大型絞吸挖泥船開發(fā)設(shè)計(jì)

張曉楓 丁 勇 王 倩 周 健

（中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

最早的絞吸挖泥船始于19世紀(jì)的美國，憑借其對土質(zhì)廣泛的適應(yīng)性和高效率，100年來得到了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)已成為疏浚隊(duì)伍的中堅(jiān)力量。目前世界四大疏浚公司共擁有絞吸船近100艘，承接了世界各地大量的疏浚工程任務(wù)。

在我國，絞吸挖泥船也是疏浚隊(duì)伍中非常重要的成員，在國內(nèi)挖泥船總數(shù)中占到50%以上，但均以中小型為主，裝機(jī)功率一般不超過4 000 kW，技術(shù)含量和國外相比也有很大的差距。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與沿海城市建設(shè)的加速，我國港口維護(hù)、航道疏理、吹填等需求正在不斷增加。在這種條件下，絞吸挖泥船的作業(yè)范圍也在不斷擴(kuò)大，正在向更深、更遠(yuǎn)的水域發(fā)展。這對于國內(nèi)絞吸挖泥船的作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性、絞刀切削力、產(chǎn)量、挖深及排距等性能均提出了更高的要求。與國外發(fā)展趨勢類似，國內(nèi)絞吸挖泥船也正在向尺度大型化、裝機(jī)功率大型化及操作自動化的趨勢發(fā)展。

在這種背景下，我們對大型絞吸挖泥船的特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，同時吸取了國外同類型船先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了數(shù)艘裝機(jī)功率超過10 000 kW的大型絞吸挖泥船（見圖1）。本文分別從船型及布置特點(diǎn)、動力驅(qū)動形式、疏浚系統(tǒng)配置以及定位形式共四個部分進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 船型及布置特點(diǎn)

1.1 船型

圖1 七○八研究所自行開發(fā)的“新海鱷”號14 000 kW絞吸挖泥船

絞吸挖泥船的工作原理是將位于船舶橋架前端的絞刀頭放到水底，由船舶自身繞尾端某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而使絞刀頭呈扇形軌跡運(yùn)動；在運(yùn)動過程中利用絞刀的切削力挖松水底的泥沙，并利用泥泵的真空吸力將泥沙運(yùn)送到其他處所。根據(jù)上述工作原理，絞吸船首部必然設(shè)置絞刀架及操縱絞刀架升降等運(yùn)動的絞車滑輪等系統(tǒng)，而船體首部需要開槽，以容納絞刀架等設(shè)備的布置。開槽尺度由絞刀架的大小決定，即與挖深、切削功率等因素有關(guān)。而在船舶尾端將設(shè)置定位系統(tǒng)，使得船舶在作業(yè)中可以定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。泥泵及動力系統(tǒng)則設(shè)置于船中部。對于非自航的絞吸船，考慮到其在施工水域間頻繁調(diào)遣的機(jī)會不多，對航速的要求較低，故設(shè)計(jì)中一般不考慮其線型，往往做成簡單的箱形船；而對于可自航的絞吸船，設(shè)計(jì)難度更大，需要根據(jù)12 kn左右的航速設(shè)計(jì)船體線型。

1.2 主要尺度

主尺度是決定船舶技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能極為關(guān)鍵的要素。絞吸挖泥船的主尺度受其技術(shù)性能、建筑布置、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)備配置以及施工水域環(huán)境條件等諸多因素的影響。作為大型絞吸挖泥船，需設(shè)置大量的重型作業(yè)機(jī)械設(shè)備如：吸排疏浚設(shè)備、移船設(shè)備、定位設(shè)備等，占據(jù)船上大部分空間位置。作為工程作業(yè)船，施工作業(yè)人員數(shù)量較多，居住艙室也是設(shè)計(jì)中必須統(tǒng)籌考慮的問題，因此應(yīng)是布置型的船舶。同時絞吸挖泥船獨(dú)特的技術(shù)形態(tài)決定了其獨(dú)具一格的船型，即船體沿中心線首部大開槽以容納絞刀橋架。對于大型絞吸船，為了追求更大的挖深和切削力，橋架往往設(shè)計(jì)得極為龐大，開槽也相應(yīng)放大，開槽后水線面面積損失近15%。因而主尺度又很大程度上取決于排水量的要求，它又具有排水量型船的特點(diǎn)。

隨著現(xiàn)代疏浚業(yè)的開拓和發(fā)展，絞吸船尤其是大型絞吸船施工的水域越來越廣泛，需要考慮在相對惡劣的海況下施工的能力，這也對船舶的耐波性提出了更高要求。因此，在確定該類型船的主尺度時一定要綜合考慮。

船長主要從布置考慮。挖深決定了絞刀架的長度，因而船首開槽的長度也基本可以確定；尾部長度需滿足定位設(shè)備的布置；船體中間部分需要滿足機(jī)艙和居住艙室的布置要求，并考慮滿載油水時排水量的需要。三者相加即可得出船長。

船寬的確定主要滿足布置和穩(wěn)性的要求，并與船長配合以適應(yīng)排水量的需要?？紤]到船舶作業(yè)時將受到多種可變載荷的影響，對穩(wěn)性和抗搖性的要求較高，故該類型船的船寬取值往往偏大，長寬比明顯偏小。八所設(shè)計(jì)的幾型船長寬比均在4.2～4.8之間。

吃水的確定主要取決于排水量和施工水域的限制。作為經(jīng)常在港口、航道等淺水區(qū)域施工的工程船舶，吃水越淺，則其對水域的適應(yīng)性越強(qiáng)。故在設(shè)計(jì)中往往追求盡量小的吃水值。八所設(shè)計(jì)的幾型船，寬度吃水比由最初的4.7上升到5.4，并有繼續(xù)增大的趨勢，這也是符合國際上絞吸船的發(fā)展趨勢的。

型深的選定以機(jī)艙高度空間的需要和最小干舷的要求為主，型深對空船重心高度的影響較大，需慎重考慮。

作為大型工程船舶，主尺度的確定除了需滿足布置及排水量的要求外，還需注意各種施工水域的限制，經(jīng)過大量的比較分析以確定主尺度的最佳組合。八所開發(fā)設(shè)計(jì)的幾型絞吸船主尺度見表1：

1.3 總體布置

絞吸挖泥船的總體布置與疏浚作業(yè)的流程密切相關(guān)，縱觀國內(nèi)外大型絞吸挖泥船，其主要布置特點(diǎn)不外乎兩種形式：即甲板泥泵和艙內(nèi)泥泵。

1.3.1 甲板泥泵布置形式

顧名思義即泥泵設(shè)于主甲板之上，相應(yīng)的泵機(jī)艙及附屬設(shè)施均設(shè)于主甲板上。這種布置的主要優(yōu)點(diǎn)是泥泵設(shè)于甲板室前、室外安裝，便于泥泵的保養(yǎng)和易損易磨件的更換；泵機(jī)艙設(shè)于主甲板以上，布置空間寬敞，對于機(jī)艙的通風(fēng)、采光等都較有利。此布置形式的缺點(diǎn)是甲板承受載荷強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，處理不當(dāng)極易產(chǎn)生振動問題。

1.3.2 艙內(nèi)泥泵布置形式

泥泵和柴油機(jī)等均設(shè)于艙內(nèi)，符合大多數(shù)船舶的布置習(xí)慣；且泥泵安裝位置低，吸入效率較高；甲板面積較為寬敞，居住區(qū)域的設(shè)置更為寬敞舒適。其缺點(diǎn)是柴油機(jī)、泥泵等都設(shè)于艙內(nèi)，船體尺度大于前者；機(jī)艙區(qū)甲板面需要大開口，對總縱強(qiáng)度不利；維修保養(yǎng)空間狹窄等等。

表1 七○八研究所開發(fā)設(shè)計(jì)的大型絞吸挖泥船船型比較表（截止2010年）

上述兩種布置形式各有利弊，在設(shè)計(jì)過程中需根據(jù)船舶的作業(yè)特點(diǎn)以及船東的需求做出選擇。

對于大型絞吸船，首部的絞刀架系統(tǒng)往往設(shè)計(jì)得極為龐大，尾部的移船定位設(shè)備也非常復(fù)雜，形成兩頭重，中間輕的格局。如何合理的分艙及分配全船重量，以控制浮態(tài)和中拱彎矩，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2 動力驅(qū)動型式

絞吸挖泥船由于設(shè)備繁多，故驅(qū)動形式也是千變?nèi)f化。但從本質(zhì)上無非可分為兩大類：一類是柴油機(jī)與設(shè)備間一對一驅(qū)動的獨(dú)立驅(qū)動模式；另一類是柴油機(jī)發(fā)電形成全船電網(wǎng)統(tǒng)一為各設(shè)備提供動力的電動模式。

從目前來看，獨(dú)立驅(qū)動模式仍然是國內(nèi)絞吸挖泥船的主流。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，便于維護(hù)保養(yǎng)；單一設(shè)備損壞還可繼續(xù)施工，停工期短；初投資較低等等。缺點(diǎn)是總裝機(jī)功率大，功率利用率低。

而電動模式是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，國外很多最先進(jìn)的絞吸船均采用此種動力驅(qū)動方式。其優(yōu)點(diǎn)是功率利用率高，從長期經(jīng)營來看經(jīng)濟(jì)效益更好；操作也更加靈活方便；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，維修保養(yǎng)比較困難；且初投資也比上者高。

對于小型絞吸挖泥船，本身裝機(jī)功率不大，采用何種驅(qū)動方式對經(jīng)濟(jì)性的影響不大。不過，綜合維修、成本等角度考慮，船東往往偏重于傳統(tǒng)的獨(dú)立驅(qū)動模式。而隨著絞吸船的大型化，總裝機(jī)功率也越來越大。在這種情況下，兩種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)效益就出現(xiàn)了明顯的區(qū)別。顯然，選用電動模式將更加合理。目前，自航式絞吸挖泥船等技術(shù)含量更高的挖泥船大都采用電力驅(qū)動形式，大型非自航絞吸船也必將適應(yīng)時代的發(fā)展潮流，向更加節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的電動模式發(fā)展。

八所開發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)艘大型絞吸船大都以獨(dú)立驅(qū)動模式為主，而“新海豚”號則是由獨(dú)立驅(qū)動向全電動過渡的產(chǎn)物（見圖2）。其絞刀頭、水下泵及液壓系統(tǒng)均由疏浚電網(wǎng)供電。雖然初投資比同級別獨(dú)立驅(qū)動模式的絞吸船高出約10%，但全船功率卻可以更合理的分配，絞刀功率明顯增加，優(yōu)勢顯而易見。

3 疏浚系統(tǒng)配置

絞吸挖泥船歸根結(jié)底是疏浚設(shè)備的水上載體，整船設(shè)計(jì)的成功與否，與其核心疏浚設(shè)備的配置密不可分。絞吸船的疏浚設(shè)備主要包括絞刀、泥泵、起升及橫移絞車、液壓系統(tǒng)及定位系統(tǒng)等。這里著重討論一下絞刀和泥泵。

絞刀是絞吸船的切削工具，其驅(qū)動方式分液壓及電力驅(qū)動兩種。通過絞刀頭的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削力以挖松水底的泥沙，并利用泥泵的真空吸力將泥沙排放到其他處所。對于大型絞吸挖泥船來說，往往配備大功率的絞刀系統(tǒng)，以追求更大的切削力，適應(yīng)各種土質(zhì)要求。同時，大的切削力也可以增加泥漿的吸入濃度，提高挖泥效率。

圖2 “新海豚”號動力系統(tǒng)原理圖

隨著絞吸船的作業(yè)水域不斷擴(kuò)大，施工要求也越來越高，絞吸船將面臨淤泥、粘土、細(xì)粉砂、碎石甚至風(fēng)化巖等多種不同特性的土質(zhì)。無疑提高絞刀功率，增加切削力是增強(qiáng)絞吸挖泥船適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性與競爭力的有效方法。因此，目前國內(nèi)外大型絞吸挖泥船的絞刀功率正有不斷增大的趨勢。當(dāng)前國際上絞刀功率最大的絞吸船是“D’ARTAGNAN”號，其絞刀功率達(dá)到驚人的6 000 kW。八所設(shè)計(jì)的幾型絞吸挖泥船的絞刀功率也由最初的1 280 kW提高到2 200 kW。

泥泵是絞吸船的心臟，為將水底的泥漿吸上來并排到其他場所提供真空吸力。泥泵的主要特性有兩個：流量和揚(yáng)程。簡單來說，流量決定了挖泥作業(yè)的生產(chǎn)率；而揚(yáng)程決定了泥漿的排距。

對于大型絞吸挖泥船，為了追求更高的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，往往選用較大的流量。而揚(yáng)程的選擇與施工要求有關(guān)，大型絞吸挖泥船往往要求有很長的排距，可達(dá)數(shù)公里之遠(yuǎn)。這就需要配備兩個甚至三個流量相近的泥泵相串聯(lián)，利用接力的方式提高排距。八所近期開發(fā)設(shè)計(jì)的幾型船均采用三泵串聯(lián)的形式，最大排距可達(dá)6 km。

另外，從泥泵的安裝位置來說，還可分為甲板泵、艙內(nèi)泵和水下泵。甲板泵與艙內(nèi)泵上文已經(jīng)做過比較，這里不再重復(fù)。而水下泵是緊靠絞刀頭安裝在絞刀架中，在作業(yè)過程中隨絞刀架一并放入水中。由于水下泵與吸入端的距離更小、真空壓差更大，故能提高吸入濃度，對于增大挖深和提高作業(yè)效率有利。當(dāng)今大型絞吸挖泥船一般都會配備水下泵，形成甲板泵與水下泵，或者艙內(nèi)泵和水下泵的組合。八所設(shè)計(jì)的幾型船主要疏浚設(shè)備見表2。

4 定位形式

絞吸挖泥船的定位形式有很多，目前應(yīng)用較廣的有兩種：鋼樁定位和“圣誕樹”定位。

4.1 鋼樁定位

早期中小型絞吸船的鋼樁定位系統(tǒng)又被稱為鉛筆樁。采用一只液壓缸頂升，自由落體插樁的淺水作業(yè)，定位移位小型化，人力操作，依靠人力倒豎樁。而隨著絞吸挖泥船的尺度與重量不斷增加，定位系統(tǒng)也更加復(fù)雜龐大，單靠人力已經(jīng)無法操作，需要借助機(jī)械傳動裝置才能實(shí)現(xiàn)移船定位操作。

我國國內(nèi)原有的鋼樁定位裝置的尺度普遍偏小，且技術(shù)比較落后，無法滿足大型絞吸船的要求。我所通過對國外先進(jìn)技術(shù)的充分消化吸收，攻克了“大直徑定位柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化”、“淺水倒豎樁設(shè)計(jì)”等一系列難關(guān)，最終自主研發(fā)出新型的鋼樁定位系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于數(shù)艘大型絞吸船上，填補(bǔ)了國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)的空白。新型的鋼樁定位系統(tǒng)主要由主樁臺車裝置和副樁裝置兩部分組成。主樁臺車裝置設(shè)于船舶艉部的中間開槽內(nèi)，為移動體。副樁裝置設(shè)置在船舶艉部的一舷，為固定體。通過油缸作用，可實(shí)現(xiàn)定位樁的起升、下降、夾緊和倒豎樁［1］。

表2 七○八所開發(fā)設(shè)計(jì)的大型絞吸挖泥船主要疏浚設(shè)備比較表（截止2010年）

目前廣泛應(yīng)用于大型絞吸挖泥船上的鋼樁定位系統(tǒng)，具備了定位、移船、液壓傳動起樁、淺水倒樁等一系列功能。其優(yōu)點(diǎn)是定位效果好，施工精度高。缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，整體重量重；行程短，需要頻繁起樁、移樁，影響作業(yè)效率；受尺度和重量等限制，無法在較深水域或風(fēng)浪較大的水域工作。

4.2 “圣誕樹”定位

“圣誕樹”定位系統(tǒng)主要由三臺定位絞車、定位樹系統(tǒng)及定位錨等設(shè)備組成。其工作原理是由三臺定位絞車引出鋼絲繩，經(jīng)由定位樹及導(dǎo)向滑輪和定位錨連接。在需要定位時，將兩只定位錨分別向船首左右舷各45°左右拋錨定位，另一只錨向船尾方向拋出，定位絞車?yán)o，根據(jù)簡單的力學(xué)原理，三個錨的拉力將相交于定位樹的中心，形成單點(diǎn)定位。船舶將可以圍繞定位樹的軸線旋轉(zhuǎn)，即可達(dá)到定位效果（見圖 3）。

如需向前移船，只需收緊與船首方向定位錨相連的兩臺絞車，而另一臺絞車自由放松，在絞車?yán)Φ淖饔孟拢皩⑾蚯耙苿?。?dāng)?shù)竭_(dá)理想位置時，三臺絞車同時收緊，重新形成單點(diǎn)定位。

“圣誕樹”定位方式的優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在廣闊的水域海況下工作；且一次定位后可長距離作業(yè)，效率較高。缺點(diǎn)是需要拋錨艇等輔助設(shè)備協(xié)助施工；且由于錨泊柔性定位的原理，定位效果一般，船體容易偏移，影響施工精度。

圖3 “圣誕樹”定位系統(tǒng)示意圖

鋼樁定位系統(tǒng)與“圣誕樹”定位系統(tǒng)各自的特點(diǎn)非常鮮明，在設(shè)計(jì)中如何選擇，還需要根據(jù)船舶以后的施工水域、施工要求等因素確定。我所設(shè)計(jì)的“新海鱷”、“新海鯤”號等船型，由于主要用于內(nèi)河、航道及沿海等海況較好的施工區(qū)域，且船東對施工精度的要求較高，故選用了鋼樁定位系統(tǒng)；而“新海鮫”則將兩套定位系統(tǒng)全部配備，兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，使船舶的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

5 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新及各種疏浚需求的推動，越來越多的新技術(shù)正不斷應(yīng)用于絞吸船。絞吸挖泥船正克服發(fā)展的瓶頸，逐漸向尺度大型化、裝機(jī)功率大型化的趨勢發(fā)展，甚至連技術(shù)含量更高、自給力更強(qiáng)的自航式絞吸挖泥也越來越多地進(jìn)入到我們的視野中。作為國內(nèi)專業(yè)的疏浚船舶設(shè)計(jì)研發(fā)機(jī)構(gòu)，我們務(wù)必要緊跟時代發(fā)展潮流，積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，潛心消化研究，為國內(nèi)絞吸挖泥船的創(chuàng)新和發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

［1］丁勇，王振瑯.淺述大型絞吸船定位移船倒樁裝置設(shè)計(jì)［J］.船舶，2009，20（6）:50-54.