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摘要：9029型绞吸式挖泥船在疏浚排距2.5km~4.0km、揚程10m左右、土质以砂岩及泥岩为主的软岩的施工条件下，开挖难度大，排出泥浆浓度仅为3~6%。且该工况下，常规开挖方法的管线磨损情况严重，不经济。本文以巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚工程为例，研究通过降低管道内流速以减少管线磨损的优化方法，并对其经济性进行分析。
关键词：管线、降低流速、减小磨损、经济性
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
1引言
绞吸式挖泥船排泥管线的消耗磨损主要与材料颗粒和管内流体流速有关：颗粒大、流速大情况下管线磨损程度大。在开挖硬土质（软岩）时，土质颗粒基本是不变的，为了减缓排泥管线的磨损速度、延长管线使用寿命、提高经济效益，最好的办法就是降低排泥管线内流体的流动速度。本文参考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚项目实际资料，以9029型绞吸式挖泥船为研究对象，选定强度在0~4Mpa、标贯击数在100bls/210~10mm 的软岩（砂岩泥岩）为开挖土质，施工排距为2.5~4.0km（水上自浮管650m、其余为水下潜管加岸上管）的工况条件进行探讨说明。该工况存在土质挖掘难度大，管内浓度较低（3~6%）等特点。
2减小管线磨损的思路
根据相关资料【1】，疏浚材料管道运输过程中，管道内壁磨损主要与：疏浚材料颗粒大小、管内流体的流动速度、管道钢材料三个因素有关。通过数据建模可将磨损程度与流体速度及颗粒粒径用下式进行表达：
其中为磨损率，为颗粒代表粒径，为流体流速；、为常数，与管道材质有关。从式中可以看出，在钢管材料相同的情况下，在极限颗粒范围内，疏浚材料的颗粒越大，对管线的磨损就越大；在极限流速范围内，流速增大对管线磨损就越大。在本文设定工况条件下，钢管材料及材料颗粒可视为定值，故降低管内流体流速是减少管线磨损是唯一方法。
由于降低流速有可能导致排泥管内材料堵塞，需要确定管内临界流速【2】：
式中为流体浓度(%)；为流体中携带颗粒的代表粒径(mm)；为重力加速度(m/s2)；为输送管道直径(m)；为代表粒径土质对应密度。将相关数值带入方程后可得9029型绞吸船在一定工况下的临界流速为：
。
参照实际生产数据，在该工况下，疏浚材料中含有砂岩和泥岩块体：其平均粒径约5cm左右，总含量不超过20%。考虑排距2.5~4.0km、浓度3~6%的情况，实际生产流速取4.8m/s。
实际项目相关数据（见下表）与上述计算数据相吻合。
3减小管线磨损的方法
在本文假定工况下，降低管道内流体速度是减少磨损的唯一途径。降低管道内流体流速的方法可分为：1.降低主机功率，减小泥泵转速，降低流速；2.增加排泥管道直径，加大过流面积，降低流速。
3.1减少主机功率，减小泥泵转速，降低流速
降低绞吸式挖泥船生产过程中主机转速，降低功率，减小泥泵转速，降低管内流速。该方法的优点在于减小管线磨损的同时减少了相应的燃油消耗，缺点是绞吸船的排量减小，单位时间内实际输送的疏浚材料减少。
3.2增加排泥管道直径，加大过流面积，降低流速
保持绞吸船主机转速处于额定状态，增大排泥管径，加大过流面积，降低管内流速。该方法优点在于减小管线磨损的同时保不影响绞吸船产量，缺点在于燃油消耗保持不变，且管线的制造成本增加。
在保持主机原有功率不变、工况条件一样的前提下，管线内流体流速约5.6m/s，小时排量约12825m3，要使管线内流体流速降到约4.8m/s，经计算管线直径需增加到970mm，实际按950mm考虑。
4减小管线磨损的经济性对比分析
绞吸式挖泥船生产成本主要包括：燃油费用、管线消耗费用、牙齿消耗费用、设备折旧费用、人工费用等【3】。其中燃油和管线费占主导地位，牙齿、设备折旧、人工费等受施工工艺影响较小，视为固定成本。生产总成本可用下式表达：
Q总=Q油+Q管+Q固
绞吸船工作时的单方成本可视该时段的成本消耗与完成产量的比值。在单位时间内两种方法的固定成本Q固视为相同，那么其单方成本公式分别可按下式进行表述：
①.减小主机转速：；
②.增加目标排泥钢管直径：
上式中t为管线极限使用时长，Q油及Q‘油为不同负荷条件下绞吸船的每小时油耗，Q管及Q‘管为t时段内所消耗的不同直径管线成本，S为绞吸式挖泥船吸口截面面积；及为不同情况下吸口流体速度。在本文假定工况条件下，两种方法最终的管内流体速度可视为相等，均等于；故950mm管线情况下吸口流速与管内流速存在下列关系：
由于钢管在壁厚及材料一定的情况下，制作成本极大程度上与单位长度的用钢量有关，故Q管及Q‘管在900mm与950mm的条件下存在以下关系：
。为钢管壁厚（假定法兰重量不变）。
故两种方法的单方成本公式可转化为：
①.减少主机转速：；
②.增加目标钢管直径：
综上可得，两种方法的单方成本之比为：
参考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚工程施工统计数据进行公式数据分析。
产量及油耗表
注：（高速柴油价每吨折合￥7700元，采用双泵施工）
目前12m长度的900mm钢管单根成本￥17850元，同样长度的950mm钢管单根成本约￥18710元，排泥钢管的距离以3000米计。
将上述数值带入公式：
通过计算可以看到，在假设工况条件下，两种方法的单方成本之比，即通过降低主机转速降低流速以减小排泥钢管磨损的方法具有更为合理的经济价值。
5结束语
结合工程统计数据及公式计算分析，笔者发现通过“降低主机功率、减少主机转速、降低管内流速”的方法能同时延长管线寿命并减少燃油消耗，具有较好的经济价值。由此可得，绞吸式挖泥船排距在一定范围内，开挖软岩，排泥浓度受到一定限制时，可通过合理降低主机转速，降低流速，减少排泥钢管的磨损，创造更大的经济效益。
参考文献：
{1}高万夫，管道弯头磨损特性的研究，石油化工高等学校学报，2003.12.
{2}李浩，绞吸式挖泥船泥泵技术设计及研究，中国水运，2009.12.
{3}刘守金，绞吸式挖泥船施工与管理【M】.北京：中国水利水电出版社2005（12）：1.
关键词：管线、降低流速、减小磨损、经济性
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
1引言
绞吸式挖泥船排泥管线的消耗磨损主要与材料颗粒和管内流体流速有关：颗粒大、流速大情况下管线磨损程度大。在开挖硬土质（软岩）时，土质颗粒基本是不变的，为了减缓排泥管线的磨损速度、延长管线使用寿命、提高经济效益，最好的办法就是降低排泥管线内流体的流动速度。本文参考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚项目实际资料，以9029型绞吸式挖泥船为研究对象，选定强度在0~4Mpa、标贯击数在100bls/210~10mm 的软岩（砂岩泥岩）为开挖土质，施工排距为2.5~4.0km（水上自浮管650m、其余为水下潜管加岸上管）的工况条件进行探讨说明。该工况存在土质挖掘难度大，管内浓度较低（3~6%）等特点。
2减小管线磨损的思路
根据相关资料【1】，疏浚材料管道运输过程中，管道内壁磨损主要与：疏浚材料颗粒大小、管内流体的流动速度、管道钢材料三个因素有关。通过数据建模可将磨损程度与流体速度及颗粒粒径用下式进行表达：
其中为磨损率，为颗粒代表粒径，为流体流速；、为常数，与管道材质有关。从式中可以看出，在钢管材料相同的情况下，在极限颗粒范围内，疏浚材料的颗粒越大，对管线的磨损就越大；在极限流速范围内，流速增大对管线磨损就越大。在本文设定工况条件下，钢管材料及材料颗粒可视为定值，故降低管内流体流速是减少管线磨损是唯一方法。
由于降低流速有可能导致排泥管内材料堵塞，需要确定管内临界流速【2】：
式中为流体浓度(%)；为流体中携带颗粒的代表粒径(mm)；为重力加速度(m/s2)；为输送管道直径(m)；为代表粒径土质对应密度。将相关数值带入方程后可得9029型绞吸船在一定工况下的临界流速为：
。
参照实际生产数据，在该工况下，疏浚材料中含有砂岩和泥岩块体：其平均粒径约5cm左右，总含量不超过20%。考虑排距2.5~4.0km、浓度3~6%的情况，实际生产流速取4.8m/s。
实际项目相关数据（见下表）与上述计算数据相吻合。
3减小管线磨损的方法
在本文假定工况下，降低管道内流体速度是减少磨损的唯一途径。降低管道内流体流速的方法可分为：1.降低主机功率，减小泥泵转速，降低流速；2.增加排泥管道直径，加大过流面积，降低流速。
3.1减少主机功率，减小泥泵转速，降低流速
降低绞吸式挖泥船生产过程中主机转速，降低功率，减小泥泵转速，降低管内流速。该方法的优点在于减小管线磨损的同时减少了相应的燃油消耗，缺点是绞吸船的排量减小，单位时间内实际输送的疏浚材料减少。
3.2增加排泥管道直径，加大过流面积，降低流速
保持绞吸船主机转速处于额定状态，增大排泥管径，加大过流面积，降低管内流速。该方法优点在于减小管线磨损的同时保不影响绞吸船产量，缺点在于燃油消耗保持不变，且管线的制造成本增加。
在保持主机原有功率不变、工况条件一样的前提下，管线内流体流速约5.6m/s，小时排量约12825m3，要使管线内流体流速降到约4.8m/s，经计算管线直径需增加到970mm，实际按950mm考虑。
4减小管线磨损的经济性对比分析
绞吸式挖泥船生产成本主要包括：燃油费用、管线消耗费用、牙齿消耗费用、设备折旧费用、人工费用等【3】。其中燃油和管线费占主导地位，牙齿、设备折旧、人工费等受施工工艺影响较小，视为固定成本。生产总成本可用下式表达：
Q总=Q油+Q管+Q固
绞吸船工作时的单方成本可视该时段的成本消耗与完成产量的比值。在单位时间内两种方法的固定成本Q固视为相同，那么其单方成本公式分别可按下式进行表述：
①.减小主机转速：；
②.增加目标排泥钢管直径：
上式中t为管线极限使用时长，Q油及Q‘油为不同负荷条件下绞吸船的每小时油耗，Q管及Q‘管为t时段内所消耗的不同直径管线成本，S为绞吸式挖泥船吸口截面面积；及为不同情况下吸口流体速度。在本文假定工况条件下，两种方法最终的管内流体速度可视为相等，均等于；故950mm管线情况下吸口流速与管内流速存在下列关系：
由于钢管在壁厚及材料一定的情况下，制作成本极大程度上与单位长度的用钢量有关，故Q管及Q‘管在900mm与950mm的条件下存在以下关系：
。为钢管壁厚（假定法兰重量不变）。
故两种方法的单方成本公式可转化为：
①.减少主机转速：；
②.增加目标钢管直径：
综上可得，两种方法的单方成本之比为：
参考巴基斯坦卡拉奇深水港疏浚工程施工统计数据进行公式数据分析。
产量及油耗表
注：（高速柴油价每吨折合￥7700元，采用双泵施工）
目前12m长度的900mm钢管单根成本￥17850元，同样长度的950mm钢管单根成本约￥18710元，排泥钢管的距离以3000米计。
将上述数值带入公式：
通过计算可以看到，在假设工况条件下，两种方法的单方成本之比，即通过降低主机转速降低流速以减小排泥钢管磨损的方法具有更为合理的经济价值。
5结束语
结合工程统计数据及公式计算分析，笔者发现通过“降低主机功率、减少主机转速、降低管内流速”的方法能同时延长管线寿命并减少燃油消耗，具有较好的经济价值。由此可得，绞吸式挖泥船排距在一定范围内，开挖软岩，排泥浓度受到一定限制时，可通过合理降低主机转速，降低流速，减少排泥钢管的磨损，创造更大的经济效益。
参考文献：
{1}高万夫，管道弯头磨损特性的研究，石油化工高等学校学报，2003.12.
{2}李浩，绞吸式挖泥船泥泵技术设计及研究，中国水运，2009.12.
{3}刘守金，绞吸式挖泥船施工与管理【M】.北京：中国水利水电出版社2005（12）：1.