大管徑鋼管漿體輸送磨損特性與生命周期分析

袁超哲，楊增海，施寶林，駱佳成，朱 平

（1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 200082；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

引言

管道輸送，是目前疏浚領(lǐng)域十分常見的介質(zhì)運(yùn)輸方式。目前，國(guó)內(nèi)疏浚領(lǐng)域已有不少施工企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)漿體管道輸送阻力和輸送性能開展了室內(nèi)試驗(yàn)[1]、數(shù)值模擬[2]、理論分析[3]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[4-5]等系列工作。然而，針對(duì)不同土質(zhì)輸送磨損特性的研究，主要從泥泵磨損特性[6]、輸送管道耐磨蝕材質(zhì)[7-10]、數(shù)值模擬分析[11]和單一土質(zhì)磨損監(jiān)測(cè)分析[12]等方面開展研究，針對(duì)不同土質(zhì)輸送條件下磨損特性和剩余生命周期相關(guān)的應(yīng)用類研究成果極少。

本研究依托不同土質(zhì)吹填工程，開展順直管道、彎管、爬坡管和下坡管的管壁磨損速率監(jiān)測(cè)，探討不同土質(zhì)及管線鋪設(shè)形式條件下的磨損特性和管線剩余生命周期。

1 工程概述

本研究主要依托連云港疏浚工程的鈣化結(jié)合物輸送工況、小廟洪疏浚工程的細(xì)砂輸送工況和廈門機(jī)場(chǎng)吹填工程的粗砂輸送工況，開展不同土質(zhì)輸送條件下，大管徑鋼質(zhì)管（Q235-DN850）管壁磨損速率的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

其中，鈣化結(jié)合物和粗砂輸送工況，均發(fā)生過(guò)管道磨穿造成漏管、爆管的現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 鋼質(zhì)排泥管磨穿

1.1 粗砂輸送工況

廈門機(jī)場(chǎng)吹填工程中，其疏浚船舶為絞吸船，輸送介質(zhì)為粗砂。其實(shí)用流速和濃度分別在4.25～5.55 m/s 和20 %～30 %，監(jiān)測(cè)周期171 天（2016年3 月26 日～2016 年9 月12 日），期間累計(jì)輸送粗砂約420 萬(wàn)m3。

1.2 鈣化結(jié)合物輸送工況

連云港疏浚工程中，由絞吸船通過(guò)鋼質(zhì)排泥管吹填鈣化結(jié)合物，如圖2 所示。其實(shí)用輸送流速和輸送濃度分別在4.80～5.20 m/s 和20 %～30 %。其磨損監(jiān)測(cè)周期93 天（2021 年3 月15 日至2021 年6月15 日），期間累計(jì)輸送方量約235 萬(wàn)m3。

圖2 絞吸船鈣化結(jié)合物取樣

1.3 細(xì)砂輸送工況

小廟洪疏浚工程中，為絞吸船串聯(lián)接力泵船，進(jìn)行細(xì)砂的長(zhǎng)排距輸送，實(shí)用流速和濃度分別在4.12～4.39 m/s 和32 %～38 %。其磨損監(jiān)測(cè)周期為40天（2021 年6 月27 日～2021 年8 月5 日），累計(jì)輸送方量約為145 萬(wàn)m3。

2 管壁磨損量監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)順直管段、彎管、上坡管和下坡管，采用如圖3 所示管壁磨損監(jiān)測(cè)方案。選取排泥管某一橫斷面的上部、下部、左側(cè)和右側(cè)分別進(jìn)行管壁厚度的定期監(jiān)測(cè)。為了保障管壁測(cè)點(diǎn)處壁厚的測(cè)量精度，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行5 次重復(fù)測(cè)量，并取均值作為其管壁厚度。

圖3 排泥管管壁磨損監(jiān)測(cè)示意

圖4 所示，為某一排泥管橫斷面測(cè)點(diǎn)的壁厚實(shí)測(cè)值。并通過(guò)疏浚施工船舶船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取磨損監(jiān)測(cè)過(guò)程的吹填方量，用于磨損速率的分析和剩余生命周期的預(yù)測(cè)。

圖4 某一排泥管橫斷面測(cè)點(diǎn)的壁厚實(shí)測(cè)值

為提高磨損速率和剩余生命周期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，磨損監(jiān)測(cè)期間疏浚船舶漿體的累計(jì)輸送方量應(yīng)大于100 萬(wàn)m3，以此保證管道壁厚磨損量值的可測(cè)性。根據(jù)前述依托工程概述可知，概化結(jié)合物、細(xì)砂和粗砂在管壁磨損量監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，累計(jì)輸送方量均超過(guò)了100 萬(wàn)m3。

基于實(shí)測(cè)管道壁厚磨損值和累計(jì)輸送方量，通過(guò)公式（1）給出不同土質(zhì)輸送條件下橫斷面最大磨損速率（mm/100 萬(wàn)m3）。

式中：Wr為管道壁的最大磨損速率（mm/100萬(wàn)m3）；Eroi為監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的管壁磨損量（mm）；Proi為磨損監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的管道介質(zhì)輸送量（100 萬(wàn)m3）；Ti-1為第i-1 次測(cè)量的管道壁厚（mm）；Ti為第i次測(cè)量的管道壁厚（mm）。

3 磨損特性分析

3.1 粗砂磨損特性

粗砂測(cè)量了平鋪管橫斷面的磨損特性曲線。由于粗砂顆粒大、含貝殼，極易在管底發(fā)生沉積現(xiàn)象，因此管道底部受沉積物保護(hù)，磨損量偏小，兩側(cè)的磨損量最大。如圖5 所示，為某一平鋪鋼制管橫斷面的磨損特性曲線。其底部5 號(hào)測(cè)點(diǎn)處受到沉積粗砂的保護(hù)，磨損量最小；底部?jī)蓚?cè)的磨損量最大。

圖5 粗砂不同管線鋪設(shè)形式的磨損特性曲線

基于圖5 所示的磨損量監(jiān)測(cè)結(jié)果，后續(xù)僅選取頂部1 號(hào)點(diǎn)、底部?jī)蓚?cè)4 號(hào)和6 號(hào)點(diǎn)和底部5 號(hào)點(diǎn)開展磨損量監(jiān)測(cè)與分析。

廈門機(jī)場(chǎng)吹填工程中，選取了6 個(gè)平鋪管的橫斷面進(jìn)行磨損量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)期間累計(jì)輸送了420 萬(wàn)m3粗砂，其磨損特性曲線如圖6 所示?？芍涞撞孔畲竽p量為5.35 mm，最大磨損速率為1.39 mm/ 100 萬(wàn)m3。

圖6 粗砂輸送平鋪管磨損特性曲線

3.2 鈣化結(jié)合物磨損特性

鈣化結(jié)合物鋼質(zhì)管輸送，監(jiān)測(cè)了2 根爬坡管、1 根平鋪管和1 根下坡管的磨損量。其磨損量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，參考圖6 所示粗砂橫斷面點(diǎn)位。圖7 所示，為鈣化結(jié)合物在不同管線鋪設(shè)形式條件下鋼質(zhì)管橫斷面磨損特性曲線。

結(jié)合鈣化結(jié)合物顆粒較大，管道內(nèi)水流的紊動(dòng)難以使之起懸的特性進(jìn)行分析可知，在平鋪管底部存在大量鈣化結(jié)合物滑移運(yùn)動(dòng)，使得底部的磨損量最大。磨損量監(jiān)測(cè)期間累計(jì)輸送了235 萬(wàn)m3鈣化結(jié)合物，根據(jù)圖7 平鋪管磨損特性曲線的最大磨損量2.54 mm，可知平鋪管下方最大磨損速率1.08 mm/ 100 萬(wàn)m3。

圖7 鈣化結(jié)合物不同管線鋪設(shè)形式的磨損特性曲線

根據(jù)爬坡1 和爬坡2 管線磨損特性曲線分析可知，由于鈣化結(jié)合物在爬坡管段沉積顯著，管道底部受到沉積物的保護(hù)磨損量較小，左右兩側(cè)的磨損量相比于底部更大，其最大磨損量2.79 mm，最大磨損速率1.2 mm/100 萬(wàn)m3。

根據(jù)下坡管線磨損特性曲線分析可知，向下的管道內(nèi)，鈣化結(jié)合物沉積現(xiàn)象相比于平鋪管弱。因此，其底部磨損量最大，兩側(cè)次之，頂部最小。管道底部最大磨損量為2.23 mm，最大磨損率為 0.95 mm/100 萬(wàn)m3。

3.3 細(xì)砂磨損特性

細(xì)砂由于顆粒較小，其沉積效果弱，介質(zhì)顆?；咎幱趹腋顟B(tài)。該土質(zhì)條件下不同管道鋪設(shè)形式的磨損特性比較統(tǒng)一。如圖8 所示磨損特性曲線可知，下部磨損量最大、左側(cè)右側(cè)磨損量次之、上部磨損量最小。

圖8 細(xì)砂不同管線鋪設(shè)形式的磨損特性曲線

細(xì)砂輸送條件下，鋼質(zhì)管磨損監(jiān)測(cè)期間累計(jì)輸送145 萬(wàn)m3。其中，順直管最大磨損量0.75 mm，最大磨損速率0.52 mm/100 萬(wàn)m3；爬坡管最大磨損量0.8 mm，最大磨損速率0.55 mm/100 萬(wàn)m3。

3.4 不同土質(zhì)磨損特性對(duì)比分析

結(jié)合前述不同輸送土質(zhì)和不同鋪設(shè)形式條件下鋼質(zhì)管的最大磨損點(diǎn)位及其最大磨損速率，給出了表1 所示的磨損特性匯總，并形成了以下結(jié)論：

表1 不同土質(zhì)最大磨損位置及磨損速速/(mm/100 萬(wàn)m3)

1）較粗顆粒的爬坡管磨損速率相比于平鋪管大約11.1 %；較細(xì)顆粒的爬坡管相比于平鋪管大約5.8 %。

2）不同土質(zhì)輸送條件下，其最大磨損點(diǎn)主要集中在底部及底部?jī)蓚?cè)位置。

3）對(duì)比分析平鋪管在不同土質(zhì)常用疏浚吹填工況下的磨損速率，粗砂磨損速率（1.39 mm/100萬(wàn)m3）最大，鈣化結(jié)合物（1.08 mm/100 萬(wàn)m3）次之，細(xì)砂（0.52 mm/100 萬(wàn)m3）最小。

4 剩余生命周期預(yù)測(cè)與應(yīng)用

4.1 剩余生命周期

疏浚吹填工程，鋼質(zhì)排泥管是重要的施工設(shè)備組成部分，其剩余生命周期對(duì)工程前期管線的配置、施工過(guò)程的連續(xù)性和安全性具有重要的意義。傳統(tǒng)的疏浚吹填過(guò)程中，僅根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)排泥管磨損速率（剩余生命周期）進(jìn)行主觀判斷，其誤差較大。

因此，本章節(jié)基于前述給出的不同土質(zhì)最大磨損點(diǎn)及其最大磨損速率，并結(jié)合不同土質(zhì)實(shí)用輸送工況條件下的月產(chǎn)能和Q235-DN850 鋼質(zhì)排泥管壁厚安全裕量，根據(jù)公式（2）和公式（3）進(jìn)行剩余生命周期的預(yù)測(cè)與分析。

式中:Clife為剩余生命周期（月）；Prolife為剩余可輸送方量（萬(wàn)m3）；Promonth為疏浚船舶單月產(chǎn)能（萬(wàn)m3）；Tnew為最新測(cè)量獲取的管道壁厚（mm）；T0為安全裕量（mm）。

新制鋼制管厚度一般有24 mm 和18 mm 兩種，另選取12 mm 壁厚舊管進(jìn)行不同壁厚鋼制管可輸送方量預(yù)測(cè)分析。同時(shí)，根據(jù)鋼制管現(xiàn)場(chǎng)感使用情況，壁厚安全裕量約為8 mm。根據(jù)公式（3）計(jì)算給出了不同剩余壁厚條件下，鋼質(zhì)排泥管的剩余可輸送方量，如表2 所示。

基于表2 剩余可輸送方量的預(yù)測(cè)分析結(jié)果，結(jié)合鈣化結(jié)合物月吹填產(chǎn)能109 萬(wàn)m3，細(xì)砂135 萬(wàn)m3，中粗砂80 萬(wàn)m3，根據(jù)公式（2）計(jì)算給出了不同剩余壁厚條件下，鋼質(zhì)排泥管的剩余生命周期，如表3 所示。

表2 不同土質(zhì)鋼質(zhì)排泥管剩余可輸送方量

表3 不同壁厚鋼制管可輸送方量（安全裕量8 mm）

4.2 排泥管全生命周期管理

通過(guò)上述剩余可輸送方量和剩余生命周期的預(yù)測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)了疏浚吹填工程工前舊管調(diào)配、新管設(shè)計(jì)制造、吹填過(guò)程管線排布、竣工后管線入庫(kù)等管線全生命周期高質(zhì)量管理。如圖9 所示，為排泥管全生命周期管理流程。

圖9 排泥管全生命周期管理流程

1）工前調(diào)配：針對(duì)吹填工程管線排布方案和設(shè)計(jì)吹填方量，基于相應(yīng)土質(zhì)磨損速率和庫(kù)存舊管剩余可輸送方量情況，給出浮管、沉管、岸上主管段、岸上支管段和爬坡管等不同鋪設(shè)形式管線的配置方案。

2）過(guò)程維護(hù)：針對(duì)岸上主管段配置管線的壁厚情況，結(jié)合最大磨損速率，制定翻管計(jì)劃和舊管換新計(jì)劃；避免出現(xiàn)單點(diǎn)磨穿，生命周期大大縮短的現(xiàn)象，以此保證管道壁厚的高效利用。

3）竣工管理：吹填工程完成后，通過(guò)不同鋪設(shè)形式管線的累計(jì)吹填方量，完成管線剩余壁厚的預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，便于其他吹填工程的調(diào)配和使用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的不同土質(zhì)吹填工況條件下DN850-Q235 鋼質(zhì)排泥管最大磨損點(diǎn)位和最大磨損速率，可以精確預(yù)測(cè)排泥管的剩余可輸送方量和剩余生命周期。同時(shí)為粗砂、鈣化結(jié)合物和細(xì)砂等土質(zhì)工況的管線高質(zhì)量調(diào)配和維護(hù)工作，提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)所形成的疏浚排泥管全生命周期管理流程，為不同其他吹填土質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。