新型钢胶复合疏浚管的应用研究论文_张登泰,陈熙宇

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

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