絞吸式挖泥船減小管線磨損方法及經(jīng)濟性分析

1、<p>　　絞吸式挖泥船減小管線磨損方法及經(jīng)濟性分析</p><p>　　摘要：9029型絞吸式挖泥船在疏浚排距2.5km~4.0km、揚程10m左右、土質以砂巖及泥巖為主的軟巖的施工條件下，開挖難度大，排出泥漿濃度僅為3~6%。且該工況下，常規(guī)開挖方法的管線磨損情況嚴重，不經(jīng)濟。本文以巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚工程為例，研究通過降低管道內(nèi)流速以減少管線磨損的優(yōu)化方法，并對其經(jīng)濟性進行分析。 </p

2、><p>　　關鍵詞：管線、降低流速、減小磨損、經(jīng)濟性 </p><p>　　中圖分類號：TU74文獻標識碼：A文章編號： </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　絞吸式挖泥船排泥管線的消耗磨損主要與材料顆粒和管內(nèi)流體流速有關：顆粒大、流速大情況下管線磨損程度大。在開挖硬土質（軟巖）時，土質顆粒基

3、本是不變的，為了減緩排泥管線的磨損速度、延長管線使用壽命、提高經(jīng)濟效益，最好的辦法就是降低排泥管線內(nèi)流體的流動速度。本文參考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚項目實際資料，以9029型絞吸式挖泥船為研究對象，選定強度在0~4Mpa、標貫擊數(shù)在100bls/210~10mm 的軟巖（砂巖泥巖）為開挖土質，施工排距為2.5~4.0km（水上自浮管650m、其余為水下潛管加岸上管）的工況條件進行探討說明。該工況存在土質挖掘難度大，管內(nèi)濃度較低（3~6%

4、）等特點。 </p><p>　　2減小管線磨損的思路 </p><p>　　根據(jù)相關資料【1】，疏浚材料管道運輸過程中，管道內(nèi)壁磨損主要與：疏浚材料顆粒大小、管內(nèi)流體的流動速度、管道鋼材料三個因素有關。通過數(shù)據(jù)建?？蓪⒛p程度與流體速度及顆粒粒徑用下式進行表達： </p><p>　　其中為磨損率，為顆粒代表粒徑，為流體流速；、為常數(shù)，與管道材質有關。從式中可以看

5、出，在鋼管材料相同的情況下，在極限顆粒范圍內(nèi)，疏浚材料的顆粒越大，對管線的磨損就越大；在極限流速范圍內(nèi)，流速增大對管線磨損就越大。在本文設定工況條件下，鋼管材料及材料顆粒可視為定值，故降低管內(nèi)流體流速是減少管線磨損是唯一方法。 </p><p>　　由于降低流速有可能導致排泥管內(nèi)材料堵塞，需要確定管內(nèi)臨界流速【2】： </p><p>　　式中為流體濃度(%)；為流體中攜帶顆粒的代表粒徑(

6、mm)；為重力加速度(m/s2)；為輸送管道直徑(m)；為代表粒徑土質對應密度。將相關數(shù)值帶入方程后可得9029型絞吸船在一定工況下的臨界流速為： </p><p><b>　　。 </b></p><p>　　參照實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在該工況下，疏浚材料中含有砂巖和泥巖塊體：其平均粒徑約5cm左右，總含量不超過20%。考慮排距2.5~4.0km、濃度3~6%的情況，實際生

7、產(chǎn)流速取4.8m/s。 </p><p>　　實際項目相關數(shù)據(jù)（見下表）與上述計算數(shù)據(jù)相吻合。 </p><p>　　3減小管線磨損的方法 </p><p>　　在本文假定工況下，降低管道內(nèi)流體速度是減少磨損的唯一途徑。降低管道內(nèi)流體流速的方法可分為：1.降低主機功率，減小泥泵轉速，降低流速；2.增加排泥管道直徑，加大過流面積，降低流速。 </p>&

8、lt;p>　　3.1減少主機功率，減小泥泵轉速，降低流速 </p><p>　　降低絞吸式挖泥船生產(chǎn)過程中主機轉速，降低功率，減小泥泵轉速，降低管內(nèi)流速。該方法的優(yōu)點在于減小管線磨損的同時減少了相應的燃油消耗，缺點是絞吸船的排量減小，單位時間內(nèi)實際輸送的疏浚材料減少。 </p><p>　　3.2增加排泥管道直徑，加大過流面積，降低流速 </p><p>　　

9、保持絞吸船主機轉速處于額定狀態(tài)，增大排泥管徑，加大過流面積，降低管內(nèi)流速。該方法優(yōu)點在于減小管線磨損的同時保不影響絞吸船產(chǎn)量，缺點在于燃油消耗保持不變，且管線的制造成本增加。 </p><p>　　在保持主機原有功率不變、工況條件一樣的前提下，管線內(nèi)流體流速約5.6m/s，小時排量約12825m3，要使管線內(nèi)流體流速降到約4.8m/s，經(jīng)計算管線直徑需增加到970mm，實際按950mm考慮。 </p>

10、<p>　　4減小管線磨損的經(jīng)濟性對比分析 </p><p>　　絞吸式挖泥船生產(chǎn)成本主要包括：燃油費用、管線消耗費用、牙齒消耗費用、設備折舊費用、人工費用等【3】。其中燃油和管線費占主導地位，牙齒、設備折舊、人工費等受施工工藝影響較小，視為固定成本。生產(chǎn)總成本可用下式表達： </p><p>　　Q總=Q油+Q管+Q固 </p><p>　　絞吸船工

11、作時的單方成本可視該時段的成本消耗與完成產(chǎn)量的比值。在單位時間內(nèi)兩種方法的固定成本Q固視為相同，那么其單方成本公式分別可按下式進行表述： </p><p>　?、?減小主機轉速：； </p><p>　?、?增加目標排泥鋼管直徑： </p><p>　　上式中t為管線極限使用時長，Q油及Q‘油為不同負荷條件下絞吸船的每小時油耗，Q管及Q‘管為t時段內(nèi)所消耗的不同直徑

12、管線成本，S為絞吸式挖泥船吸口截面面積；及為不同情況下吸口流體速度。在本文假定工況條件下，兩種方法最終的管內(nèi)流體速度可視為相等，均等于；故950mm管線情況下吸口流速與管內(nèi)流速存在下列關系： </p><p>　　由于鋼管在壁厚及材料一定的情況下，制作成本極大程度上與單位長度的用鋼量有關，故Q管及Q‘管在900mm與950mm的條件下存在以下關系： </p><p>　　。為鋼管壁厚（假定

13、法蘭重量不變）。 </p><p>　　故兩種方法的單方成本公式可轉化為： </p><p>　?、?減少主機轉速：； </p><p>　?、?增加目標鋼管直徑： </p><p>　　綜上可得，兩種方法的單方成本之比為： </p><p>　　參考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚工程施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行公式數(shù)據(jù)分析。 <

14、/p><p><b>　　產(chǎn)量及油耗表 </b></p><p>　　注：（高速柴油價每噸折合￥7700元，采用雙泵施工） </p><p>　　目前12m長度的900mm鋼管單根成本￥17850元，同樣長度的950mm鋼管單根成本約￥18710元，排泥鋼管的距離以3000米計。 </p><p>　　將上述數(shù)值帶入公式：

15、</p><p>　　通過計算可以看到，在假設工況條件下，兩種方法的單方成本之比，即通過降低主機轉速降低流速以減小排泥鋼管磨損的方法具有更為合理的經(jīng)濟價值。 </p><p><b>　　5結束語 </b></p><p>　　結合工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)及公式計算分析，筆者發(fā)現(xiàn)通過“降低主機功率、減少主機轉速、降低管內(nèi)流速”的方法能同時延長管線壽命并減少

16、燃油消耗，具有較好的經(jīng)濟價值。由此可得，絞吸式挖泥船排距在一定范圍內(nèi)，開挖軟巖，排泥濃度受到一定限制時，可通過合理降低主機轉速，降低流速，減少排泥鋼管的磨損，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　{1}高萬夫，管道彎頭磨損特性的研究，石油化工高等學校學報，2003.12. </p><p>