张登泰 陈熙宇
中交广州航道局有限公司 广东广州 510290
摘要：现代化大型挖泥船对疏浚管的要求越来越高，传统的疏浚管已经难以满足施工要求，需要研发新型适用的产品。通过对传统疏浚管在使用中存在的问题进行分析，研发了一种新型的钢胶复合疏浚管，进行了一年的实船应用，经过多个疏浚工程、多种土质工况的实践检验，结果表明它具有较好的工况适应性和耐磨性，可与现代化大型挖泥船的高效率施工和复杂工况施工相匹配。
关键词：疏浚管、磨损、耐磨性
0.引言
随着疏浚吹填工程逐渐成为主流，疏浚工程日趋大型、施工工况日趋复杂，大型化、高科技化的现代化大型挖泥船的投产也越来越多，疏浚管作为挖泥船的重要配套设备之一，承担着将疏浚土从海底输送至卸泥区的重要任务。现代化绞吸挖泥船的配套疏浚管线长度一般在3公里以上，甚至长达10几公里，这就要求疏浚管能在高压力（高达4MPa）、高流速(3-8m/s)、高泥浆浓度下工作，同时疏浚管所输送的疏浚土极为复杂包括砾石、珊瑚礁、中粗砂、硬质粘土、淤泥等多种混合土质，还有海水腐蚀、汽蚀等的影响，对疏浚管的耐磨性、适用性都提出了挑战。传统的疏浚管产品耐磨性能不高、土质适用范围小，已经难以满足现代化大型挖泥船的施工要求。对于数量庞大的疏浚输送管道，为提高施工生产效率，降低成本，需要研发新型适用的疏浚管。本文介绍了一种新型的钢胶复合疏浚管的应用研究。
1.传统疏浚管设备问题分析
1.1钢质管问题分析
1）钢质管易磨损
钢质管一般采用Q235或Q345钢材，耐磨性能较低，在输送中细砂时磨损量约1mm/50-120万m3，在输送砾石粗砂时磨损量仅有1mm/2-20万m3，而现代化大型挖泥船的产量每小时在3000m3以上，土质工况复杂恶劣，钢质管需要频繁的修理更换。
2）钢质管易爆破
钢质管在磨损后壁厚减薄，承压能力大幅下降，使用过程中爆破现象经常发生。一条疏浚管线由几百上千条钢管连接组成，任何一条钢管出现破损爆破，都将导致停工甚至堵管。
3）钢质管易腐蚀
腐蚀是钢管磨损的原因之一，钢质管会产生金属氧化物腐蚀、电化学腐蚀以及海水腐蚀，这几种腐蚀共同对钢质管表层起破坏作用，内壁表层疏松的氧化层被输送的疏浚土冲刷从而快速剥离。
4）钢质管接头结构缺陷
钢质管连接接头采用胶垫作为密封形式，存在对接处不平整而容易出现涡流产生汽蚀磨损。
5）钢质管流阻相对较大
钢质管内壁相对粗糙，特别是在腐蚀和不规则磨损后的表面更加粗糙，流阻较大。
1.2橡胶管问题分析
1）橡胶管对土质的适应范围小
橡胶管耐撕裂性能和耐切割性能较差，在输送砾石、片状风化岩、珊瑚礁、贝壳、粘土夹粗砂等带有锋利棱角的土质工况时，会出现切割损伤，进而导致耐磨橡胶层快速被撕裂而报废。
2）橡胶管刚性不足
橡胶管刚性不足，在使用过程中容易过渡弯曲或变形折曲，从而产生局部快速过磨而报废。
3）橡胶管流阻大
橡胶管内壁平整度较差，在使用中容易变形、扭曲，流阻较大。
4）橡胶管造价高
橡胶管造价较高，且难以修复使用。
2.新型疏浚管的特点
2.1流道材料
本新型疏浚管的流道材料主要由高分子材料和天然橡胶配制而成，具有较高的耐磨性能、耐撕裂性能、抗应力裂纹性能、耐老化性能和耐海水腐蚀性能，具有较低的流阻性能。
2.2结构特点
本新型疏浚管的结构为三层复合结构，由基管、中间层和耐磨层复合而成，耐磨层与金属基管可以牢固结合。
2.3法兰端面
疏浚管在安装时连接法兰位置容易存在对接错位，形成台阶突变，在工作状态下该突变位置将出现冲刷磨损和气蚀磨损，因此法兰端部的磨损较快，是疏浚管使用寿命的一个短板。本新型疏浚管采用了法兰端面耐磨橡胶翻边复合工艺，在法兰端面复合5mm厚的合成耐磨橡胶，与管身耐磨层融为一体，通过工艺保证法兰端面的密封性能，减少对接处不平整而出现的涡流产生汽蚀磨损，提高法兰端的耐磨性能，延长了使用寿命。
3.产品研制与实船应用
本次实船试验，选择在荷兰IHC8527大型绞吸式挖泥船上进行。该类型绞吸船是国际上先进的现代化大型挖泥船之一，船总装机容量13551kw，总长116.1m，型宽18.2m，型深5.15m，最大挖深27米，疏浚管管径850mm，配备了1台水下泵，2台甲板增压泵，吹泥排距可达1万米，适合开挖淤泥、中粗砂、碎石、粘土、中风化岩等不同类型土质。可以在以下条件下工作：环境温度：最大45°C、最小-15°C；海水温度：最大32°C、最小0°C；最大水流速度：2.0m/s；最大风速：15m/s（蒲氏7级）；最大波高：波浪周期为5s时为1.0m。
3.1产品研制
根据IHC8527型现代化大型绞吸船疏浚管的管路参数和工作条件，研制一条新型钢胶复合疏浚管（试验管）进行实船应用，以检验其使用性能。试验管的安装尺寸和密封形式与原装管一致，以保证与原装管路可以互换，试验管工作压力为3.0MPa。同时制作一条材质为Q345B的钢质管，用于实船应用时与试验管进行对比。试验管的内径Φ850 mm、长度6000 mm、耐磨层厚度15mm；钢质管内径Φ850 mm、长度5000 mm、厚度25mm，研制出来的试验管见图1。
图1研制的试验管
3.2产品安装
挖泥船疏浚管线主要由吸泥管路、船上排泥管路、水上排泥管路、岸上排泥管路组成，其中船上排泥管路是工况最恶劣、疏浚土冲刷最严重、磨损最剧烈、工作压力最大的部位，因此，选择将试验管安装在船上排泥管路上进行试验，更具代表性。试验管安装顺利，外形尺寸、密封性能等符合要求。
3.3 实船应用测量方法
实船应用采用对比试验方法，制作试验管，并与传统钢质管一起安装在挖泥船疏浚管路中进行实船对比试验，在输送一定土方量后，对试验管和参照管进行剩余壁厚测量，比较试验管与参照管的磨损差异。
1）试验管测量
用内径百分尺测量试验管内径，在距两端法兰平面300mm处，测量上下位置内径，共2个测量数据，取平均值。测点布置如图2所示。
图2 测点布置图
2）钢质管测量：
用测厚仪测量相邻钢质管的厚度，在靠近试验管的位置取一截面，测量上下位置厚度，共4个测量数据，取平均值。
3.3实船应用情况
试验管从安装使用到磨损报废，共经过12个月的实船应用，应用期间，该船先后在平潭、汕头、海南等疏浚工程施工，共输送土方量1196万m3，其中粉细砂、粗砂和粘土1056万m3， 硬质粘土夹粗砂140万m3。应用过程中多次对试验管和钢质管进行了检查测量，应用数据见表1。
表1 应用数据
从应用数据分析，在疏浚土为粉细砂、粗砂、粘土的工况下，试验管直径方向磨损10mm，而钢质管直径方向磨损20.65 mm，试验管的耐磨性能是钢质管的2.06倍；在疏浚土为硬质粘土夹粗砂的工况下，试验管的磨损量为1mm/5.71万m3，而钢质管的磨损量为1mm/2.13万m3，试验管的耐磨性能是钢管的2.68倍。试验管的制作成本仅为钢质管的1.2～1.5倍，但是耐磨性能是钢质管的2倍以上，性价比较高。
图3 实船应用的磨损曲线图
图3是疏浚管实船应用的磨损曲线，从曲线上可以看到，在疏浚土为粉细砂、粗砂、粘土的工况下，无论是试验管还是钢质管，其磨损量都不大，都可以输送较高的土方量，因此使用寿命较长，两者均能够满足现代化大型挖泥船的工作要求。但是在疏浚土为硬质粘土夹粗砂的工况下，钢质管的磨损量急剧增大，使用寿命大幅缩短，在使用中需要频繁修理更换，对生产影响大，无法满足现代化大型挖泥船的施工要求；而试验管虽然也伴随着磨损量增大，但是增大角度明显小于钢质管，使用寿命也明显比钢质管长，可以匹配现代化大型挖泥船的施工要求。
从拆卸管表面看，试验管未发现有应力裂纹、局部分层及与基体分离等现象，磨损面光滑，未出现压力破裂现象，满足现代化大型挖泥船的施工要求。
4.结语
1）新型钢胶复合疏浚管的耐磨性能是钢质管的2倍以上，特别是在疏浚土为硬质粘土夹粗砂的恶劣工况下时，与钢质管对比，应用效果显著。
2）新型钢胶复合疏浚管具有较好的工况适应性，在实船应用中未出现裂纹和层间分离现象，可与现代化大型挖泥船的高效率施工和复杂工况施工相匹配。
3）随着高分子技术的快速发展、生产设备的自动化和精度提升，耐磨层的配方和工艺将进一步完善，耐磨性能还有较好的提升空间。
作者简介:张登泰（1983--），男，广东惠来，中交广州航道局有限公司，工程师，学士学位，主要从事疏浚船机设备管理工作。
论文作者:张登泰,陈熙宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/6
标签：磨损论文; 挖泥船论文; 钢质论文; 工况论文; 耐磨论文; 性能论文; 粘土论文; 《防护工程》2018年第9期论文;