CN205999882U - 水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，包括俯视为矩形的钢板外壳，钢板外壳底部设置有若干平行的竖直向下延伸的冻结管外壳，且冻结管外壳与钢板外壳为一体结构，冻结管外壳内腔与钢板外壳内腔相通；钢板外壳内由上至下由隔板分为彼此独立的三层，上层中填充有保温绝热材料，中层为低温介质流入层，下层为低温介质流出层，低温介质流入层与每个冻结管外壳中竖直设置的底部开口的冻结回路相通，冻结回路与冻结管外壳之间有空隙，所述空隙把冻结回路的底部开口和钢板外壳中的下层相连通；所述中层与钢板外壳一端的进液口相通，下层与钢板外壳相对另一端的出液口相通。该冻结装置结构简单，使用方便，能够应用于清淤、取样和打捞工作。

Description

水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置

技术领域

本实用新型涉及一种土建技术，尤其是一种水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置。

背景技术

随着我国经济社会的飞速发展，污水排放量大幅增加，因污水的处理相对滞后，导致大量污水直接排入河湖，再加上雨污不分流，致使河湖严重淤积和污染。水环境的进一步恶化，严重影响了城市人居环境，并制约了我国经济社会的可持续发展。清除河湖、海洋水体污染源、改善水体水质、修复水生态是摆在推动国民经济建设和推进城市化建设道路上不可回避的现实问题。由于河湖、海洋清淤会产生大量的高含水、高有机质，甚至是有毒、有害的清淤泥浆。如何快速、有效地对体量庞大的污染泥浆进行“减量化、无害化、稳定化、资源化”处理处置，成为河湖、海洋环保清淤工作能否顺利实施的关键。

目前，各级政府都把河道的清淤洁水作为整治城乡水环境、提高水资源综合利用效益、建设社会主义新农村和现代化城市的民心工程。传统的断水清淤等清淤技术存在施工效率低、成本高、施工安全系数小、易造成河道二次污染等缺点。为了保证河道清淤期间做到不停航、不停排、不停灌、不影响养殖、不影响交通、不影响旅游、不影响正常供水，亟待研发出一种新型的水下清淤技术来取代断水清淤技术而应用于河道的清淤疏浚实践中。

对于江河、湖泊、海洋的水底浅层沉积物的取样工作在进行沉积物物质分析和水质分析时是非常重要的一个环节，从而确定江河、湖泊、海洋被污染的情况。研究现代环境变化最直接、有效的对象是浅水域易扰动沉积物——记录着环境变化的过程。取样的目的不只是对江河、湖泊、海洋中的水进行分析化验，而且应当对江河、湖泊、海洋中的水底浅层沉积物进行分析化验，从而更全面地对污染情况进行评价。目前，在现有的江河、湖泊、海洋中的水底浅层沉积物进行取样的装置，由于使用卷扬设备直接把取样头从水面上靠其重力进入到水底浅层沉积物中，由于水的阻力作用，使取样头进入的部位面积小，不利于取样。目前国内还没能设计生产出这类浅层易扰动沉积物的非扰动取样装置，而国外的如活塞取样器等也都不能解决这类取样问题。因此，亟待研发出一种新型的水下沉积物取样装置来进行沉积物的物质分析和水质分析。

随着我国的改革开放及经济发展，未来我国水路运输将持续增长，港口、海峡、水道和内河干线的船舶交通流量和交通密度将进一步增加，水上交通安全事故的风险增大，交通安全的压力巨大。根据国家水上交通安全监管和救助系统规划，到2020年，以我国沿海和长江干线水域为重点，基本建立全方位覆盖、全天候运行、具备快速反应能力的现代化水上交通安全监管和救助体系。人命救助有效率大于93％，重点水域一次溢油综合清除控制能力达到1000吨，沉船整体打捞吨位达到8万吨，水下救援打捞深度达到300m，重大抢险打捞的水下作业深度、沉船整体打捞吨位和打捞周期都将达到世界先进水平。为了适应我国国民经济和航运事业发展的需要，接近和赶上国际先进水平，我国的救助打捞事业必须要有一个大的发展。在加强沿海救助站点建设和船舶装备配备的同时，快速深水搜寻、打捞和水下作业技术及装备的引进、研发和开发，能实施300m饱和潜水作业、具有动力定位系统的多功能潜水工作母船的配置，以及潜水、打捞和水下工程的管理、学术、技术和作业高级人才的培养，都是必不可少的。

在进行水下打捞作业时，主要采用封舱压水抽水、抬吊、浮筒抬举、泡沫粒子抬举及充气气囊抬举等方法，但当采用封舱压水抽水和浮筒抬举时，很多情况下很难进行封舱或者将浮筒放入打捞物中；当采用泡沫粒子抬举法时，泡沫粒子很难在打捞物中布置和回收；当采用充气气囊抬举法时，充气气囊有爆炸的危险。另外，当打捞物装有污染物或有放射性的物体时，亟待研发出一种新型的水下打捞物体的装置。

中国专利CN 103696415 A公布了一种用于水下冻结的节能型冻结管，它包括冻结管、供液管和回液管；冻结管顶端固定有封闭盖板，冻结管局部冻结标高处设隔板；在封闭盖板和隔板之间填充有保温材料；供液管穿过封闭盖板和隔板伸至冻结管底部；回液管穿过封闭盖板和隔板并与供液管形成管内回路；冻结管外设有外套管；外套管上端高于水面，下端压入河底土中；外套管与冻结管之间设有保温板。用能阻止冻结过程中未冻结区冷量的损失，避免浪费并确保了冻结效果。该专利主要突出水下冻结管的节能作用，即在江、河底至水面这段区域，通过设置外套管、外套管与冻结管之间的保温板、封闭盖板和隔板之间的保温材料这3部分来起到节能作用，而在江、河底以下的冻结管与常规的地层冻结管一样。该技术的主要特点是能阻止冻结过程中未冻结区域冷量的损失，避免浪费并确保冻结效果。但是其并不能实用用于水下清淤、取样和打捞工作。该技术对于水下清淤工作而言，所形成的冻土帷幕厚度小，清淤效率极低，并且起拔过程容易出现断管现象；该技术对于水下取样工作而言，在江、河底冻结管的成孔施工时，极易扰动浅层沉积物；该技术对于水下打捞工作而言，与被打捞物接触面积小，极易发生在起吊过程中打捞物与冻结管脱离的事故，并且也极易出现断管现象。

中国专利CN 205276250 U公开了一种水下人工冻结板，包括钢板外壳，在钢板外壳内底部设置有冻结管，冻结管上部至钢板外壳内顶部填充有保温绝热材料，所述冻结管在钢板外壳内呈对称的迂回曲折状，其一端为进液口，进液口伸出钢板外壳与外部进液管连通，另一端为出液口，出液口伸出钢板外壳与外部出液管连通。该专利存在着如下技术不足：

1、冻结管布置在钢板外壳内部，并且呈对称的迂回曲折状，很难在现实生活中生产制造；

2、该专利是水下人工冻结板，其冻结深度不深，经研究最大冻结深度约1m。

3、该专利不利于大规模的取样和打捞。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术中的水下清淤、取样和打捞亟待解决问题的不足，提供一种水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，该冻结装置结构简单，使用方便，能够应用于清淤、取样和打捞工作。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，包括俯视为矩形的钢板外壳，钢板外壳底部设置有若干平行的竖直向下延伸的冻结管外壳，且冻结管外壳与钢板外壳为一体结构，冻结管外壳内腔与钢板外壳内腔相通；钢板外壳内由上至下由隔板分为彼此独立的三层，上层中填充有保温绝热材料，中层为低温介质流入层，下层为低温介质流出层，低温介质流入层与每个冻结管外壳中竖直设置的底部开口的冻结回路相通，冻结回路与冻结管外壳之间有空隙，所述空隙把冻结回路的底部开口和钢板外壳中的下层相连通；所述中层与钢板外壳一端的进液口相通，下层与钢板外壳相对另一端的出液口相通。

所述若干冻结管外壳呈阵列形布置，该种布置方式，冻结管均匀，对于水下清淤、打捞和取样，可以方便将其周围形成均匀的冻土帷幕。

所述冻结管外壳下端为锥形，便于将整个装置沉入水底的淤泥中。

所述冻结回路的底部出口与冻结管外壳内底部之间有间隙，方便低温介质流出。

所述钢板外壳的顶部上均匀对称设置有若干起吊点，用于通过起吊设备挂住起吊点将钢板外壳吊起，均匀对称设置起吊更方便，受力均匀，起吊稳定。

所述进、出液口分别与钢板外壳外部相对应的进液管和出液管连通。

所述保温绝热材料可以为珍珠岩粒状保温材料，该材料价格低，保温效果好，易于填充；也可以为PEF聚乙烯保温板，该材料泡沫为闭孔结构，具有隔热、保温、防结露、抗老化等特性，能有效阻止冻结过程中钢板外壳顶部的冷量损失。

所述钢板外壳成扁平的长方体状，该结构与水下清淤、取样及打捞时的物体接触面积大，扁平结构更有利于冻结管对钢板外壳底部的降温，提高工作效率。

本实用新型中，低温介质从进液口流入钢板外壳中层，经中层的冻结回路流入钢板外壳底部的冻结管外壳中，从冻结管外壳底部循环回钢板外壳的下层，最后从出液口流出。不断地循环低温冷媒介质，从而将靠近人工冻结装置的物质冻结起来，形成冻土帷幕；当冻土帷幕厚度达到要求时，通过钢板外壳顶板上的4个起吊点，将人工冻结装置连同其冻结管管间及周围的冻土帷幕一起吊出水面，从而完成清淤、取样或打捞工作。本实用新型对于水下清淤工作而言，可做到不停航、不停排、不停灌、不影响养殖、不影响交通、不影响旅游、不影响正常供水；对水下取样工作而言，可很好地对水下沉积物进行物质和水质取样；对于水下打捞工作而言，可以很有效的将具有污染物或有放射性的物体打捞上来而不会影响环境。本实用新型还具有一次取样、打捞和清淤的范围大、深度深等特点。

附图说明

图1是本实用新型纵剖面结构示意图；

图2是本实用新型俯视图结构示意图；

图3是本实用新型进行清淤、取样或打捞施工工艺流程图；

图4是本实用新型冻结施工流程图；

其中，1、钢板外壳，2、冻结管外壳，3、保温绝热材料，4、起吊点，5、进液口，6、出液口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，包括俯视为矩形的钢板外壳1，钢板外壳1底部设置有若干平行的竖直向下延伸的冻结管外壳2，且冻结管外壳2与钢板外壳1为一体结构，冻结管外壳内腔与钢板外壳内腔相通；钢板外壳1内由上至下由隔板分为彼此独立的三层，上层中填充有保温绝热材料3，中层为低温介质流入层，下层为低温介质流出层，低温介质流入层与每个冻结管外壳2中竖直设置的底部开口的冻结回路相通，冻结回路与冻结管外壳2之间有空隙，所述空隙把冻结回路的底部开口和钢板外壳中的下层相连通；所述中层与钢板外壳1一端的进液口5相通，下层与钢板外壳1相对另一端的出液口6相通。

若干冻结管外壳2呈阵列形布置，该种布置方式，冻结管均匀，对于水下清淤、打捞和取样，可以方便将其周围形成均匀的冻土帷幕。

冻结管外壳2下端为锥形，便于将整个装置沉入水底的淤泥中。

冻结回路的底部出口与冻结管外壳内底部之间有间隙。方便低温介质流出。

钢板外壳1的顶部上均匀对称设置有若干起吊点4，用于通过起吊设备挂住起吊点将钢板外壳1吊起，均匀对称设置起吊更方便，受力均匀，起吊稳定。

进、出液口5、6分别与钢板外壳1外部相对应地进液管和出液管连通。

保温绝热材料3可以为珍珠岩粒状保温材料，该材料价格低，保温效果好，易于填充；也可以为PEF聚乙烯保温板，该材料泡沫为闭孔结构，具有隔热、保温、防结露、抗老化等特性，能有效阻止冻结过程中钢板外壳顶部的冷量损失。

钢板外壳1成扁平的长方体状，该结构与水下清淤、取样及打捞时的物体接触面积大，扁平结构更有利于冻结管对钢板外壳底部的降温，提高工作效率。

本实用新型中，低温介质从进液口流入钢板外壳中层，经中层的冻结回路流入钢板外壳底部的冻结管外壳中，从冻结管外壳底部循环回钢板外壳的下层，最后从出液口流出。不断地循环低温冷媒介质，从而将靠近人工冻结装置的物质冻结起来，形成冻土帷幕；当冻土帷幕厚度达到要求时，通过钢板外壳顶板上的4个起吊点，将人工冻结装置连同其冻结管管间及周围的冻土帷幕一起吊出水面，从而完成清淤、取样或打捞工作。本实用新型对于水下清淤工作而言，可做到不停航、不停排、不停灌、不影响养殖、不影响交通、不影响旅游、不影响正常供水；对水下取样工作而言，可很好地对水下沉积物进行物质和水质取样；对于水下打捞工作而言，可以很有效的将具有污染物或有放射性的物体打捞上来而不会影响环境。本实用新型还具有一次取样、打捞和清淤的范围大、深度深等特点。

本实用新型施工工艺流程如下：

施工准备→清淤、取样或打捞定位→吊放水下人工冻结装置→积极冻结→冻土帷幕厚度达到要求→潜水安装起吊设备→起吊水下人工冻结装置→清淤、取样或打捞完毕。整个施工流程如图3所示。

一、冻结管设计

钢板外壳底部的冻结管呈阵列形布置，也可梅花形布置，管间间距一般为800mm，排间距一般为800mm。

二、制冷系统设计

(1)参数选取

1)冻结管宜选用无缝低碳钢管。

2)采用盐水冷媒介质时，冻结期去路盐水温度为-28～-30℃，回路盐水温度为-25～-28℃；

3)盐水比重1.26。

4)冻结管内盐水流量5m³/h；

5)冻结管散热能力：260Kcal/m².h；

6)冷量损失系数：1.2。

(2)需冷量计算

冻结需冷量计算：Q＝1.2·π·d·H·K

式中:H—冻结总长度；

d—冻结管直径；

K—冻结管散热系数。

(3)冻结站设置、机组选型及数量

冻结站选用W-YSLGF600Ⅱ型螺杆冷冻机2台。每台机组制冷量28×10⁴Kcal/h，电机功率220kw。

(4)盐水系统

1)盐水干管、集配液圈选型：焊管加工制作。

2)氯化钙(80％晶体)总用量：15吨。

3)盐水泵选型：选用3台IS150-125-315型离心式水泵(其中一台备用)，流量200m³/h,电机30kw。

(5)清水系统

1)清水管选型：焊管加工制作。

2)选用8m³清水箱3个。

3)新鲜水补充量：30m³/h。

4)选用3台IS150-125-315型离心式水泵，流量200m³/h,电机30kw。

5)选用KST－80型冷却塔4台。

(6)冻结管设计

垂直冻结管宜选用无缝低碳钢管，供液管选用无缝钢管。

(7)冻土帷幕形成预测

根据经验,取冻结帷幕发展速度25mm/天，冻结管最大管间间距取800mm，则交圈时间为t₁＝800/2/25＝16天，冻结壁交圈时间取20天，整个积极冻结时间宜取30天以上。

三、冻结施工工艺

(1)冻结施工主要设备

冻结期间总用电负荷约666kw，在考虑线路电压损失较大的情况下，整个冷冻站选用YC3×120+2×25低压橡套电缆3根，分别供2台冻结机组及相应配套设备。

(2)冻结施工流程

冻结施工流程如图4所示。

(3)冻结站安装

冻结站布置在一侧，2台机组并联安装，可相互备用，冷冻站占地约200平方米。

(4)冷冻机组的安装

1)就位与固定

按照冻结站布置图，将冷冻机组就位后，用螺栓与基础进行可靠固定。固定时注意要用水平尺对机组进行找平，通过不断调整垫铁将机组调平。

根据现场的管路布置，可以灵活调整冷凝器两头盖板，已达到优化管路布置的目的。

将机组启动柜可靠布置在机组旁边，利于操作方便的位置，同时注意与机组之间留下一定的空间，要对平时的操作维护带来方便。

2)管路连接

盐水管路与清水管路与机组之间采用法兰连接，要合理地布置安装阀门，利于平时开启与关闭操作，又要对维护时的拧螺栓等提供方便。

3)机组密封检测

冷冻机组一定要保证机组的密封性能可靠，否则造成机组漏氟，制冷效率下降，达不到理想的制冷效果。

首先进行制冷系统的检漏，在确保系统无泻漏后，再充氟加油。

4)机组加油

检查机组里冷冻机油的量，如果过少，要向机组加油，冷冻机组选用46#冷冻机油。

(5)清、盐水泵的安装

检查水泵和电机，确保在运输和装卸过程中没有损伤。

检查工具和起重机械，并检查机器的基础。

安装装泵的基础平面应水平找平，放置好后再检查一下整台机组的水平度。

泵的吸入管路和吐出管路应有各自的支架，不允许管路重量直接由泵承受。

泵轴与电机旋转方向应一致。

泵的吸入口不宜过高，要高于清、盐水箱底20cm左右。

在清水泵的吸入口安装一道滤网，在盐水箱中间设置一道滤网，以防止有杂物被吸入管路内。

检查泵及管路及结合处有无松动现象。用手转动泵轴，检查泵轴转动是否灵活。

向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更换或补充。

(6)冷却塔的安装

冷却塔安装过程中应注意防火，严禁在塔体及其邻近使用电焊(或气割)等明火，也不允许在场人员吸烟等。如动用明火，应采取相应的安全措施。

冷却塔基础应保持水平，要求支柱与基面垂直，各基面高差不超过±1mm。中心距允许差为±2mm。

塔体拼装时，螺栓应对称紧固，不允许强行扭曲安装，拼装后不得漏水。

冷却塔塔脚与基础固定牢固。

冷却塔零部件在运输、存放过程中，其上不允许压重物，不得暴晒，且注意明火。

冷却塔进、出水管及补充水管应单独设置管道支架，避免将管道重量传递塔体。

风机叶片应妥善保管，防止变形。电机及传动件应上油，在室内存放。

为避免杂物进入喷嘴、孔口，组装前应仔细清理。

冷却塔安装完毕后，应清理管道、填料表面、集水盘等污垢及塔内遗物，并进行系统冲洗。

(7)冷冻机组调试

在制冷系统调试前，一定要做好系统内部的清洁和干燥工作。

1)制冷剂的充注

现场安装后，外观检查如果未发现意外损伤，如果发现制冷剂已经漏完或者不足，应首先找出泄漏点并排除泄漏现象，然后加入制冷剂。

充注时，可直接从专用充液阀门充入。制冷剂充注量不足.会导致冷量不足。制冷剂充注量过多，不但会增加费用，而且对运行能耗等可能带来不利影响。

2)调试

正式开机前可以对主要电控系统做模拟动作检侧，即机组主机不通电，控制系统通电，然后通过机组内部设定，对机组的电控系统进行检测，组件是否运行正常。如果电控系统出现什么问题，可以及时解决。最后再通上主机电源，进行调试。

在调试过程中，应特别注意以下几点：

检查制冷系统中的各处阀门是否处在正常的开启状态，特别是排气截止阀，切勿关闭。

打开冷凝器的冷却水阀门和蒸发器的冷水阀门，冷水和冷却水的流量应符合机组技术要求。

启动前应注意观察机组的供电电压是否正常。

3)运行

按照冷冻机操作规程要求，启动机组。

当机组启动后，根据机组说明书要求，查看机组的各项参数是否正常。

对机组的各项数据进行记录，特别是一些主要参数一定要记录清楚。

在机组运行过程中，应注意压缩机的增、减载机构是否正常工作。

应正确使用制冷系统中安装的安全保护装置，如高低压保护装置、冷水和冷却水断水流量开关、安全阀等设备，如有损坏应及时更换。

4)异常监测

螺杆式冷水机组如出现异常情况，应立即停机检查。

螺杆式制冷压缩机正常运行的标志为：

压缩机排气压力为0.8～1.5MPa(表压)；

压缩机排气温度为45～90℃；

压缩机的油温为40～55℃左右；

压缩机的油压为0.2～0.3MPa(表压)；

压缩机运行过程中声音应均匀、平稳，无异常声音；

机组的冷凝温度应比冷却水温度高3～5℃；冷凝温度一般应控制在40℃左右，冷凝器进水温度应在32℃以下；

机组的蒸发温度应比冷媒水的出水温度低3～4℃，冷媒水出水温度一般为5～7℃左右。

(8)清、盐水泵的调试

检查泵及管路及结合处有无松动现象。用手转动泵，试看泵轴转动是否灵活。

向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更换或补充。

点动电机，试看电机转向是否正确。

开动电机，当泵正常运转后，打开出口压力表和，视其显示出适当压力后，逐渐打开闸阀，同时检查电机负荷情况。

观察泵体及管路是否振动过大，过大时要停车检查原因并进行处理。

尽量控制泵的流量和扬程在标牌上注明的范围内，以保证泵在最高效率点运转，才能获得最大的节能效果。

泵在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃。

如发现泵有异常声音应立即停车检查原因。

(9)其它

冻机油选用N46冷冻机油；

制冷剂选用氟立昂R-22；

冷媒剂选用氯化钙溶液。

四、起吊条件

起吊水下人工冻结装置必须具备如下条件：

序号	内容	指标
			1	积极冻结时间	≥30天
2	冻土的平均温度	≤-10℃
			3	盐水温度	-28℃～-30℃
4	盐水去回路温度差	≤2℃

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，包括俯视为矩形的钢板外壳，钢板外壳底部设置有若干平行的竖直向下延伸的冻结管外壳，且冻结管外壳与钢板外壳为一体结构，冻结管外壳内腔与钢板外壳内腔相通；钢板外壳内由上至下由隔板分为彼此独立的三层，上层中填充有保温绝热材料，中层为低温介质流入层，下层为低温介质流出层，低温介质流入层与每个冻结管外壳中竖直设置的底部开口的冻结回路相通，冻结回路与冻结管外壳之间有空隙，所述空隙把冻结回路的底部开口和钢板外壳中的下层相连通；所述中层与钢板外壳一端的进液口相通，下层与钢板外壳相对另一端的出液口相通。

2.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述若干冻结管外壳呈阵列形布置。

3.如权利要求1或2所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述冻结管外壳下端为锥形。

4.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述冻结回路的底部出口与冻结管外壳内底部之间有间隙。

5.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述钢板外壳的顶部上均匀对称设置有若干起吊点。

6.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述进、出液口分别与钢板外壳外部相对应地进液管和出液管连通。

7.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述保温绝热材料珍珠岩粒状保温材料或PEF聚乙烯保温板。

8.如权利要求1所述的水下清淤、取样和打捞的人工冻结装置，其特征是，所述钢板外壳成扁平的长方体状。