對(duì)外界的干擾，一方面是給船員提供更舒適的工作生活環(huán)境[4]。特許服務(wù)工程師按照ISO3726∶2010 的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船上的噪音值進(jìn)行測(cè)量，首次測(cè)量值為118 db（A），結(jié)果偏高。改造過程中對(duì)水下泵電機(jī)、甲板泵等位置安裝隔音板做降噪處理，改造完成后第2 次測(cè)量值為108 db（A），降噪效果明顯。

2.3 砂斗設(shè)計(jì)方案

將絞吸船原來的絞刀及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拆除，在水下泵前端連接砂斗裝置。砂斗裝置主要包括砂斗本體、過濾格柵、支撐箱體結(jié)構(gòu)和引水管路[5]。砂斗上部的擋砂圍板起到環(huán)保作用，防止砂料散落到海面上，圍板周圍設(shè)置有檢修操作平臺(tái)，下部是四棱錐腔體，砂斗通過8 根布置在箱體上的支柱支撐，三維模型如圖3 所示。

圖3 砂斗裝置三維模型圖Fig.33D model map of sand-tub

通過更換絞刀頭為砂斗、加裝吸入蝶閥、更換部分管線、柴油機(jī)更機(jī)等一系列改造，經(jīng)中國船級(jí)社和香港海事處驗(yàn)船師登船檢驗(yàn)，該船取得了新的檢驗(yàn)證書，已具備到香港施工的條件。

3 輸送試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

泵砂船調(diào)遣到香港之前，在廣東汕尾進(jìn)行了輸送試驗(yàn)，目的是檢驗(yàn)改造效果，有問題可以快速解決。泵砂船和皮帶船就位完畢后開始供砂試吹，供砂量從小到大，開啟2 個(gè)泥門，供砂量約500 m3/h，出現(xiàn)水下泵失去排壓現(xiàn)象無法繼續(xù)試驗(yàn)，停車后分析原因。

試驗(yàn)過程中儀表盤顯示水下泵進(jìn)口真空數(shù)值下降到-50 kPa（-0.5 bar），排壓快速下降，整體表現(xiàn)為葉輪內(nèi)部有氣體造成葉輪做功不足，推斷有以下幾種可能因素：

1） 水下泵發(fā)生汽蝕，揚(yáng)程下降。由于砂料快速下降到砂斗底部吸砂口，有堵口的趨勢(shì)，造成吸入壓力降低。但在真空值并不高的狀態(tài)下發(fā)生汽蝕，有可能是真空表的數(shù)值采樣頻率過低，不能反映瞬間壓力更低的情況。

2） 砂料下落過程中攜帶空氣下落，造成泥泵吸入空氣?？諝馕肽啾煤笥捎趬毫档蜌怏w膨脹，造成水下泵進(jìn)氣而揚(yáng)程降低。這個(gè)符合水下泵真空值不高的情況下有揚(yáng)程下降的現(xiàn)象。

確定新的測(cè)試工作點(diǎn)后繼續(xù)試驗(yàn)：

1） 在清水工況下通過增加流速來降低水下泵進(jìn)口壓力，測(cè)試水下泵在清水工況下是否有壓力降低的現(xiàn)象。通過測(cè)試，流速7.2 m/s，進(jìn)口真空-55 kPa（-0.55 bar），水下泵排壓未見降低。

2） 在砂斗頂部增加一個(gè)落砂緩沖板，減緩砂料下落速度，從而阻隔砂料攜帶空氣的可能，同時(shí)可以分散砂料下落過程的分布情況，降低堵吸口的風(fēng)險(xiǎn)。受現(xiàn)場條件限制，在砂斗格柵處臨時(shí)增加一個(gè)大直徑圓柱形構(gòu)造物并固定，讓砂料落于該構(gòu)造物上分散灑向四周。經(jīng)過這種臨時(shí)處理，水下泵的壓力下降現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，順利完成了整個(gè)試驗(yàn)過程。

3.2 輸送試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1） 砂斗下砂及吸入能力分析

對(duì)吸入流速、泥漿密度和真空值的關(guān)系分析計(jì)算得出，真空最大值出現(xiàn)在流速較小泥漿密度較高的區(qū)域，大約取值為-65 kPa（-0.65 bar），滿足泥泵的使用工況。

2） 吹填能力分析

試驗(yàn)排距500 m，排壓不大于80 kPa（0.8 bar），流速5.5 m/s，管道內(nèi)平均泥漿密度在1.15 左右，排壓大約700 kPa（7 bar），滿足泥泵的使用工況。為避免管路泥漿摩阻增加過多，施工時(shí)宜采用較低濃度，適當(dāng)取用較大的流速[6-7]。

3） 輸送產(chǎn)量分析

為更好評(píng)估施工達(dá)到的泥漿密度，對(duì)管道內(nèi)的密度取平均值，整體控制在1.15～1.25 之間，平均值取1.2。過程中泥漿流速控制在5.5～6.5 m/s之間，控制平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，瞬時(shí)輸送生產(chǎn)率大約為1700 m3/h。

3.3 輸送試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析，改造整體達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷，能夠滿足施工要求。施工過程中要控制好流速和密度限制水下泵真空，以達(dá)到穩(wěn)定高產(chǎn)。受調(diào)遣時(shí)間限制，砂斗內(nèi)的緩沖平臺(tái)在內(nèi)地加工后再送到香港進(jìn)行安裝。

4 工程應(yīng)用及成效

4.1 總體施工情況

完成輸送試驗(yàn)后，船舶調(diào)遣到香港，取得本地運(yùn)作牌照并投產(chǎn)，如圖4 所示。根據(jù)項(xiàng)目需求，前后共有3 條絞吸船改造成泵砂船并投產(chǎn)，其中2018年底到場1 條，2019年3月份到場2 條，退場時(shí)間為2020年7月份，累計(jì)施工總方量約1100 萬m3，機(jī)制砂最大施工效率2239 m3/h，海沙最大施工效率3220 m3/h（受限于皮帶船供砂能力，未到達(dá)泵砂船最大施工效率），最大施工吹距2875 m。小型泵砂船單月最高產(chǎn)量17 萬m3，最大施工吹距900 m，改造投產(chǎn)的絞吸式泵砂船從產(chǎn)量、吹距及材料的適應(yīng)性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先。在保障項(xiàng)目施工節(jié)點(diǎn)和施工進(jìn)度上做出了突出貢獻(xiàn)，施工期間安全生產(chǎn)無事故，得到了業(yè)主單位和總項(xiàng)目部的一致好評(píng)。

圖4 皮帶船配合泵砂船施工Fig.4 Construction of sand-pumping barge with pelican barge

4.2 管線磨損情況

當(dāng)前尚無輸送機(jī)制砂管線的磨損理論研究，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，施工中船舶管線磨損量與流速的2～3次方成正比[5]。

顆粒與水流的跟隨性大致可分為2 種情況，當(dāng)顆粒粒徑較小（細(xì)顆粒）時(shí)，跟隨性好，能與水形成均質(zhì)漿體；當(dāng)顆粒粒徑較大（粗顆粒）時(shí)，其速度明顯小于水流速度，形成顆粒與水的固液兩相流[8]。在管道水力輸送過程中，粒徑大于1 mm的顆粒可認(rèn)為是粗顆粒，泵砂船泵送的材料粒徑在1～8 mm 之間，是粗顆粒。計(jì)算磨損量時(shí)的參考流速要低于流速表讀數(shù)。根據(jù)實(shí)際磨損情況計(jì)算，萬方磨損量在0.1～0.2 mm 之間，比施工中粗砂磨損量大20%～40%，在可接受范圍之內(nèi)。

4.3 施工中發(fā)現(xiàn)的問題和解決措施

根據(jù)實(shí)際施工情況，如皮帶船所供砂料中粉狀物偏多時(shí)，砂料在砂斗格柵上部很快就會(huì)起堆下放困難，導(dǎo)致皮帶船供砂中斷，施工效率下降明顯。

經(jīng)現(xiàn)場分析，決定增加1 套砂斗內(nèi)部沖水裝置，在砂斗左右各布置1 個(gè)沖水管頭，后部布置2 個(gè)沖水管頭，增加1 臺(tái)大流量低壓頭潛水泵供水，并保留原沖水管以加強(qiáng)砂水混合效果[9]。統(tǒng)計(jì)加裝沖水裝置前后10 航次施工效率，平均效率從780 m3/h 提高到了930 m3/h，小時(shí)產(chǎn)量提高了將近20%，極大地緩解了現(xiàn)場施工壓力。

5 結(jié)語

本文以香港三跑工程為例，針對(duì)缺乏大型泵砂船，施工進(jìn)度滯后的問題，研究如何有效利用集團(tuán)內(nèi)部船舶資源。通過水力模型試驗(yàn)選擇合適的絞吸船進(jìn)行適應(yīng)性改造，盡快進(jìn)入香港地區(qū)施工并圓滿完成施工任務(wù)。

經(jīng)對(duì)施工數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，可以通過調(diào)整施工工藝，大幅提升船舶效率。單船單月產(chǎn)量最高時(shí)，船舶利用率也只有62%，其中等候皮帶船換檔的時(shí)間有30%。香港三跑工程受制于就位區(qū)域狹窄，往來船舶較多，泵砂船附近每次只有1 條皮帶船卸砂，皮帶船換檔耗時(shí)較長。以后若有類似項(xiàng)目，如果施工水域足夠開闊，可以考慮讓多條皮帶船在泵砂船附近弧形就位，利用泵砂船的橫機(jī)錨移船施工，可大幅提高船舶利用率。

但基于本項(xiàng)目具體的施工背景條件，相應(yīng)施工工藝仍是當(dāng)下最優(yōu)化的選擇。

本文關(guān)于船舶改造技術(shù)方案、船舶投入施工中存在問題的解決思路與方法，對(duì)于類似工程有著一定的參考與啟發(fā)作用。