聚氨酯耐磨复合管在中粗砂吹填工况下的应用

赵天彪，袁超哲，汪金文，陶润礼，杨锡刚

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

在疏浚吹填工程中，钢质排泥管线为介质输送的主要设备和重要的成本组成部分，其在淤泥、粉土、粉细砂等较细颗粒输送过程中磨损较小。目前，国内较多的疏浚吹填工程，如厦门新机场大小嶝造地工程，其输送介质均为中粗砂，在施工过程中该介质对管线耐磨性提出了更高的要求。Q235的钢质管线具有强度大、初始成本低、生产技术成熟，因此其在疏浚行业应用广泛。然而，在输送中粗砂过程中，由于管线磨损严重、生命周期较短，经常因破损导致停工和维护。

针对管线的磨损问题，国内外学者Finnie和学者Bitter等[1-3]，采用理论分析的方法，对磨损机理和磨损影响因素进行了深入的研究，并针对塑性材料、脆性材料等给出了不同的磨损经验公式。学者Reddy和学者Chen等[4-5]，采用CFD和现场试验对直管、弯管等管道在多相流的冲蚀作用下的磨损特性进行研究，为实际管道的设计与使用提供依据。

本文采用聚氨酯耐磨复合管替换部分钢质排泥管，对输送中粗砂条件下，2种管线的磨损情况、摩阻损失及现场适应性进行测试。所采用的聚氨酯复合管相比于钢质管线，具有良好的钢基底附着力、耐海水腐蚀性、耐磨性能、耐老化性能等，能极大延长其生命周期；且该聚氨酯复合管还具有降阻的特性[6-7]。

1 现场测试方案

基于厦门大小嶝新机场造地工程，选取某一平顺段钢质管线，将其中的部分管线替换为聚氨酯复合管。如图1所示，为绞吸挖泥船岸管段聚氨酯复合管和钢质管测量段的排布示意图。图1左侧聚氨酯复合管测量管段长192 m，其中包含6根2 m长的橡胶短管和15根12 m长的聚氨酯复合管；钢质管测量管段长178 m，其中包含5根橡胶短管和14根钢质管；且在测量管段分别布置有①号、②号、③号及④号压力传感器，用于测量管线摩阻损失。在测量管段中分别选取1根聚氨酯复合管和钢质管进行管道内磨损的监测，且在2根选定管线上分别选取3个测量截面，如图1中截面1～截面6所示，并在每个截面上均匀选取8个磨损测量点。其中聚氨酯涂层磨损厚度通过涂层测厚仪从管道内进行测量；钢质管线通过超声波测厚仪从外部进行测量。

图1 绞吸挖泥船岸管段聚氨酯复合管和钢质管测量排布示意图Fig.1 Layout of the testing polyurethane compositepipelineand steal pipeline of the cutter suction dredger shore section

在现场测量过程中，首先对管道内输送介质的中值粒径、输送浓度和输送流速进行长期监测；假设串联的聚氨酯复合管和钢质管内的介质及流场变化情况一致。以此为基础，对相同输送条件下聚氨酯复合管的磨损性能和摩阻损失特性进行现场测试。

2 测试结果分析

厦门机场大小嶝造地工程中的输送介质的中值粒径约为0.72 mm，贝壳含量7%～12%，为中粗砂。在测量过程中，管线内泥沙混合物流速4.25～5.55 m/s，体积浓度10%～40%。本文主要从耐磨性能、摩阻损失对聚氨酯复合管和钢质管进行对比与分析；并通过聚氨酯复合管使用前后的情况，对其现场适应性进行对比评价。

耐磨性能通过对长期施工条件下聚氨酯复合管和钢质管的磨损量监测结果进行对比与分析；通过压力传感器对两条测试管线的摩阻损失进行对比与分析；聚氨酯复合管的适应性通过对长期施工条件下聚氨酯涂层与钢基底的附着力进行拆管观测。

2.1 磨损量

如图2所示，为钢质管线磨损量测试管段不同截面的磨损示意图。该磨损量为持续施工1 a后的磨损情况，且磨损量由1 000×Ero/D表征，其中Ero为测点的磨损厚度，mm；D为测试管线内径，mm。由图2可知，3个测量截面的磨损值符合如下规律：钢质管底部⑤号测点磨损量最小，④号与⑥号测点磨损量最大，③号与⑦号测点次之，①号、②号与⑧号测点磨损量也较小。

图2 钢质管线不同断面磨损量示意图Fig.2 Diagram of the erosion of the steel pipeline in different sections

且在中粗砂施工条件下，容易发生颗粒沉积，沉积的中粗砂对管线底部具有保护作用，减少了管线底部的磨损。由此可知，管道磨损现场实测的结果与现场中粗砂输送的沉积现象一致。因此该磨损值测量结果能够正确表征钢质管线在中粗砂施工条件下磨损情况。

图3为聚氨酯复合管线耐磨测试管段不同截面的磨损示意图。对比图2可知，聚氨酯复合管的磨损量显著小于钢质管。例如，钢质管截面4，④号测点磨损值为3.78；聚氨酯复合管相应测点的磨损值为0.21，仅为钢质管磨损量的5.6%。且聚氨酯复合管在给定磨损测量截面上，并未体现出中粗砂沉积对底部的保护作用。除了部分测点数据异常之外，磨损值均在0.15～0.40之间变化，该磨损测量值受到测量仪器精度限制，其测试结果精度不能保证，且聚氨酯复合管在持续施工1 a后的磨损量较小，无法获取测量截面磨损值的普遍规律，仅能作为磨损量级上的参考。

图3 聚氨酯复合管线不同断面磨损量示意图Fig.3 Diagram of the erosion of thepolyurethanedredge pipeline in different sections

图4 所示，为钢质管的截面4～截面6和聚氨酯复合管的截面1～截面3磨损量的对比图。由该图可知，钢质管线横截面磨损量呈现双峰特征。在④号和⑥号测点处的磨损量最大，⑤号测点的磨损量最小。判断疏浚排泥管线的使用寿命，主要以最大磨损量为依据，其中钢质管的最大磨损量发生在截面6的④号测点，其磨损值为4.80；聚氨酯复合管其磨损并未呈现出类似于钢质管线的磨损特性，其最大磨损量发生在截面3的⑥号测点，其磨损值为0.37。

图4 钢质管与聚氨酯复合管磨损量对比图Fig.4 The comparison of theerosion of polyurethane and steel pipeline

如图5所示，为钢质管线和聚氨酯复合管最大磨损值和平均磨损值的对比图。聚氨酯复合管的最大磨损量约为Q235钢质管线的7.7%，由此可以给出聚氨酯复合管的耐磨性约为钢质管线的13倍；如图5所示，钢质管的平均磨损值约为2.88，约为聚氨酯复合管平均磨损值0.21的13.7倍。结合图4和图5的分析可知，在中粗砂输送条件下聚氨酯材料的耐磨性至少为Q235钢材的10倍。

图5 钢质管与聚氨酯复合管最大磨损值与平均磨损值对比图Fig.5 Thecomparison of themaximum&mean erosion of polyurethane and steel pipeline

2.2 聚氨酯复合管现场适应性

聚氨酯复合管涂层厚度大于8 mm，其材料拉伸强度大于46 MPa，撕裂强度大于120 kN/m，钢基底与聚氨酯涂层附着力大于8 MPa。如图6所示，为该聚氨酯涂层在连续1 a输送约480万m3中粗砂后，经历寒暑交替，管道内聚氨酯涂层光洁如新、局部轻微划痕，未出现起拱、鼓泡等现象。且该聚氨酯耐磨复合管的法兰口处聚氨酯涂层亦未发生起拱、脱落的现象。

图6 使用后聚氨酯涂层法兰口情况示意图Fig.6 Diagram of the polyurethane dredgepipelineflange adhesion

2.3 摩阻损失

本文通过对测量段钢质管线和聚氨酯复合管线的沿程压力进行测试，获取2种材质排泥管线的摩阻损失大小。如图7所示，截取连续2500s内实测压力值的变化情况，该值随着绞刀的摆动，呈现较大周期的波动。摩阻损失在疏浚领域，采用水力坡度进行表征[8]。通过水力坡度计算公式（1），可得图8所示的摩阻损失变化情况。

式中：Im为水力坡度实测值；P1和P2为沿程测点的压力值；h1和h2为沿程测点的高程值；ρ为浆体密度；g为重力加速度；L为测量段长度。

图7 摩阻损失测量管段的压力变化Fig.7 Pressure variation in measurement section of friction loss

图8 聚氨酯复合管与钢质管实测摩阻损失对比图Fig.8 Comparison of frictional resistance of polyurethane and steel pipeline

由图8可知，聚氨酯复合管的摩阻损失在施工过程中均小于钢质管的。将连续3 h的水力坡度实测值取平均可得：钢质管平均水力坡度约为0.041 2 mH2O/m，聚氨酯复合管约为0.036 8 mH2O/m，聚氨酯复合管相比于钢质管减阻约10%。

3 结语

本文在现场对聚氨酯复合管的耐磨性能和摩阻特性与钢质管进行了对比测试，并对比其使用前后的内部涂层表面情况，得到了如下结论：

1）钢质管线在输送中粗砂条件下，磨损呈现双峰特性，底部由于沉积的中粗砂的保护，磨损最小；且其最大磨损发生在管道左右侧下方位置。

2）聚氨酯复合管线在输送中粗砂条件下，其聚氨酯材料耐磨性至少为Q235钢的10倍，且其磨损量在管道横截面上没有明显的特征。

3）现场所采用的聚氨酯复合管，经1 a的施工检验，在法兰口及管道内壁处均未发生起泡或起拱的现象，其现场适应性能够满足中粗砂疏浚吹填管道的要求。

4）聚氨酯耐磨复合管线在输送中粗砂条件下，相比于Q235钢质管线减阻约10%，具有较好的减阻性。

5）聚氨酯复合管在输送中粗砂工况下，综合性能好、适应性强、延长使用寿命、减少停工、节能减排，应用前景广阔。

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[2]BITTERJGA.Astudy of erosion phenomena:part I[J].Wear,1963,6(1):5-21.

[3]BITTERJGA.Astudyof erosion phenomena:Part II[J].Wear,1963,6(3):169-190.

[4]REDDY A V,SUNDARARAJAN G.The influence of grain size on theerosion rate of metals[J].Metallurgical Transactions A,1991,18(6):1 043-1 052.

[5]CHENJ,WANGY,LIX,et al.Erosion prediction of liquid-particle two-phaseflow in pipelineelbowsvia CFD-DEM coupling method[J].Powder Technology,2015,275:182-187.

[6] 陈功，郑琳珠，陈永梅，等.泥泵两种常用材料的耐磨性能和抗冲击性能试验研究[J].中国港湾建设，2015（10）：44-47.CHEN Gong,ZHENG Lin-zhu,CHEN Yong-mei,et al.Experimental studyon wear and impactresistanceof twocommon materials for dredgepump[J].China Harbour Engineering,2015(10):44-47.

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[8] 费祥俊.浆体与粒状物料输送水力学[M].北京：清华大学出版社，1994.FEI Xiang-jun.Slurry and granular material transport hydraulic[M].Beijing:Tsinghua University Press,1994.