新建6 500 m3耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)技術(shù)研究

馮沛洪，胡京招*，李忠，班育博

（1．中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中港疏浚有限公司，上海 200129）

0 引言

耙吸挖泥船作為疏浚行業(yè)主力船舶，在各類航道疏浚、港口建設(shè)、吹填造地工程項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)江黃金水道深水航道整治維護(hù)、洋山深水港建設(shè)和航道疏浚、港珠澳大橋島隧工程等國(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)過程中耙吸挖泥船都發(fā)揮了重要作用。時(shí)至21世紀(jì)，隨著世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的要求日漸提升，業(yè)主對(duì)疏浚工程的施工要求也隨之提高，要求施工船舶在確保施工質(zhì)量、進(jìn)度和安全的同時(shí)，對(duì)水文環(huán)境不能造成新的污染[1]。因此，各施工企業(yè)和設(shè)計(jì)單位在研發(fā)設(shè)計(jì)施工船舶過程中，把節(jié)能和環(huán)保的性能作為關(guān)鍵指標(biāo)納入設(shè)計(jì)理念中。

中交上海航道局有限公司無論在總艙容量還是在船舶技術(shù)性能方面，均處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平[2]。早在2002年，中交上航局便引進(jìn)了荷蘭IHC設(shè)計(jì)建造的萬方耙吸挖泥船“新海龍”輪，在國(guó)內(nèi)尚屬首例。該輪先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、優(yōu)化的整船疏浚性能和強(qiáng)大的施工能力帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)整個(gè)疏浚裝備行業(yè)的發(fā)展[3]。近期6 500 m3耙吸挖泥船的研發(fā)設(shè)計(jì)和建造，是繼“新海龍”輪之后，中交上航局再一次和荷蘭IHC公司開展整船研發(fā)設(shè)計(jì)的合作項(xiàng)目（見圖1）。設(shè)計(jì)理念中融合了高效節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和低排放低污染的環(huán)保性指標(biāo)。在其疏浚系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出了裝艙效率高、卸泥速度快、溢流損失低和溢流擴(kuò)散污染小的要求[4]。

圖1 6 500 m3耙吸挖泥船側(cè)視圖Fig.1 Side view of 6 500 m3TSHD

本文針對(duì)6 500 m3耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中采用的先進(jìn)理念和新型疏浚裝備技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，將全船疏浚系統(tǒng)分為挖掘子系統(tǒng)、裝艙溢流子系統(tǒng)、抽艙卸泥子系統(tǒng)、疏浚控制子系統(tǒng)共4個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分別研究，對(duì)比分析其各個(gè)子系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能，總結(jié)新建6 500 m3耙吸挖泥船整船疏浚系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)國(guó)內(nèi)耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)和疏浚裝備的研究設(shè)計(jì)提供參考。

1 新型挖掘系統(tǒng)研究

耙頭是耙吸挖泥船的關(guān)鍵裝備，其挖掘性能直接影響船舶的施工產(chǎn)量。近幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)疏浚耙頭的性能研究不斷深入，從耙頭高壓沖水噴射角度、噴嘴直徑、噴嘴布置的系列研究到耙頭引水天窗的尺寸設(shè)置和開閉控制研究，都取得了一定的成果，并且轉(zhuǎn)化為多個(gè)成功應(yīng)用的實(shí)例。在對(duì)耙頭耙齒切削性能的研究方面，中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心通過物理模型挖掘試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬土體切削分析，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耙齒對(duì)地的切削角度對(duì)耙頭的挖掘效率和挖掘阻力有較大的影響，并且對(duì)于不同土質(zhì)，耙齒對(duì)地的最佳切削角范圍是不同的。目前，在耙頭設(shè)計(jì)過程中，由于耙頭與土體切削作用產(chǎn)生的挖掘作用力較大，為確保耙齒及齒座在施工中不被拉斷，耙頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中耙齒及齒座均為固定焊接式。

新建6 500 m3耙吸挖泥船配備了最新研發(fā)的針對(duì)挖掘板結(jié)砂土質(zhì)的“IHC威龍”型耙頭和針對(duì)挖掘黏土土質(zhì)的“IHC黏土”型專用耙頭。其中，“IHC黏土”型專用耙頭除了配置高壓沖水和引水窗外，研發(fā)設(shè)計(jì)了可調(diào)角度型耙齒，如圖2所示，在不同施工深度和疏浚土質(zhì)工況下，通過調(diào)節(jié)耙齒對(duì)地角度來獲得最佳的耙齒切削角，有效提高疏浚濃度，極大地增強(qiáng)了耙頭的工況適應(yīng)能力。

圖2 可調(diào)角度型耙齒的黏土專用耙頭Fig.2 Clay draghead with adjustable angle teeth

2 裝艙溢流系統(tǒng)研究

2.1 環(huán)保溢流閥的應(yīng)用

耙吸挖泥船在裝艙過程中，通過溢流來達(dá)到最大的裝艙量，是施工過程一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。但是，在溢流過程中，通過溢流筒溢流出的低濃度混合物因?yàn)楹猩俨糠帜嗌扯谶M(jìn)入水體后在水體表面形成懸浮物顆粒，造成水體的懸浮顆粒污染[5]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，泥沙密度大于水密度，能夠在水體表面長(zhǎng)時(shí)間懸浮的一個(gè)直接原因是泥沙混合物在進(jìn)入水體時(shí)攜帶了大量的空氣，促使混合物進(jìn)入水體后，泥沙顆粒不能夠及時(shí)沉降而處于懸浮狀態(tài)，進(jìn)而引起水體表面的懸浮擴(kuò)散污染。

環(huán)保型溢流閥的設(shè)計(jì)理念即來源于此，通過在溢流筒底部設(shè)置一個(gè)可開閉的環(huán)保閥，如圖3所示，在溢流過程中通過持續(xù)調(diào)整閥體開合角度，在溢流筒內(nèi)儲(chǔ)蓄一定高度的水體，直接降低了溢流混合物進(jìn)入溢流筒后的垂直降落高度，即極大減小了溢流混合物與空氣接觸的時(shí)間和速度，進(jìn)而減少溢流混合物內(nèi)的空氣含量。通過環(huán)保閥的開口區(qū)域，溢流混合物進(jìn)入水體后能夠迅速沉淀，有效降低了溢流混合物中泥沙在水體中的懸浮時(shí)間，達(dá)到降低懸浮擴(kuò)散污染的目的，提高了整船施工的環(huán)保性能。

圖3 增設(shè)環(huán)保閥的溢流筒Fig.3 Overflow duct with hydraulically operated valve

對(duì)于某些禁止溢流的區(qū)域，通過保持溢流閥關(guān)閉，可以使耙吸挖泥船泥艙與外部水域的完全隔離，從而實(shí)現(xiàn)船舶挖泥施工過程的零溢流、無污染。

2.2 節(jié)能型單耙臂施工理念

近年來，隨著世界各國(guó)對(duì)工程施工節(jié)能減排要求的提高，施工企業(yè)對(duì)船舶施工精細(xì)化管理要求也越來越高。因此，在耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)建造中，單耙臂系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸盛行。

6 500 m3耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)選擇配置了單耙臂系統(tǒng)，即在船體右舷側(cè)設(shè)置單耙臂系統(tǒng)。與此對(duì)應(yīng)，機(jī)艙內(nèi)2臺(tái)主機(jī)分別采用右舷側(cè)主機(jī)一拖二配置（主機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器和泥泵），左舷側(cè)主機(jī)一拖三配置（主機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器、主發(fā)電機(jī)和高壓沖水泵）。單耙臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，同樣推進(jìn)功率下，有更大的推力分配，使單耙頭得到更大的挖掘力，破土能力更強(qiáng)。因此，在某種意義上，同一挖掘能力下，裝機(jī)功率減少，從而達(dá)到節(jié)能目的。

同時(shí)，單耙臂系統(tǒng)施工過程中可以選擇泥泵的大流量高效工況點(diǎn)裝艙，加大耙頭切入土體深度，使耙頭和泥泵的配合達(dá)到最佳施工效率點(diǎn)。因此，同樣艙容下，單耙臂系統(tǒng)的裝艙時(shí)間與雙耙臂系統(tǒng)的裝艙時(shí)間并非為兩倍的關(guān)系，雙耙臂系統(tǒng)裝艙時(shí)間40 min，單耙臂系統(tǒng)裝艙時(shí)間只需約1 h。

此外，適當(dāng)延長(zhǎng)裝艙時(shí)間有利于泥漿在泥艙內(nèi)的充分沉淀，最大程度減少溢流損失，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果[6]。

在國(guó)外，單耙設(shè)計(jì)已被歐洲疏浚公司廣泛采用，尤其是在挖掘中細(xì)砂的情況下，濃度可以提高40%以上，這種設(shè)計(jì)基本可以滿足裝艙時(shí)間的要求，而且單耙臂設(shè)計(jì)還具有維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，節(jié)省50%的耙管成本費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。

3 抽艙卸泥系統(tǒng)的優(yōu)化研究

3.1 抽艙系統(tǒng)的優(yōu)化

抽艙排岸是耙吸挖泥船常規(guī)施工中的一種重要工況，整個(gè)抽艙系統(tǒng)的流暢作業(yè)對(duì)施工效率有直接的影響。目前的耙吸挖泥船，抽艙管系的類別主要有設(shè)置于三角艙內(nèi)的抽艙管和設(shè)置于泥艙內(nèi)的抽艙通道，與之相應(yīng)匹配的抽艙門設(shè)備分別是置于泥艙內(nèi)的提拉式抽艙小泥門和置于泥艙內(nèi)的翻板式抽艙門。兩種設(shè)備均是采用將液壓油缸置于泥艙甲板，連桿通過泥艙連接小泥門的形式，此種形式下的優(yōu)點(diǎn)是液壓油缸處于泥艙外，不受裝艙影響且便于維護(hù)。缺點(diǎn)則是經(jīng)常出現(xiàn)拉桿被泥漿壓彎，抽艙小泥門打開困難。或者是長(zhǎng)時(shí)間之后，拉桿鏈條被拉伸，小泥門關(guān)不嚴(yán)密。

本船則采用抽艙管系配備抽艙閘閥的形式，將閘閥與抽艙管系統(tǒng)一布置于縱向三角艙內(nèi)，直接避免了抽艙門拉桿在泥艙內(nèi)容易被泥漿沉淀壓彎變形的問題。此種設(shè)計(jì)理念將抽艙設(shè)備與泥漿徹底隔離放置于船體內(nèi)，對(duì)于設(shè)備的保護(hù)和后期的檢查維護(hù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于縱向三角艙空間體積較大的船型，其優(yōu)勢(shì)和便利性更為明顯。

3.2 方形泥門的優(yōu)化

目前耙吸挖泥船的泥門類型中，以錐形泥門和對(duì)開式方形泥門為主。錐形泥門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖4所示，整體呈圓錐形，與船體底部圓形開孔的泥門框相對(duì)應(yīng)。錐形泥門通過拉桿與位于泥艙甲板的液壓油缸相連。在液壓油缸作用下，錐形泥門下放與船體泥門框脫開即為打開狀態(tài)，上升與泥門框?qū)?yīng)貼合即為關(guān)閉狀態(tài)。整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程可靠性較高，不易變形，缺點(diǎn)是由于打開面積較小，拋泥效率較低。對(duì)開式方形泥門由兩扇方形泥門組成，如圖5所示，泥門通過鉸鏈安裝在船體底部開口區(qū)域，并通過連桿與泥艙甲板上的液壓油缸連接。在液壓油缸的作用下，對(duì)開泥門向下打開即為拋泥狀態(tài)，向上合攏與船底齊平即為關(guān)閉狀態(tài)。整個(gè)過程泥門打開面積大，泥艙內(nèi)疏浚物順泥門表面下滑進(jìn)入海底，拋泥效率高。但由于方形泥門的開閉都要繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸鏈與船體之間的間隙容易卡入異物、堆積泥沙，進(jìn)而造成泥門關(guān)不嚴(yán)密，長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)行關(guān)閉還會(huì)造成方形泥門和鉸鏈的變形，最終導(dǎo)致泥門滲漏?；诖耍M管方形對(duì)開式泥門的拋泥效率高，許多耙吸挖泥船設(shè)計(jì)者也不敢輕易采用，寧愿選擇可靠性高的錐形泥門。

圖4 錐形泥門結(jié)構(gòu)Fig.4 Conical bottom door

圖5 方形泥門Fig.5 Square shape bottom door

本船設(shè)計(jì)采用了拋泥效率高的方形對(duì)開式泥門，保證了整艘船疏浚系統(tǒng)的施工效率。同時(shí)，針對(duì)方形泥門開口大、鉸鏈區(qū)域泥沙堆積引起鉸鏈和泥門變形的問題，進(jìn)行了一系列的優(yōu)化改進(jìn)。首先在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了加強(qiáng)，保證了其受力后的剛性。其次，方形泥門在鉸鏈位置設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)圓結(jié)構(gòu)，與泥門框相對(duì)應(yīng)，保證泥門在開閉過程中，鉸鏈區(qū)域的間隙一直被轉(zhuǎn)圓結(jié)構(gòu)填充，阻止了異物和泥沙的進(jìn)入和沉積，解決了泥門及鉸鏈結(jié)構(gòu)因卡入異物和泥沙堆積而導(dǎo)致變形的問題。

同時(shí)，在方形泥門四周區(qū)域，配置了一組角度有序的旋流型高壓沖水噴嘴，卸泥時(shí)高壓水流在泥門區(qū)域高速?zèng)_刷，帶動(dòng)泥漿形成旋流流態(tài)，減少泥漿在泥門區(qū)域的附著，加速卸泥過程，提高效率。

4 疏浚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

疏?？刂葡到y(tǒng)采用了IHC最新研發(fā)成果“一人疏?？刂疲∣ne person dredging control）”系統(tǒng)。船舶在航行控制臺(tái)和疏浚控制臺(tái)均設(shè)置了“一鍵疏?！卑粹o。施工參數(shù)設(shè)定后按下“一鍵疏?！卑粹o，APSS（耙臂系統(tǒng)自動(dòng)順序）系統(tǒng)首先啟動(dòng)，耙臂系統(tǒng)被提升并推出舷外，下放至舷側(cè)吸口位置。此時(shí)，所有啟動(dòng)泥泵和高壓沖水泵所需的輔助設(shè)備都被激活，包括封水系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及疏浚閥組預(yù)置。在耙頭入水及達(dá)到預(yù)設(shè)深度中，泥泵和高壓沖水泵自動(dòng)合排，所有相關(guān)的自動(dòng)疏?？刂谱酉到y(tǒng)AWC（Automatic Winch Control System）、ADC（Automatic Draught Control System）、AVC（Automatic Visor Control System）、EPC （Eco pump controller）、ALMO（Automatic Light Mixture Overboard System）啟動(dòng)運(yùn)行，耙頭繼續(xù)下放到達(dá)預(yù)設(shè)挖深位置，開始疏浚過程。在耙頭挖掘過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)濃度變化對(duì)耙頭姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，確保正常高效施工，避免濃度過大或過小。完成挖泥過程后，自動(dòng)起耙并將耙臂系統(tǒng)歸位。這一自動(dòng)化疏浚控制系統(tǒng)將最優(yōu)化的施工方法與操耙工藝相結(jié)合并形成規(guī)則化和程序化，可保持穩(wěn)定的產(chǎn)量[7]。據(jù)疏浚測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在整合并啟動(dòng)激活TSC（Trail Speed controller）、AVC（Automatic Visor Control System）、AWC（Automatic Winch Control System）和EPC（Eco pump controller）功能時(shí)，使用自動(dòng)化系統(tǒng)的施工產(chǎn)量預(yù)期比人工操作平均提高約15%。

5 結(jié)語

全船疏浚系統(tǒng)是一個(gè)整體，各疏浚設(shè)備相互之間匹配才能夠發(fā)揮出最佳的施工效率，僅僅單個(gè)疏浚設(shè)備性能的提升是不夠的，甚至?xí)斐上到y(tǒng)內(nèi)部的不匹配，發(fā)生“小馬拉大車”或“大馬拉小車”等現(xiàn)象，造成能源的浪費(fèi)。因此，在對(duì)耙吸挖泥船各個(gè)疏浚設(shè)備研究和設(shè)計(jì)過程中，必須以系統(tǒng)的理念從提升整船疏浚系統(tǒng)性能的角度來改進(jìn)和優(yōu)化疏浚設(shè)備。

本船正處于建造過程中，后續(xù)將針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)重點(diǎn)疏浚裝備的安裝和調(diào)試進(jìn)行專項(xiàng)應(yīng)用研究，驗(yàn)證其理論設(shè)計(jì)與實(shí)船應(yīng)用的相符性。