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排泥管缩口在吹填工程中合理应用

刘凯锋　　丁和章

绞吸挖泥船泥泵特性与排泥管路特性是相匹配的, 施工工况点必须是泥泵特性曲线与排泥管路特性曲线的交点。要使它们达到合理匹配很关键的, 否则泥泵驱动装置就不能正常工作。特别是绞吸挖泥船在较短排泥管线上输送泥浆的情况下, 即使用一台泥泵, 泥泵驱动装置开到最低稳定转速流量依然过大, 原动机超过额定功率, 因而无法施工, 在这种情况下一般采取以下措施:
1、 切割叶轮直径: 泥泵叶轮直径切削后, 泥泵的流量、 扬程、 功率相应变化, 以适应短管线的施工要求。此措施经济收益好, 但切削要求高, 在较长时间、 短管线施工应采取此措施施工。
2、 降低泥泵柴油机转速, 以适应相对短排距的工况。此方法较为经济, 但不可长期使用。
3、 增加排泥管阻力: 可采用排泥管出口高度、 增加排泥管长度、 弯头数、 缩口等增加排泥管远程阻力损失。这是简便易行的措施, 常常被施工单位采用, 但此方法能量消耗很大。
由于排泥管出口加装缩口在施工过程中经常采用, 下面浅谈如何合理运用缩口来解决短排泥管线下达到较高的产量和效益。
一般在施工前首先要收集好各方面基本资料。排泥管是基本资料: 水上排泥管直径、 长度; 陆上排泥管直径、 长度; 总弯头数及弯头角度等, 然后折算成钢质直管长度。其次设定一个合适的泥浆浓度, 计算该土质、 该浓度下的每米钢质直管的沿程阻力损失值, 乘以折算成总排泥管长度得到施工所需要的水头损失值h2, 然后用泥泵在这种工况下能够提供的额定扬程h1减去施工所需的管线远程阻力损失值h2, 得到的一个差值即管路需要增加的水头h, 根据以下公式计算:
V=C　 　　　　　　　　　　　　　－( 1)
式中: g为重力加速度取9.81( m/s2)
可计算出经过管路的需要增加的水头h的流速V( m/s) 。
再代入以下公式计算:
D=2 　 　　　　　　　　－( 2)
式中: Qo( m3/s) 为额定功率下的流量
C 为系数, 一般选0.85～0.9
计算得到理论上所需的缩口直径D( m) 的大小。
下面以新海鹰轮在金山工地施工举例说明。新海鹰轮使用水下泵加1个舱内泵配置内径800mm、 缩口直径450mm的排泥管输送泥浆, 其中船上排泥管长100m、 水上排泥管长630m、 水下排泥管长2313m、 陆上排泥管长345m, 加上各种弯头等因素, 其实际排距约为3400m。其泥泵额定总功率为N=4295kW(新海鹰水下泵叶轮直径从原来的1725mm切削至1660mm, 其泥泵功率变为1650 kW, 舱内泵功率为2645kW), 从新海鹰轮的泥泵特性曲线(见图三)查找出其额定流量Qo=2.50( m3/s) , 水下泵加一个舱内泵泵送30％浓度的粉砂泥浆时泥泵能够提供的扬程h1=131.0(m水柱)。排泥管路的每米水头损失值计
图一 泥泵特性曲线图
算公式:
=　 　　　　　　　　　－( 3)
其中: ＝
式中: 泥浆每米的管路水头损失值(m水柱);
V管路泥泵平均流速4.8 (m/s);
D管路内径800(mm);
g重力加速度9.81(m/s2);
清水管路阻力系数0.0125;
KD 实验系数 121;
当粉砂浓度P=30%时, 土颗粒体积浓度C=13.9%, 泥浆密度=1.258(t/m3); 土颗粒密度＝2.70(t/m3); 颗粒平均直径=0.075(mm); 土砂颗粒沉降速度vss=0.006(m/s)。
利用公式( 3) 计算得到工程所需的管线沿程阻力损失值
h2＝123.4 (m水柱),
h＝h1－h2＝7.6(m水柱)
代入公式( 1) 、 ( 2) 计算得到理论上所需的缩口直径D＝640mm。
当时施工时采用的是直径为450mm的缩口, 管内流速受到了限制, 同时也限制了浓度的提高。于是我们提议把缩口直径扩大为600mm后, 总排出压力下降, 流速得到调节, 其浓度得到较为明显的提高。缩口直径改变前后施工工况的变化如图二、 图三所示。
按上面的步骤同样能够计算出各种浓度泥浆在相同的排距下加

图二 缩口直径改变前
图三 缩口直径改变后
不同直径缩口增加的水头值变化, 见下表所示。
经过以上实例说明合理应用排泥管缩口是非常重要。
合理使用各种不同缩口可使施工人员在有限工况内提高浓度与产量, 同样道理, 排泥管缩口一定要随工程进展而相应变化, 不可一个缩口做到底, 反之仅仅只作一个”消能器”的作用, 特别在油料价格不断上涨的今天更为突出。

新海鹰轮加不同缩口后所增加的水头计算表
( 实际排距为3400m)

清水
粉砂P=20%
粉砂P=30%
缩口
直径
D(m)
缩口后的
流速V( m/s)
增加的
水头值h( m)
增加的
排距L
(m)
流量
Q0
缩口后的
流速V( m/s)
增加的
水头值h( m)
增加的
排距L
(m)
流量Q0
缩口后的
流速V( m/s)
增加的
水头值h( m)
增加的
排距L
(m)
流量Q0
0.35
35.56
159.18
5271
3.42
( m3/s)
12300( m3/h)
28.91
105.18
2988
2.78
( m3/s) 10000( m3/h)
26.00
85.06
2343
2.50
( m3/s) 9000( m3/h)
0.40
27.23
93.31
3090
22.13
61.65
1752
19.90
49.86
1374
0.45
21.51
58.25
1929
17.49
38.49
1093
15.73
31.13
857
0.50
17.43
38.22
1266
14.17
25.25
717
12.74
20.42
563
0.55
14.40
26.10
864
11.71
17.25
490
10.53
13.95
384
0.60
12.10
18.43
610
9.84
12.18
346
8.85
9.85
271
0.65
10.31
13.38
443
8.38
8.84
251
7.54
7.15
197
根据公式V=C　, D=2 其中, C取0.9, Q0用功率限制线来确定, 计算出缩口后的流速V后再计算增加的水头值h, 再根据增加的水头值h确定增加的排距。

作者简介: 刘凯锋( 1979－) 　男, 广东省人, A类三管轮, 现从事疏浚技术开发工作。