張永偉 張紅杰 侯石景

（1.河南省中原水利水電工程集團(tuán)有限公司 河南 濮陽(yáng) 457000；2.濮陽(yáng)黃河河務(wù)局水上搶險(xiǎn)隊(duì) 河南 濮陽(yáng) 457000）

1 研發(fā)背景

放淤固堤施工技術(shù)是黃河下游堤防加固的主要技術(shù)方法，在堤防淤背加固施工過(guò)程中，該技術(shù)已得到普及使用。但在多年的淤筑施工實(shí)踐過(guò)程中，泥沙輸送系統(tǒng)普遍存在的以下技術(shù)問(wèn)題，影響了工程施工的效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 輸送泥漿含沙量不能實(shí)時(shí)定量檢測(cè)

淤筑施工過(guò)程中，輸送泥漿含沙量是泥沙輸送整套系統(tǒng)正常工作的重要影響因素，以往的施工主要根據(jù)施工人員的經(jīng)驗(yàn)定性地判斷泥漿含沙量，做不到定量化檢測(cè)，準(zhǔn)確度很差，并且不能做到實(shí)時(shí)對(duì)輸送泥漿含沙量的監(jiān)控。一般放淤固堤工程的泥沙輸送距離平均達(dá)6km，必須及時(shí)準(zhǔn)確掌握輸送泥漿含沙量，當(dāng)輸送泥漿含沙量大時(shí)，隨著輸送距離和輸送壓力的變化，容易發(fā)生管道堵塞；當(dāng)輸送泥漿含沙量小時(shí)，單位時(shí)間的泥漿搬運(yùn)量減少，工作效率變低，施工成本增加，施工效益變差。

1.2 管道經(jīng)常發(fā)生局部崩裂破壞現(xiàn)象

由于泥沙輸送距離長(zhǎng)，管道需要承受的工作壓力大，施工過(guò)程當(dāng)中，輸沙管道經(jīng)常發(fā)生局部崩裂破壞現(xiàn)象，造成施工停機(jī)維修，增加了停機(jī)時(shí)間和維修成本。

1.3 接力泵氣蝕破壞嚴(yán)重

流體在高速流動(dòng)和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。常發(fā)生在如離心泵葉片葉端的高速減壓區(qū)，在此形成空穴，空穴在高壓區(qū)被壓破并產(chǎn)生沖擊壓力，破壞金屬表面上的保護(hù)膜，而使腐蝕速度加快。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點(diǎn)，然后逐漸擴(kuò)大成洞穴。淤筑施工過(guò)程中，由于輸沙距離較遠(yuǎn)，管道較長(zhǎng)，輸沙過(guò)程中隨著距離的變化輸送壓力衰減，這就需要中間加裝離心式接力泵，對(duì)輸送泥漿加壓，提高泥漿的輸送壓力，加大泥漿的輸送速度。但是從多年的施工實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，接力泵氣蝕問(wèn)題嚴(yán)重，加快了泵殼和葉輪的磨損，造成離心泵振動(dòng)加劇，噪聲大，并出現(xiàn)壓力和流量脈動(dòng)現(xiàn)象等，使其工作效率下降。

1.3.1 產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲

氣泡潰滅時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)互相撞擊，同時(shí)也撞擊金屬表面，產(chǎn)生各種頻率的噪聲，嚴(yán)重時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)泵內(nèi)有“劈啪”的爆炸聲，同時(shí)引起機(jī)組振動(dòng)。

1.3.2 降低泵的性能

氣蝕產(chǎn)生了大量的氣泡，堵塞了流道，破壞了泵內(nèi)液體的連續(xù)流動(dòng)，使泵的流量、揚(yáng)程和效率明顯下降。

1.3.3 破壞過(guò)流部件

因機(jī)械剝蝕和電化學(xué)腐蝕的作用，使金屬材料發(fā)生破壞，通常受氣蝕破壞的部位多在葉輪出口附近和排液室進(jìn)口附近。氣蝕初期，表現(xiàn)為金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)，繼而表面呈現(xiàn)海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚(yú)鱗狀等痕跡；嚴(yán)重時(shí)可造成葉片或前后蓋板穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴(yán)重事故。

1.4 淤區(qū)平整度很難控制

根據(jù)多年的淤筑工程的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在多項(xiàng)工程淤填即將完工時(shí)，都存在淤區(qū)平整度控制問(wèn)題的困擾，普遍存在淤填的高差懸殊較大，在蓋頂時(shí)需要投入大量的工時(shí)進(jìn)行平整，降低了工作效率，影響了施工進(jìn)度。

1.5 淤筑方向需停機(jī)轉(zhuǎn)換

在工程的施工過(guò)程中，在改變淤筑方向時(shí)，傳統(tǒng)做法就是停機(jī)改變泥漿出口工作位置，這樣就增加了停機(jī)時(shí)間，而且需投入一定的工時(shí)進(jìn)行淤筑方向改變，這樣勢(shì)必影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)增加了施工成本。

針對(duì)以上問(wèn)題，組織成立了技術(shù)攻關(guān)小組，不斷探索和研究，做了大量的實(shí)驗(yàn)工作，并在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。通過(guò)技術(shù)改造后的泥漿輸送設(shè)備系統(tǒng)，很好地解決了上述問(wèn)題，提高了工作效率。

2 工作原理

2.1 含沙量測(cè)定原理

通過(guò)在泥漿輸送管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)加裝測(cè)沙閥，可采樣定量測(cè)定泥漿中的含沙量，并對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含沙量進(jìn)行測(cè)定和分析，調(diào)節(jié)輸沙壓力值；通過(guò)在泥漿輸送管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置壓力表，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送管道內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的液體壓力，通過(guò)壓力分析，確定加壓和減壓操作，調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉(zhuǎn)速，保證管道內(nèi)部壓力低于管道本身的承載能力，確保泥漿正常的輸送生產(chǎn)而管道不發(fā)生堵塞、爆裂破壞現(xiàn)象。

2.2 防氣蝕工作原理

對(duì)于接力泵存在的嚴(yán)重氣蝕問(wèn)題，根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際工況對(duì)氣蝕原因進(jìn)行分析和研究，對(duì)原有離心接力泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，加裝了減少離心泵氣蝕自動(dòng)裝置。

圖1 排氣閥、壓力表、測(cè)沙閥安裝位置

圖2 防氣蝕安裝位置

圖3 淤區(qū)整平閥示意圖

由于泥漿長(zhǎng)距離傳輸，接力泵進(jìn)口處壓力衰減，并且由于離心泵工作導(dǎo)致泵心部壓力急劇減小形成負(fù)壓，導(dǎo)致輸送水氣化形成大量氣泡，并且原來(lái)水中溶解的氣體大量溢出，隨著葉片的高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下氣泡迅速到達(dá)葉輪外徑，這個(gè)時(shí)候該區(qū)域有很高的正壓，水迅速液化，氣泡瞬時(shí)凝結(jié)潰滅，在氣泡凝結(jié)潰滅的瞬間，氣泡周圍的液體迅速?zèng)_入氣泡凝失形成的空穴，形成強(qiáng)大的局部高頻高壓水擊，金屬表面因疲勞而產(chǎn)生剝蝕。同時(shí)，由于活潑氣體（如氧氣）的存在以及氣泡凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生的局部高溫，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

該減少離心泵氣蝕自動(dòng)裝置主要包括壓力表、壓力繼電器、濾板、手控閥門、電磁換向閥、排氣管等。在離心泵進(jìn)口處安裝壓力表和壓力繼電器，測(cè)定泵進(jìn)口處壓力，作為控制電磁換向閥換向排氣控制壓力信號(hào)，排氣裝置安裝在離心泵殼體的最頂端（如圖1），利于氣體的揮發(fā)排除。減少氣蝕自動(dòng)裝置部件外部結(jié)構(gòu)（如圖2），底端濾網(wǎng)裝于蝸殼頂端，離心泵內(nèi)氣體通過(guò)濾網(wǎng)和開(kāi)啟的手控閥門及開(kāi)啟的電磁閥通過(guò)放氣管排除，大大減少蝸殼內(nèi)氣泡量，從而減少氣泡在擋板、蝸殼、葉輪表面爆裂產(chǎn)生的高壓高頻撞擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞而發(fā)生氣蝕的幾率。通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)和大量的工程實(shí)踐證明，防氣蝕自動(dòng)裝置的應(yīng)用，較好的保護(hù)了離心泵的葉輪、蝸殼和擋板，使接力泵工作性能更為穩(wěn)定。

2.3 淤區(qū)平整度控制原理

對(duì)于淤區(qū)平整度問(wèn)題，通過(guò)將安裝有多個(gè)閥門的淤區(qū)整平閥鋪設(shè)在淤區(qū)中間附近，根據(jù)淤筑工作進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)的淤筑作業(yè)，選擇性打開(kāi)不同出漿閥門，使泥漿均勻流向指定位置，保證淤區(qū)作業(yè)面的平整度。另外由于平整管長(zhǎng)距離深入淤筑區(qū)，作業(yè)面范圍加大，只需選擇打開(kāi)不同出漿閥就可以改變淤筑方向，無(wú)需停機(jī)操作，節(jié)約大量的工時(shí)，工作效率提高顯著。

3 研發(fā)過(guò)程

3.1 安裝測(cè)沙閥門，解決了不能準(zhǔn)確掌握輸送泥漿含沙量問(wèn)題

2009 年在濮陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)化堤防工程施工時(shí)，輸沙距離長(zhǎng)達(dá)7km之余，經(jīng)常出現(xiàn)堵管和含沙量較低的現(xiàn)象發(fā)生，為了避免此現(xiàn)象發(fā)生，在抽沙船上的抽沙泵出水口2m-3m的輸沙管道上、接力泵進(jìn)水口處各安裝測(cè)沙閥門1個(gè)，隨時(shí)測(cè)量抽沙泵和接力泵的含沙量。根據(jù)測(cè)量情況，及時(shí)調(diào)整抽沙泵的深淺程度，使含沙量達(dá)到最佳狀態(tài)，杜絕了堵管和含沙量較低的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 安裝減少氣蝕自動(dòng)裝置，最大程度降低了接力泵氣蝕損壞程度

2010 年在范縣標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)一標(biāo)二單元施工中，在接力泵的進(jìn)水口處安裝了減少氣蝕自動(dòng)裝置，使管道氣體自動(dòng)排出，最大程度降低了氣蝕對(duì)葉輪及泵殼的損壞程度，延長(zhǎng)了葉輪及泵殼的使用壽命（3-6個(gè)月）。

3.3 安裝壓力表，解決了管道崩裂或堵管現(xiàn)象

在沒(méi)有安裝壓力表時(shí)，抽沙船和接力泵處的工作人員，只能憑施工經(jīng)驗(yàn)和聽(tīng)管道中的水速，調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉(zhuǎn)速，在配合不當(dāng)時(shí)就要產(chǎn)生管道崩裂或堵管現(xiàn)象。

2011 年在山東鄄城標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)施工中，在抽沙船出水口和接力泵進(jìn)出水口處分別安裝壓力表，通過(guò)觀察壓力表的讀數(shù)，及時(shí)調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉(zhuǎn)速，避免了堵管和爆管事故的發(fā)生。

3.4 安裝淤區(qū)整平閥門，提高了淤區(qū)平整度，也解決了改變淤筑方向時(shí)的停工問(wèn)題

2013 年在濮陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)3標(biāo)施工中，在淤區(qū)管道上安裝整平閥門，根據(jù)淤填平整度的要求，在不停工的情況下，即可隨時(shí)調(diào)整淤筑位置，大大提高了淤區(qū)平整度。

4 主要技術(shù)參數(shù)

1.Φ50測(cè)沙閥門；

2.Φ32自動(dòng)放氣閥門；

3.壓力表Y100型；

4.淤區(qū)整平閥選用Φ300～Φ400閥門。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)了輸送泥漿含沙量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)含沙量的弊端，保證了泥漿含沙量的最佳狀態(tài)，使生產(chǎn)效率得到了很大地提高。

（2）彌補(bǔ)了接力泵的缺陷。購(gòu)買的接力泵沒(méi)有放氣裝置，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象，使泵殼和葉輪嚴(yán)重磨蝕。減少氣蝕自動(dòng)裝置的安裝，延長(zhǎng)了接力泵的使用壽命，減少了設(shè)備維修費(fèi)用。

（3）實(shí)現(xiàn)了管道壓力最佳狀態(tài)。安裝壓力表后，根據(jù)壓力表的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整抽沙泵和接力泵的轉(zhuǎn)速，使管道壓力時(shí)時(shí)處于最佳狀態(tài)，避免了堵管和爆管事故的發(fā)生。

（4）實(shí)現(xiàn)了淤區(qū)平整度的可控制。淤區(qū)整平閥門的安裝，可以隨時(shí)改變淤筑的位置，控制淤區(qū)平整度，同時(shí)解決了原來(lái)更換淤筑位置需要停機(jī)的問(wèn)題。

6 推廣應(yīng)用情況及取得效益

2013 年在濮陽(yáng)黃河堤防加固工程3標(biāo)段施工中，共完成放淤土方120多萬(wàn)m3，工期提前約一個(gè)月，增創(chuàng)利潤(rùn)70多萬(wàn)元。

2014 年在濮陽(yáng)黃河堤防加固工程6標(biāo)施工中，共完成放淤土方150多萬(wàn)m3，工期提前一個(gè)月，增創(chuàng)利潤(rùn)70多萬(wàn)元。

以上兩個(gè)項(xiàng)目，使用了設(shè)備改進(jìn)后的技術(shù)，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，減少了維修費(fèi)用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，安裝測(cè)沙閥門有效解決了泥沙輸送過(guò)程中及時(shí)測(cè)定泥漿含沙量的問(wèn)題，安裝減少氣蝕自動(dòng)裝置減緩了接力泵氣蝕損壞程度，安裝壓力表及時(shí)掌握管道壓力，避免了管道崩裂或堵管現(xiàn)象，安裝淤區(qū)整平閥門能夠?qū)τ賲^(qū)平整度進(jìn)行有效控制。通過(guò)對(duì)放淤固堤工程泥沙輸送施工設(shè)備進(jìn)行以上技術(shù)改造，在一定程度上提高了泥沙輸送系統(tǒng)的工作效率，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，加快了工程施工進(jìn)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。陜西水利

[1]呂玉宏.鄆城放淤固堤工程機(jī)械簡(jiǎn)易電動(dòng)吸泥船平臺(tái)的改造與應(yīng)用 [J].治黃科技信息，2009，05.

[2]汪小澄,文喬.絞吸式挖泥船監(jiān)控系統(tǒng)的改造研究周翔[J].船舶，2004，05.

[3]呂銳捷.黃河下游遠(yuǎn)距離輸沙技術(shù)研究[D].武漢大學(xué)，2004.

[4]趙天義，李國(guó)繁，呂銳捷，等.機(jī)械疏浚專業(yè)委員會(huì)第十六次疏浚與吹填技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集[C].2002.