遠海疏浚時船舶施工效率影響因素分析

楊衛東 白 軍

一、引言

針對不同類型的工程和不同的土質，耙吸式挖泥船有不同的施工工藝。如果是一般的航道拓寬或維護疏浚工程，先是從航道挖取泥沙，然后將泥沙運到指定區域拋掉；如果是吹填工程，施工的整個環節是挖取泥沙、運泥沙、將泥沙吹填到指定地點，吹填結束后再航行到指定地點取泥沙重復以上環節。一般來說，耙吸式挖泥船取泥沙裝艙的過程中，泥沙依次流經的疏浚設備有耙頭、耙臂管、泥泵吸口管（吸口閘閥）、泥泵、泥泵排出管、進艙管（進艙閘閥）、消能箱或出流泥槽、泥艙。根據施工工藝和挖泥設備的不同，可從外界影響和硬件設備兩方面對影響施工效率的因素進行分析。

二、施工效率影響因素

1.珊瑚礁底質的影響

以某新型疏浚船舶在遠海工程施工為例，每船次施工4小時裝艙方量僅2 000方左右，該船艙容是10 508方，裝艙方量達到5 000方以上才基本滿足施工任務要求。施工效率較低的主要原因是工程的底質特殊，遠海工程施工的區域一般都有珊瑚礁盤，需要挖取珊瑚礁石和白色細粉顆粒，珊瑚礁石大小不一，形狀不規則，大的石塊長度有0.5米左右，直徑在300～400毫米的石塊較多，圖1和圖2所示為在耙頭格柵內和下方的珊瑚礁石。

圖1 耙頭格柵內的珊瑚礁石

圖2 耙頭下方的珊瑚礁石

大部分珊瑚礁石不是致密的石料，高壓水對其沒有破碎作用，只能通過耙頭的重力和耙齒壓破少量的石塊。在施工過程中因無法避免這些珊瑚礁石，對耙吸式挖泥船施工效率必然產生一定影響。

2.耙頭類型及構造的影響

疏浚設備中關鍵部分通常是耙頭和泥泵，其他設備如泥管和閘閥對施工效率并沒有太大影響，因為珊瑚礁石外形尺寸只要不超過耙頭格柵尺度，且能被泥泵吸起來就可順利通過泥管和閘閥、三通管件等。一般國產的耙吸式挖泥船耙管、泥泵吸口、泥泵排出管、進艙管直徑為900毫米左右，但耙頭的類型和耙頭格柵的大小對挖泥船取沙裝艙的效率也有一定的影響。該輪使用的新型雙排齒耙頭，耙齒較小，對中細沙和淤泥的挖取效果較好，但是對石塊的挖取難度較大，耙齒和齒座也容易折斷丟失。為了提高該輪的施工效率，先后對耙頭進行了多種方案的改造試驗。該輪到達施工現場施工的第一天，發現耙頭的格柵容易卡住珊瑚石塊，石塊堵住格柵后，造成左右泥泵吸入真空度增大，泥泵流速下降，施工第一船次試挖的數據證實了這一情況，表1所示為某新型挖泥船深海試挖試驗數據。放耙泥泵離合器剛合上時，左右泥泵流速約為9.2米/秒和9.5米/秒，泥泵持續運行15分鐘后，流速分別降到5.9米/秒和4.9米/秒，泥泵吸口真空度最高達到-0.81巴。

表1 某新型挖泥船深海試挖的數據表

耙頭格柵由多個長方形組成，長方形尺寸為30 毫米×250毫米。因為格柵間隔的尺寸較小，石塊堵在格柵處，減少了耙頭的通流面積，造成泥泵吸不到足夠的水而產生高真空，使泥泵的取沙效率大大降低。泥泵在后續的運行中，流速偶爾增加，但大部分時間都在降低，使操耙手找不到操作規律。

根據各部門數據統計分析并總結施工現場其他耙吸式挖泥船耙頭改造的成功經驗，割除耙頭活動罩的前排格柵并將后排格柵加大。耙頭格柵間隔加大，有利于大塊的珊瑚礁石通過耙頭和耙管（石頭最大尺寸不超過格柵的大?。?，到達泥泵吸口處。利用圓鋼將格柵做成間隔400毫米，形狀為正方形，再投入施工中。從施工的數據看出，從泥泵離合器合上開始挖取泥沙，大約運行了15分鐘，泥泵流速從9.2米/秒降到3.5米/秒，但是泥泵吸入真空并沒有降低太多，最大真空-0.09巴出現在泥泵運行分鐘的時候。15分鐘里的后半段，泥泵吸入真空壓力是正壓力0.36巴左右。但泥泵運轉時吸口處壓力為正值，就形成不了挖取泥沙和石塊需要的泵吸能力，沙水混合物濃度和泥泵流速都太小，泥泵挖取泥沙效率很低。為了不讓擋板影響耙齒入土的深度，減小擋板入土的深度，后續對耙頭的其他部位也進行修改，例如將耙頭兩側的擋板割平，將安裝在耙頭處的珊瑚切割器加長，使其更易切割珊瑚。但是對施工效率的幫助收效甚微，排除了耙頭格柵改造實驗成功的可能性。

3.泥泵性能的影響

泥泵的形式和功率尺寸的不同、泥泵轉速的差異也會對施工效率產生一定影響。對泥泵進行拆解檢查分析，檢查泥泵內是否有石塊或者異物，核實最近一次泥泵檢修時間是否過長，檢查是否泥泵本身磨損程度大而導致施工效率上不去，檢查泥泵測量前后襯板間隙和葉輪磨損情況是否也會產生影響。

還以該輪為例，對拆開后的泥泵進行測量，測定泥泵襯板前后間隙和葉輪磨損情況，發現只有葉輪稍微磨損，前后襯板并沒有明顯磨損，舊葉輪的厚度比新葉輪厚度減少5毫米，前后襯板厚度只減少0～0.5毫米，泥泵原前襯板間隙為6毫米，后襯板間隙為4毫米。表2所示為泥泵幾個重要部件的尺寸參數。

表2 泥泵重要部件尺寸參數mm

為使泥泵的性能恢復到出廠時的良好狀態，可以換新泥泵葉輪；同時，為減少前襯板的間隙，在安裝泥門前端蓋前，在肩胛環底部使用橡皮墊高毫米，使前襯板間隙減少到4毫米。這樣泥泵的間隙和新泥泵基本無異，性能也得到了很大的改善。泥泵拆裝好以后，合上氣胎離合器，接著試該輪的取沙效率。試驗的結果是泥泵的取沙效率基本沒有改善，看來取沙效率低并不是泥泵的裝配間隙大造成的。

為了查找出該輪施工效率低的原因，將該輪的泥泵尺寸和現場其他兩艘取沙效率高的船舶泥泵進行對比。泥泵的核心是葉輪，葉輪葉片的數量和曲線形式、尺寸的大小和轉速的不同是泥泵效率的關鍵，這些因素基本決定了泥泵的作用和能力。表3所示為三種不同類型泥泵葉輪參數。

表3 三種泥泵葉輪對比情況表

通過表3可見，三艘船的施工效率和泥泵的每船次裝艙土方量為1000WN＞ZB200-1000A＞900 WN，出現ZB200-1000 A的泥泵施工效率比900 WN大的主要原因是泥泵所挖取的泥沙、礫石容易卡住葉輪和耙頭格柵，通過表2和表3對比葉輪最小通流面積可以看出，900 WN泥泵的葉輪尺寸比其他兩個葉輪都小，部分通過耙頭格柵的石塊卡在葉輪上，因為施工區石塊的尺寸大部分在300～400毫米，而900 WN的葉輪葉片之間最小流道寬度在220～260毫米，長度是375毫米。圖3和圖4分別為1 000 WN和900 WN葉輪葉片間最小流道寬度。

圖3 1 000 WN葉輪葉片間最小流道寬度

圖4 900 WN葉輪葉片間最小流道寬度

檢查泥泵吸口短管導門時沒有發現任何石塊卡在葉輪上，所以對珊瑚礁石卡住葉輪說法的可靠性提出質疑。后續觀察中沒有發現石塊卡在葉輪上，因為泥泵運行時礁石卡住葉片之間的流道，泥泵停轉時上部12米左右的水流倒灌沖走卡在葉片最小流道處的石塊，所以泥泵停轉打開導門進入檢查時沒有發現石塊在葉輪上，石塊有可能被沖到吸口閘閥周圍或者耙臂彎管處。

參照同一海域的絞吸式施工船舶，也遇到同樣的問題——石塊卡在泥泵葉輪位置。當絞吸船水下泥泵使用五片葉子的葉輪時，流速就會降低很快，葉輪吸口處容易卡住石頭，后來改換用三片葉子的葉輪，葉輪卡石頭的情況明顯好轉，施工效率得到了較大提升。圖5所示為卡住水下泵葉輪的石塊。從這一點驗證了泥泵葉輪吸口最小通流面積處卡住石塊的實際存在。葉輪卡住石塊后，容易產生堆積并使葉輪的流量大幅度降低。如果是四片葉子的泥泵葉輪，每封堵一個吸腔通道（兩個葉片間的流道），就會降低泥泵最大流量的1/4，通過吸排泥管的流體流速也將降低1/4。

圖5 卡住水下泵葉輪的石塊

三、主要因素分析

通過以上影響因素的分析可以看出，泥泵葉輪對施工效率有著決定性作用。用流經泥泵的流體來分析和驗證，當流體流速下降時會造成泥泵吸口真空上升，與流體在管道中流動產生的壓力降有直接關系。泥泵吸口真空形成的主要因素是流體在管道中產生的壓力降，當海水流經耙管、泥泵吸口管產生的壓力降，假設耙頭吸腔沒有被堵住，利用范寧（Fanning）方程式來計算，該方程式是圓截面管道摩擦壓力降計算的通式，層流和湍流兩種流動形態均適用[1]。

由于流體和管道管件等內壁摩擦產生的壓力降稱為摩擦力壓降。摩擦壓力降都是正值，表示壓力下降，使用當量長度法表示[2]。

其中：△Pf為管道總摩擦壓力降，千帕；λ為摩擦系數，無因次；L為管道長度，米；D為管道內直徑，米；∑K為管件、閥門等阻力系數之和，無因次；u為流體平均流速，米/秒；ρ為流體密度，噸/立方米。

首先計算耙臂管長度：直管長度L=41.6-.5=40.5米，彎管長度相當于Le=18D=18米；泥泵吸海水時，λ=0.012 5，流速u=9米/秒，海水密度ρ= 1.025噸/立方米，可得耙臂管摩擦壓力降：

△P1=0.012 5×58.5×81×1.025/2=0.304巴

泥泵吸口管長度：直管長度L=7.4米，彎管長度相當于Le=16 D=16米；泥泵吸海水時，λ=.012 5，流速u=9米/秒，海水密度ρ=1.025噸/立方米，可得泥泵吸口管摩擦壓力降:

總的壓力降為△Pf=△P1+△P2=0.425巴

根據該輪近期的吃水，如果裝載方在1 000立方米左右時，首尾吃水分別是7.3米和8.0米，假定船舶沒有左右傾斜，泥泵沒有泵吸海水時，泥泵左右真空值是吸口吃水壓力約0.48巴，那么泥泵以挖泥轉速泵吸海水時，左右真空值為0.48-0.425=0.055巴，如果泵吸泥沙時，這個真空值很容易就變為負值。如果泥泵的流量降低1/4，流速變為6.75米/秒時，壓力降變小。表4所示為泥泵泵吸海水時不同流速情況下的壓力降數值表。

表4 該輪泥泵不同流速情況下的壓力降數值

從表4看出，隨著流體流速的降低，壓力降下降幅度很小，所以當流速因為葉輪堵塞下降一半后，泥泵吸口真空就很難變為負值，即使泥泵吸取的泥沙濃度較高，也很難達到負值。

四、結論

耙頭格柵堵塞使泥泵吸入真空度增加，如果泥泵葉輪堵塞則使流速降低，那么泥泵吸入真空度就很難成為負值，因為流體在耙臂管中流動產生的壓力降很小，即使固液兩相流的濃度較高，也很難產生大的壓力降，而流速對摩擦壓力降影響較大，因為流速和摩擦壓力降是平方關系。所以遠海作業中，耙吸式挖泥船泥泵葉輪直接限制了其挖取礁石的能力，特別是大尺寸的石塊，耙頭格柵的尺寸?。ú淮笥谀啾萌~輪最小通流面積）也容易造成格柵堵塞。采取增加泥泵最小通流面積，減少葉片數，即將四片改為三片葉輪的措施，使通流面積加大，對葉輪堵塞情況有改善作用，將提高遠海疏浚船舶的施工效率。

[1]鄧祥吉.管道輸沙阻力特性研究[D].南京:河海大學,2005.

[2]陽子軒.復雜管道泄漏檢測技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2011.