耙吸挖泥船艏吹生產效率計算方法與分析

江帥，王費新，韓政

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

1 概述

受限于泥泵性能配備及其作業模式，尤其是艙容量不大的中小型耙吸挖泥船，帶艏吹裝置的耙吸挖泥船[1]進行單獨的吹填施工，雖然經濟性不如絞吸挖泥船，但在采砂區較遠、難以采用絞吸挖泥船作業的疏浚吹填結合的工程，或施工區域海況不適合其他類型挖泥船作業的工程，均可考慮采用帶艏吹裝置的耙吸挖泥船施工[2]。隨著環保意識的增強和特定工程的要求，對耙吸挖泥船到離岸深海區取砂、運輸到近岸區艏吹造陸的需求日益增長[3]，耙吸挖泥船艏吹作業方式得到了廣泛的應用。

疏浚船舶機具設備的性能特性，是疏浚設備選擇的基礎條件。就耙吸挖泥船而言，其艏吹作業的生產效率，是決定是否采用挖運吹施工方式的重要考量參數，同時，也是影響耙吸挖泥船綜合生產效率的重要指標。然而，受限于泥泵管道輸送系統的復雜性，目前還沒有商業化的計算軟件或公開發表的成熟計算模型[4]。李銘志等[4]開發了基礎數據庫、以工程為主導、集成多種常用計算方法的耙吸挖泥船艏吹計算分析軟件，并應用大量工程進行驗證。但針對特定工程土質及其他工程條件，各種分析計算方法的適用性及其計算精度，還有待于進一步的研究和探討。因此，運用現場實測數據資料，結合泥泵性能特性以及管道兩相流輸送相關理論和經驗，對現有研究成果及工程經驗進行驗證和分析，論證其計算精度及可靠性，為耙吸挖泥船艏吹作業生產效率的分析計算及優化改進提供技術支撐。

2 艏吹作業主要參數及其分析計算方法

耙吸挖泥船艏吹作業效率主要取決于船舶設備功能性能配備、工程地質及自然環境、以及施工作業參數的選擇及控制優化。其中，機船設備主要為泥泵及管道布置；工程土質條件是決定和影響泥泵性能特性以及管道兩相流輸送特性的重要因子，施工區域地形地勢條件會影響吹填管線的走向和布置。在指定工程以及施工船舶機具設備情況下，通過調節泥門、泥泵轉速等參數，可在一定程度上改變輸送流量、濃度等施工作業參數，進而影響產量及生產效率。

2.1 泥泵性能特性

泥泵清水性能特性，包括流量-揚程、功率、效率關系，是泥泵固有特性參數。泥泵輸送泥漿時的特性，較清水特性更為復雜。其中，泥泵輸送泥漿揚程-流量特性是挖泥船產量計算的基礎工作之一。根據現有的工程經驗來看，國內大型耙吸挖泥船采用Stepanoff經驗公式[7]計算結果與實測值符合較好。

式中：HR為壓頭下降比；Hf、Hm分別為泥泵清水揚程及輸送泥漿揚程，mH2O；ρf、ρm分別為清水密度及輸送泥漿密度，kg/m3；dm為顆粒平均粒徑；Cvd為土顆粒體積密度。

2.2 管道阻力損失

耙吸船艏吹作業過程中管道阻力損失hm主要由沿程阻力損失、局部阻力損失（進口、出口等）、爬高損失幾部分組成，即有：

式中：hm為管道阻力損失，mH2O；k為艏吹管道中按管徑劃分的管道的總組數；Imi為第i組管道輸送泥漿的單位長度摩阻損失，mH2O/m；li、lei分別為第i組管道的長度及其局部阻力的折算長度，m；ξ0為管道進口損失系數，通常取值為0.5；vin、vout分別為管道進口、出口的斷面平均流速；g為重力加速度，m/s2；Y、Z分別為艙內水面至管道進口的高度以及水面至出口中心的高度，m。

目前常用與輸送泥漿單位長度摩阻損失Im計算的經驗公式主要有Durand公式、Führb?ter公式、Jufin&Lopatin公式、Wilson&GIW公式等[5-6]，由于兩相流問題的復雜性，還未形成一致公認的計算公式或方法。其中Durand公式如下：

式中：If為輸送清水的單位長度摩阻損失，mH2O/m；D為管道內徑，m；Ss為土顆粒比重；νt為顆粒凈水沉速，m/s；KD為試驗系數，規范[7]推薦取值為121，根據工程實測經驗，大管道高濃度工況下應進行修正，修正公式如下：

2.3 臨界流速

為防止堵管，管道內泥漿流速需高于某一極限值。疏浚工程中一般取為特定條件下管道中泥沙顆粒從保持懸浮狀態到開始出現沉淀的流速，即臨界流速。對于砂性土，規范[7]推薦采用以下公式計算臨界流速vc，m/s：

2.4 產量

在設定泥泵轉速及泥漿密度條件下，由式（1）、式（2）可分別計算得到泥泵流量-揚程曲線、以及流量-管道阻力損失曲線，兩者交點即為泥泵-管道輸送系統工作點，對應流量為泥漿輸送體積流量Qm，m3/s。為防止堵管，要求管道內泥漿流速大于臨界流速，并富余一定的安全余量。挖泥船產量Qs，m3/h，即為泥漿體積流量與固體輸送體積濃度的乘積：

工程上也常采用體積流量與原狀土體積濃度Cv0的乘積來表示挖泥船產量Qs0。

2.5 能耗

Matousek（2002）采用單位能耗（SEC），即每米管段的能耗與管道固體輸送產量之比，來評估泥漿管道輸送的能耗。該參數用于長距離管道輸送（管道阻力損失中沿程阻力損失占主導）情況下能耗分析是適宜的，但對于耙吸挖泥船艏吹，尤其是輸送距離較短、局部損失和爬高損失占據相當比例的工況下，更宜采用單方能耗（VEC）。如選用泥泵軸功率Nm，kW，作為能耗指標，則單方能耗（VEC，kJ/m3）可定義為泥泵軸功率與管道固體輸送產量之比，即：

3 計算結果及驗證

選取國內外若干典型土質吹填工程，收集艏吹作業船舶泥泵性能、管線布置數據，測算艏吹作業生產效率，并收集實測數據對計算結果進行驗證和對比分析，驗證和分析以上分析計算方法的精確性及可行性。

3.1 案例一（粗砂）

該工程土質為粗砂，中值粒徑d50=0.76 mm，粒徑組成較為單一，80%以上顆粒粒徑在0.25～2.0 mm之間；施工船舶為“新海鳳”輪；吹填管線總長（吹距）1 500～4 000 m，其中水域管線長度1 350 m，為水下沉管和橡膠自浮管構成，岸管長度根據吹填區的分布及進度要求而變化；所有艏吹管線直徑為1 000 mm。

首先采用式（5）計算不同體積濃度下臨界流速值，然后設定若干吹距，針對每一吹距計算不同濃度下泥泵-管線系統流量，并選取流速值高于臨界流速并富余一定余量的組次，計算各組次產量，選取產量最高的一組作為該吹距艏吹效率。計算結果與實測數據對比結果見圖1。

由圖1，案例一粗砂土質工況下，“新海鳳”輪測算艏吹效率與工程實測數據符合性較好，其中吹距大于3 000 m情況下，兩者基本一致；當吹距低于3 000 m時，測算產量高于實測數據，主要原因在于吹距較短時，泥泵高高模式可能導致流量過大，泥泵偏離最佳工作點，實際工程操作中會采取措施，如出口加接束口、降低泥泵轉速等方式，以降低流量和能耗。

圖1 艏吹效率測算結果及與實測數據的對比（粗砂，“新海鳳”輪）Fig.1 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(coarse sand,"Xinhaifeng"Dredger)

此外，根據以上分析計算結果，該種粗砂土質工況下，“新海鳳”輪艏吹施工適宜吹距最大在3.3 km左右，不超過該吹距時生產效率較高；吹距超過3.5 km以后，艏吹產量在3 000 m3/h以下，施工效率較低，宜考慮采用其他施工船舶機具及作業模式。

3.2 案例二（中砂）

該工程土質為中砂，中值粒徑d50=0.32 mm；施工船舶也為“新海鳳”輪；艏吹管線總長2 300～4 000 m，其中浮管400 m，沉管380 m，管線直徑為1 000 mm。

同樣，分析計算了不同吹距情況下艏吹效率，并與實測數據進行了對比，結果見圖2。

圖2 艏吹效率測算結果及與實測數據的對比（中砂，“新海鳳”輪）Fig.2 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(medium sand,"Xinhaifeng"Dredger)

由圖2，案例二中砂土質工況下，“新海鳳”輪低高、高高運行模式下，測算艏吹生產效率也均與實測數據符合較好。由于實際工程中吹填土質及其他參數的變化，可能導致部分測算數據與實測數據存在一定的偏差。

根據以上分析，該種土質采用“新海鳳”艏吹作業方式是適宜的。其中，低高模式適宜吹距在3.2 km以下，吹距超過3.2 km后艏吹產量在3 000 m3/h以下，宜采用高高模式；高高模式適宜吹距2.5～5.0 km左右，吹距超過5.0 km以后，艏吹效率較低，宜改用其他船舶及作業模式。

3.3 案例三（細砂）

該工程土質為細砂，中值粒徑d50=0.14 mm，粒徑在0.10～0.25 mm之間顆粒約占80%，較為均一；施工船舶為“新海馬”輪；艏吹管線總長1 000～1 500 m，其中沉管600 m，管徑900 mm。

同樣，分析計算了不同吹距情況下艏吹效率，并與實測數據進行了對比，結果見圖3。

圖3 艏吹效率測算結果及與實測數據的對比（細砂，“新海馬”輪）Fig.3 Calculating results of bow-blowing production and comparison with measured data(fine sand,"Xinhaima"Dredger)

由圖3，案例三細砂土質工況下，“新海馬”輪低低模式下，測算艏吹生產效率與實測數據符合較好。由于實測數據較少，缺少更長吹距以及高高模式下計算結果的驗證與對比數據。此外，該種土質選用“新海馬”輪是適合的，可根據吹距的不同，合理選用低低、低高或高高施工模式，以實現高效節能施工目的。

4 結語

1）艏吹是耙吸挖泥船在疏浚及吹填工程中可供選用的一種作業模式，具有特定的使用場景及一定的適用范圍。精確地測算和分析耙吸挖泥船艏吹作業效率，是其工程適應性及其施工方式選擇的基礎。

2）本文闡述了耙吸挖泥船艏吹作業主要參數及其分析計算方法，并結合工程經驗及研究分析推薦了適合耙吸挖泥船泥泵輸送泥漿揚程-流量特性以及管道水力輸送摩阻損失計算的經驗公式，選取粗砂、中砂、細砂三種典型土質工程案例，測算了兩種施工船舶（“新海鳳”輪、“新海馬”輪）艏吹作業效率，并與實測數據進行了對比，測算結果與實測數據整體符合較好，驗證了計算方法及推薦公式的計算精度及適用性。

3）計算得到的三種土質、兩類耙吸挖泥船艏吹作業產量曲線，可用于指導相似土質、相同配置耙吸挖泥船作業方式選擇；以上分析計算方法可用作耙吸挖泥船艏吹作業效率分析理論基礎及分析工具；對其他類型土質，還有待于后續研究。