渣浆泵卸货设备在沉船打捞中的应用研究与设计优化

董绍雷

摘要：本文简要介绍了渣浆泵卸货设备的工作原理和组成、内部流道固液两相流模型研究和设计计算，并结合渣浆泵在打捞工程中的实际应用，对渣浆泵的工程选型、管路匹配进行了理论研究和探索优化。

关键词：渣浆泵、固液两相流、选型、管路匹配、“东方日出”

引言

随着国民经济的持续增长、国内外海运业的迅速发展，各个港口吞吐量持续增长，进、出我国领海的货船也越来越大型化；相应随之而来的是沉船中往往载有大量矿砂、煤粉等散货，因而在现代沉船打捞工程中，清除沉船舱内的矿砂、煤粉等各种大小颗粒散货，减轻沉船水下重量，往往成为第一步需要快速开展的工作。而水下卸货工作的进度与效果，往往对打捞工程的工期、起浮风险等方面有着直接的影响，与整个工程的成败休戚相关。

针对“畅通”轮、“东方日出”轮等打捞工程中的卸货和吸砂经验，我们探索将目前广泛应用于煤炭部门水煤浆运输、采矿工业中矿渣输送、水利工程中疏浚作业中的渣浆泵设备进行相应改进引入到打捞工程中的水下卸货和吸砂应用，在“东方日出”轮打捞工程中进行了水下除煤卸货，取得了良好的卸货效果。

1.渣浆泵卸货设备系统工作原理和组成

渣浆泵卸货设备主要有柴油原动机、渣浆泵总成、输送管路、吸头和高压水搅拌设备组成。柴油机驱动渣浆泵泵轴带动叶轮高速旋转，高压水搅动散货颗粒混合海水，在渣浆泵的吸力作用下，吸头吸进固液两相混合物，通过输送管道输送固液混合物到装载驳船上，完成水下吸砂卸货的工作。

渣浆泵按照工作原理划分，与泥泵、沙砾泵统称为离心式固液两相流泵（又称离心式杂质泵），是利用叶轮旋转而使水产生的离心力来工作的。渣浆泵在启动前，必须使泵壳和吸口管内充满水，然后启动柴油机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，固液混合物在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入渣浆泵的压水管路。渣浆泵叶轮中心处，由于固液混合物在离心力的作用下被甩出后形成真空，难船舱内中的煤水混合物便在大气压力的作用下被压进泵壳内，叶轮通过不停地转动，使得固液混合物在叶轮的作用下不断流入与流出，完成了从水下沉船中吸取散货的整个工作流程。

2.渣浆泵内部流道固液两相流输送理论和设计参数计算

2.1.“固液两相流理论”简介

两相流理论的基本观点是：混合液中的固液两相流在流场中存在着速度差.有着各自的速度场，固体颗粒的存在将使液体的速度场产生畸变。当固体颗粒的速度小于液体速度时，固体颗粒相对于液体产生相对阻塞作用。当固体颗粒的速度大于液体速度时，固体颗粒相对于液体产生相对抽吸作用。因此，在水泵工作时，固体颗粒对泵性能的影响、主要表现为固体颗粒在泵流道的流场中.特别是在叶轮流道的流场中对液体速度场、压力场和水力损失的影响，也就是对泵的能量转换过程的影响。

尽管固体颗粒不存储压力能，但固体颗粒速度在叶轮进口、出口处有显著差别，也就是说泵的叶轮可供给固体颗粒一定的动能，这应成为理论扬程的一部分。

泵中固体和液体各以不同的速度运动，其速度差的大小，主要决定于固体的密度、浓度、粒径及绕固液运动的边界条件。水流运动的速度越高，固液两相运动的速度差也越小，叶型和流道变化的规律越趋近于清水。但是速度太高，能量损失加大，泵的水力效率就很低。

2.2. 打捞卸货中的渣浆泵研究设计思想

根据水下吸砂上广泛的应用统计分析，在运用“固液两相流理论”，结合现代渣浆泵的工程使用特点，确定打捞工程中水下卸货渣浆泵的设计思想：

2.2.1.提高吸取效率。选择合理的叶片进出口角度、良好的叶片型线、合理的叶片宽度都有利于提高效率。

2.2.2.高耐磨性。较大的叶片宽度和较小的叶轮外径等均有利于减少磨损；

2.2.3.过流能力。渣浆泵抽送的介质中往往会有混有大颗粒固体，必须在设计时考虑对颗粒的通过能力。一般情况下，较少的叶片数、较大的叶片进出口角度和较大的叶片宽度等都有利于防堵，提高过流能力。

2.2.4.汽蚀性。选择合理的叶轮进口直径、叶片宽度等，以保证汽蚀性能要求。

2.3 .渣浆泵转速的选择

在改进设计性能要求的情况下.转速的选择直接影响到过流部件的寿命，转速越高。圆周速度越高，磨损越严重。根据流体磨损的原理.磨损量应与作用力特性和速度特性有关。

式中 H—扬程，m；

n— 转速，r/min；

[K]— 常数，一般取值l00～150

常数[K]值的大小与渣浆泵的规格尺寸和介质磨蚀性强弱有关。泵愈小、磨蚀性愈弱.取值可以越大。

另外.从汽蚀性能出发，也可按下式选择

转速：

式中C— 汽蚀比转速，一般取值400～800；

—— 必需汽蚀余量，

Q—流量， 。

2.4. 渣浆泵进口直径计算

渣浆泵进口直径的选择应保证进口流速大于临界沉降速度。当直径小于200mm 时，临界沉降速度的计算一般依据杜拉德公式：

式中 临界沉降速度（m/s）

与粒径、浓度有关的系数，一般取O.6～ 1.4，取凡一1.1：

g— 重力加速度.g=9.81（m/s。）；

d— 泵进口直径（m），；

s—固体物料的相对密度，取；

—流体的相对密度。

2.5. 渣浆泵浆体浓度控制

根据一些试验并结合浓度对泵寿命的影响，建议离心式渣浆泵输送浆体的最大体积浓度不超过3O%为宜，即 ≤30% 。这是因为泵过流零部件的磨损量与浓度成正比，即浆体浓度越大，零件的磨损量也越大，也就是说泵的寿命也就越短。

3.渣浆泵的工程选型公式计算研究

打捞工程中在进行渣浆泵卸货设备设计选型时，不仅要考虑渣浆泵本身的性能参数，而且还要考虑所吸取的沉船舱内固体颗粒的粒径、粒形、比重沉降速度、固液两相流体浓度、粘性和密度，以及它们对泵性能的影响等因素。整个卸货系统选型合理，可充分发挥泵的性能，延长使用寿命，节省能源；如果选型不当，在泵的运行中将发生抽空，汽蚀，效率低、寿命短（磨损快）等不良现象。

3.1. 由于固液两相流体的性质是多种多样的，因此输送管路对不同的固液两相流体介质的损失扬程亦是各不相同的。诚然，要找出适用沉船舱内诸多不同固液两相流体介质的准确阻力计算式是非常困难的。但参考历年来的工程实践结果，计算选择渣浆泵的扬程及流量与实际的损失扬程及流量误差值在10% 之内时.是完全能满足实际需要的。因此推荐如下通用渣浆泵选型扬程计算式：

3.1.1.式中d为输送管内径（m）； 为输送管的阻力系数；L为输送管长度（m）；V为固液两相流体平均流速（m/s）； 为沉船和泵入口的几何高度差即静扬（mH2O）。

3.1.2. 为局部阻力与沿程阻力的比值系数。计入该值是为了简化计算局部损失而设。该式中 、 、 系数若选择得当时.是完全可以满足要求的。一般长距离输送（1000m）较适合，该值选择范围为0.03～ O.06；输送管路长时取小值，反之，则取大值。

3.2. 在实际打捞工程中的水下卸货一般为1000 米之内的短距离输送，应采用沿程与局部阻力分开计算的办法，这样计算结果较准确，即应用下式：

3.2.1.式中：K 为备用系数，对于ZJ系列渣浆泵取1、05～ 1.08即可； 为各种局部阻力件阻力系数之和。

3.2.2. 为输送清水时的管路沿程阻力系数。长距离输送时，该值选用的准确与否，对计算结果影响很大。 值计算方法如下：

对于吸取沉船船舱内的煤粉等小颗粒输送介质，推荐采用公式：

式中 为管路粗糙度（mm）；因上述行业对管路磨损厉害，金属管使用后磨损得很光，所以，对于无缝钢管一般取 =0.046。当然，沿程阻力系数 值考虑到雷诺数的大小还有很多计算方法，但通常流速V= 1.8～3.0m/s之间时，均可使用上述计算式，必要时可用其他方法进行校核。总之，应尽力做到准确一些。

3.2.3. V为管内平均流速，该值的选取一定要校核固液两相流体的沉降流速，确保管内部不发生严重的沉降而堵管；输送固液两相流体时在保证不沉降条件下，流速一般取 = 1.8～ 2.6 m/s之间较合理，流速过高会加速管路磨损。

3.2.4. 为输送清水时的损失扬程与输送固液两相流体时损失扬程之比。它反映了输送固液两相流体与输送清水的阻力损失并非完全一致。除该系数是

将清水管路损失转换成固液两相流体管路损失。其计算及选取办法如下：

式中 为固相密度（ ）， 为固相流体质量浓度（%）； 为固相平均粒度（mm）。对于打捞卸货中输送块煤混合固液两相流体时，建议 选择范围在0.88～ 0.95。

以上系数选取原则是：质量浓度大时取小值，浓度小时取大值。

4.输送管路与渣浆泵的合理匹配

为渣浆泵设计安装配套输送管路时，当选定泵扬程高于管路实际扬程太多时，离心式渣浆泵输送渣浆的管路系统的特性与渣浆泵的特性匹配不当时，将会使泵发生抽空、震动噪声大，汽蚀、不能正常输送、使用寿命大幅度下降、柴油原动机超负荷工作等不正常情况。为了避免发生这些不正常事故，就要求在输送系统的设计中，使管路特性与泵特性做好合理匹配。

与管路有关的泵特性曲线有Q—H曲线和Q—NPSHr曲线（图1）。这两条特性曲线由泵实际测试得到和验证校核。管路系统也有Q—H曲线和Q—NPSHd曲线。这两条特性曲线也应由实测得到和验证校核。

图1 管路与泵的特性曲线

管路和泵组成的输送系统的特征点，是管路的Q—H曲线与泵Q—H曲线的交点（图1中的m点）是泵的运行工况点，即m点对应的流量Qm和对应的扬程Hm就是泵实际输送的渣浆流量和渣浆扬程；再一个特征点是管路的Q—NPSHa曲线与泵Q—NPSHr曲线的交点（图1中的d点）

式中NPSHr——泵的必需汽蚀余量，其值由泵的特性曲线查得，所以要保证泵能正常运行能不发生汽蚀，受管路系统制约的泵实际输送流量Qm就一定要小于管路输送系统的临界汽蚀流量Qd，即Qm

5.渣浆泵卸货设备在“东方日出”打捞工程中的实践应用

5.1.“东方日出”轮除煤卸载工程概述

2011年10月28日，装载4100吨粉煤、总长93米的巴拿马籍散货船“东方日出”轮与336米长的集装箱船“汉堡桥（HAMBURG BRIDGE）”轮在青岛港2号锚地附近航道上对向航行时相撞，“东方日出”船体破损进水沉没。“东方日出”轮的沉没，严重影响了青岛海域过往船只的安全，也给当地海洋环境也造成了巨大威胁。

难船“东方日出”轮在青岛港外航道上沉没时船上装有4100吨无烟粉煤，其中1#舱载煤1400吨，2#舱载煤2700吨。为了减少沉船起浮重量，保证沉船起浮成功，根据打捞方案，须尽力卸掉沉船上的大部分煤炭。沉船卸煤是整个打捞工程的关键，卸煤进度及效果直接影响到整个打捞工程工期乃至沉船起浮成功与否。

5.2.渣浆泵卸货设备在工程实际组装调试案例

利用渣浆泵对沉船进行水下吸煤作业，在烟台打捞局打捞工程中尚属首例。打捞技术人员对渣浆泵卸煤方案和卸煤的配套设备进行多次计算校核，设计组装了吸口搅拌吸头装置和配套输送管路，并以“德瀛”船为工作母船进行组装固定，在打捞作业现场和避风期间多次对整套卸货设备进行了反复调试测试。

图2 渣浆泵输送出口管路效果图

5.3. “东方日出”打捞的水下除煤工程施工过程

2011年11月24日17时，当“德灜”船的主钩缓缓地将吸煤泵吸口管放入沉船舱内，柴油机启动渣浆泵后，吸煤泵管出口一股浓浓的黑水夹杂着细小颗粒喷涌而出，直冲驳船货舱，半小时后，施工人员用水桶在输送管口进行现场取样，片刻将桶中的水倒掉后，桶底露出沉淀厚厚的煤粉、煤渣；沉船卸货设备——大功率渣浆泵卸货设备调试安装成功。

根据“东方日出”轮打捞工程的作业需要， “德瀛”船于2011年11月24日1605时开始进行卸煤作业，至12月24日0940时离开，工作有效时间合计299小时53分，即12天11小时53分。经潜水员探摸，“东方日出”轮1#货舱剩余煤量约900m ，2#货舱剩余煤量约1600m ，整个卸货工程共除煤估计不少于1300吨。但是青岛外海冬季的恶劣气象条件及较差海况制约了工作母船的持续作业能力，使打捞现场卸煤工作进展不快，限制了最终的除煤卸货量和效率。虽然“德瀛”船卸煤效果总体较好，但是考虑到打捞工期的影响，在经过准确核算现有的卸煤量已经满足了预定起浮沉船要求的前提下，为减少工期成本，结束了本次吸煤卸货作业。

6.结束语：

“东方日出”轮顺利起浮成功后，观察其货舱内部的存煤情况可以看到，经过理论计算改进后的渣浆泵卸货设备的水下吸煤实际效果较为理想，基本上达到了预定的除煤量目标。

但是本次打捞现场的吸煤工作也暴露出了一些不足之处，首先是对沉船货舱内的吸煤存在多个盲区，还有大量煤粉囤积在角落难以吸取；如果沉船在水下的倾斜角度超过一定限度，实际吸煤工作将更加困难；其次是现场渣浆泵的叶轮和里衬磨损很快，需要更换修理，影响了设备的持续作业能力。这需要我们在后期工作中对设备进行持续优化，对渣浆泵的转速和吸取的固体颗粒大小等因素进行综合计算校核，做到效率和使用成本的平衡。

参考文献：

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