趙天彪，袁超哲，汪金文，陶潤禮，楊錫剛

（中交疏浚技術(shù)裝備國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，鋼質(zhì)排泥管線為介質(zhì)輸送的主要設(shè)備和重要的成本組成部分，其在淤泥、粉土、粉細(xì)砂等較細(xì)顆粒輸送過程中磨損較小。目前，國內(nèi)較多的疏浚吹填工程，如廈門新機(jī)場(chǎng)大小嶝造地工程，其輸送介質(zhì)均為中粗砂，在施工過程中該介質(zhì)對(duì)管線耐磨性提出了更高的要求。Q235的鋼質(zhì)管線具有強(qiáng)度大、初始成本低、生產(chǎn)技術(shù)成熟，因此其在疏浚行業(yè)應(yīng)用廣泛。然而，在輸送中粗砂過程中，由于管線磨損嚴(yán)重、生命周期較短，經(jīng)常因破損導(dǎo)致停工和維護(hù)。

針對(duì)管線的磨損問題，國內(nèi)外學(xué)者Finnie和學(xué)者Bitter等[1-3]，采用理論分析的方法，對(duì)磨損機(jī)理和磨損影響因素進(jìn)行了深入的研究，并針對(duì)塑性材料、脆性材料等給出了不同的磨損經(jīng)驗(yàn)公式。學(xué)者Reddy和學(xué)者Chen等[4-5]，采用CFD和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)直管、彎管等管道在多相流的沖蝕作用下的磨損特性進(jìn)行研究，為實(shí)際管道的設(shè)計(jì)與使用提供依據(jù)。

本文采用聚氨酯耐磨復(fù)合管替換部分鋼質(zhì)排泥管，對(duì)輸送中粗砂條件下，2種管線的磨損情況、摩阻損失及現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試。所采用的聚氨酯復(fù)合管相比于鋼質(zhì)管線，具有良好的鋼基底附著力、耐海水腐蝕性、耐磨性能、耐老化性能等，能極大延長其生命周期；且該聚氨酯復(fù)合管還具有降阻的特性[6-7]。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

基于廈門大小嶝新機(jī)場(chǎng)造地工程，選取某一平順段鋼質(zhì)管線，將其中的部分管線替換為聚氨酯復(fù)合管。如圖1所示，為絞吸挖泥船岸管段聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管測(cè)量段的排布示意圖。圖1左側(cè)聚氨酯復(fù)合管測(cè)量管段長192 m，其中包含6根2 m長的橡膠短管和15根12 m長的聚氨酯復(fù)合管；鋼質(zhì)管測(cè)量管段長178 m，其中包含5根橡膠短管和14根鋼質(zhì)管；且在測(cè)量管段分別布置有①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)及④號(hào)壓力傳感器，用于測(cè)量管線摩阻損失。在測(cè)量管段中分別選取1根聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管進(jìn)行管道內(nèi)磨損的監(jiān)測(cè)，且在2根選定管線上分別選取3個(gè)測(cè)量截面，如圖1中截面1～截面6所示，并在每個(gè)截面上均勻選取8個(gè)磨損測(cè)量點(diǎn)。其中聚氨酯涂層磨損厚度通過涂層測(cè)厚儀從管道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量；鋼質(zhì)管線通過超聲波測(cè)厚儀從外部進(jìn)行測(cè)量。

圖1 絞吸挖泥船岸管段聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管測(cè)量排布示意圖Fig.1 Layout of the testing polyurethane compositepipelineand steal pipeline of the cutter suction dredger shore section

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過程中，首先對(duì)管道內(nèi)輸送介質(zhì)的中值粒徑、輸送濃度和輸送流速進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)；假設(shè)串聯(lián)的聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管內(nèi)的介質(zhì)及流場(chǎng)變化情況一致。以此為基礎(chǔ)，對(duì)相同輸送條件下聚氨酯復(fù)合管的磨損性能和摩阻損失特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

2 測(cè)試結(jié)果分析

廈門機(jī)場(chǎng)大小嶝造地工程中的輸送介質(zhì)的中值粒徑約為0.72 mm，貝殼含量7%～12%，為中粗砂。在測(cè)量過程中，管線內(nèi)泥沙混合物流速4.25～5.55 m/s，體積濃度10%～40%。本文主要從耐磨性能、摩阻損失對(duì)聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管進(jìn)行對(duì)比與分析；并通過聚氨酯復(fù)合管使用前后的情況，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

耐磨性能通過對(duì)長期施工條件下聚氨酯復(fù)合管和鋼質(zhì)管的磨損量監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析；通過壓力傳感器對(duì)兩條測(cè)試管線的摩阻損失進(jìn)行對(duì)比與分析；聚氨酯復(fù)合管的適應(yīng)性通過對(duì)長期施工條件下聚氨酯涂層與鋼基底的附著力進(jìn)行拆管觀測(cè)。

2.1 磨損量

如圖2所示，為鋼質(zhì)管線磨損量測(cè)試管段不同截面的磨損示意圖。該磨損量為持續(xù)施工1 a后的磨損情況，且磨損量由1 000×Ero/D表征，其中Ero為測(cè)點(diǎn)的磨損厚度，mm；D為測(cè)試管線內(nèi)徑，mm。由圖2可知，3個(gè)測(cè)量截面的磨損值符合如下規(guī)律：鋼質(zhì)管底部⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)磨損量最小，④號(hào)與⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)磨損量最大，③號(hào)與⑦號(hào)測(cè)點(diǎn)次之，①號(hào)、②號(hào)與⑧號(hào)測(cè)點(diǎn)磨損量也較小。

圖2 鋼質(zhì)管線不同斷面磨損量示意圖Fig.2 Diagram of the erosion of the steel pipeline in different sections

且在中粗砂施工條件下，容易發(fā)生顆粒沉積，沉積的中粗砂對(duì)管線底部具有保護(hù)作用，減少了管線底部的磨損。由此可知，管道磨損現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)中粗砂輸送的沉積現(xiàn)象一致。因此該磨損值測(cè)量結(jié)果能夠正確表征鋼質(zhì)管線在中粗砂施工條件下磨損情況。

圖3為聚氨酯復(fù)合管線耐磨測(cè)試管段不同截面的磨損示意圖。對(duì)比圖2可知，聚氨酯復(fù)合管的磨損量顯著小于鋼質(zhì)管。例如，鋼質(zhì)管截面4，④號(hào)測(cè)點(diǎn)磨損值為3.78；聚氨酯復(fù)合管相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的磨損值為0.21，僅為鋼質(zhì)管磨損量的5.6%。且聚氨酯復(fù)合管在給定磨損測(cè)量截面上，并未體現(xiàn)出中粗砂沉積對(duì)底部的保護(hù)作用。除了部分測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常之外，磨損值均在0.15～0.40之間變化，該磨損測(cè)量值受到測(cè)量儀器精度限制，其測(cè)試結(jié)果精度不能保證，且聚氨酯復(fù)合管在持續(xù)施工1 a后的磨損量較小，無法獲取測(cè)量截面磨損值的普遍規(guī)律，僅能作為磨損量級(jí)上的參考。

圖3 聚氨酯復(fù)合管線不同斷面磨損量示意圖Fig.3 Diagram of the erosion of thepolyurethanedredge pipeline in different sections

圖4 所示，為鋼質(zhì)管的截面4～截面6和聚氨酯復(fù)合管的截面1～截面3磨損量的對(duì)比圖。由該圖可知，鋼質(zhì)管線橫截面磨損量呈現(xiàn)雙峰特征。在④號(hào)和⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)處的磨損量最大，⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)的磨損量最小。判斷疏浚排泥管線的使用壽命，主要以最大磨損量為依據(jù)，其中鋼質(zhì)管的最大磨損量發(fā)生在截面6的④號(hào)測(cè)點(diǎn)，其磨損值為4.80；聚氨酯復(fù)合管其磨損并未呈現(xiàn)出類似于鋼質(zhì)管線的磨損特性，其最大磨損量發(fā)生在截面3的⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)，其磨損值為0.37。

圖4 鋼質(zhì)管與聚氨酯復(fù)合管磨損量對(duì)比圖Fig.4 The comparison of theerosion of polyurethane and steel pipeline

如圖5所示，為鋼質(zhì)管線和聚氨酯復(fù)合管最大磨損值和平均磨損值的對(duì)比圖。聚氨酯復(fù)合管的最大磨損量約為Q235鋼質(zhì)管線的7.7%，由此可以給出聚氨酯復(fù)合管的耐磨性約為鋼質(zhì)管線的13倍；如圖5所示，鋼質(zhì)管的平均磨損值約為2.88，約為聚氨酯復(fù)合管平均磨損值0.21的13.7倍。結(jié)合圖4和圖5的分析可知，在中粗砂輸送條件下聚氨酯材料的耐磨性至少為Q235鋼材的10倍。

圖5 鋼質(zhì)管與聚氨酯復(fù)合管最大磨損值與平均磨損值對(duì)比圖Fig.5 Thecomparison of themaximum&mean erosion of polyurethane and steel pipeline

2.2 聚氨酯復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性

聚氨酯復(fù)合管涂層厚度大于8 mm，其材料拉伸強(qiáng)度大于46 MPa，撕裂強(qiáng)度大于120 kN/m，鋼基底與聚氨酯涂層附著力大于8 MPa。如圖6所示，為該聚氨酯涂層在連續(xù)1 a輸送約480萬m3中粗砂后，經(jīng)歷寒暑交替，管道內(nèi)聚氨酯涂層光潔如新、局部輕微劃痕，未出現(xiàn)起拱、鼓泡等現(xiàn)象。且該聚氨酯耐磨復(fù)合管的法蘭口處聚氨酯涂層亦未發(fā)生起拱、脫落的現(xiàn)象。

圖6 使用后聚氨酯涂層法蘭口情況示意圖Fig.6 Diagram of the polyurethane dredgepipelineflange adhesion

2.3 摩阻損失

本文通過對(duì)測(cè)量段鋼質(zhì)管線和聚氨酯復(fù)合管線的沿程壓力進(jìn)行測(cè)試，獲取2種材質(zhì)排泥管線的摩阻損失大小。如圖7所示，截取連續(xù)2500s內(nèi)實(shí)測(cè)壓力值的變化情況，該值隨著絞刀的擺動(dòng)，呈現(xiàn)較大周期的波動(dòng)。摩阻損失在疏浚領(lǐng)域，采用水力坡度進(jìn)行表征[8]。通過水力坡度計(jì)算公式（1），可得圖8所示的摩阻損失變化情況。

式中：Im為水力坡度實(shí)測(cè)值；P1和P2為沿程測(cè)點(diǎn)的壓力值；h1和h2為沿程測(cè)點(diǎn)的高程值；ρ為漿體密度；g為重力加速度；L為測(cè)量段長度。

圖7 摩阻損失測(cè)量管段的壓力變化Fig.7 Pressure variation in measurement section of friction loss

圖8 聚氨酯復(fù)合管與鋼質(zhì)管實(shí)測(cè)摩阻損失對(duì)比圖Fig.8 Comparison of frictional resistance of polyurethane and steel pipeline

由圖8可知，聚氨酯復(fù)合管的摩阻損失在施工過程中均小于鋼質(zhì)管的。將連續(xù)3 h的水力坡度實(shí)測(cè)值取平均可得：鋼質(zhì)管平均水力坡度約為0.041 2 mH2O/m，聚氨酯復(fù)合管約為0.036 8 mH2O/m，聚氨酯復(fù)合管相比于鋼質(zhì)管減阻約10%。

3 結(jié)語

本文在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)聚氨酯復(fù)合管的耐磨性能和摩阻特性與鋼質(zhì)管進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，并對(duì)比其使用前后的內(nèi)部涂層表面情況，得到了如下結(jié)論：

1）鋼質(zhì)管線在輸送中粗砂條件下，磨損呈現(xiàn)雙峰特性，底部由于沉積的中粗砂的保護(hù)，磨損最小；且其最大磨損發(fā)生在管道左右側(cè)下方位置。

2）聚氨酯復(fù)合管線在輸送中粗砂條件下，其聚氨酯材料耐磨性至少為Q235鋼的10倍，且其磨損量在管道橫截面上沒有明顯的特征。

3）現(xiàn)場(chǎng)所采用的聚氨酯復(fù)合管，經(jīng)1 a的施工檢驗(yàn)，在法蘭口及管道內(nèi)壁處均未發(fā)生起泡或起拱的現(xiàn)象，其現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性能夠滿足中粗砂疏浚吹填管道的要求。

4）聚氨酯耐磨復(fù)合管線在輸送中粗砂條件下，相比于Q235鋼質(zhì)管線減阻約10%，具有較好的減阻性。

5）聚氨酯復(fù)合管在輸送中粗砂工況下，綜合性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、延長使用壽命、減少停工、節(jié)能減排，應(yīng)用前景廣闊。

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