突破絞吸式挖泥船核心技術助推大型疏浚裝備走向遠海

本刊記者 吳秀霞

以上海交通大學為主的科研團隊已建立大型絞吸式疏浚裝備自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術體系，并取得了重要成果。

隨著我國基礎建設快速發(fā)展、特別是“一帶一路”倡議的實施，從近海到遠海的港口、航道、臨海基地等疏浚工程量正快速增長，對大型疏浚裝備提出較大需求。同時，港口航道深水化及沿海臨港工業(yè)區(qū)建設需求推動大型絞吸式疏浚裝備快速發(fā)展，使我國大型絞吸式疏浚裝備逐漸具備遠海作業(yè)能力。與此同時，疏浚業(yè)逐步向海上島礁建設推進。在日前召開的第20屆中國國際海事會相關論壇上，上海交通大學海洋水下工程科學研究院院長楊啟表示，近年來，由上海交通大學聯(lián)合中交疏浚等單位組成產(chǎn)學研用團隊，解決了巖石挖掘、海上可靠定位、泥沙遠距離輸送、絞吸式疏浚裝備系統(tǒng)集成等技術難題，建立了海上大型絞吸式疏浚裝備自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術體系，并在該系列裝備研制方面取得了重要成果，促進我國疏浚業(yè)從近海走向遠海。

攻克四大核心技術

大型絞吸式疏浚裝備包含絞吸式挖泥船挖掘海底巖土并同步遠距輸送技術，需具備抗風浪、高強度、高可靠、高效率的連續(xù)作業(yè)能力。其中，挖掘技術、定位技術、輸送技術及系統(tǒng)集成是絞吸式挖泥船四大核心技術，攻克這四大難點，等于掌握了大型絞吸式疏浚裝備的核心“命門”。上海交通大學船舶設計團隊在社會各界的大力支持下，20年來，開發(fā)了59艘大型絞吸式疏浚裝備系列。

楊啟表示，絞吸式挖泥船絞刀挖掘技術對于挖掘泥沙來講技術比較成熟，絞刀切削泥土的載荷不大，重點解決泥土挖掘效率，減少挖泥泥沙的散失率。對于挖掘粘土重點是解決挖掘過程的吸入性、吸口堵塞等問題，當然，挖掘粘土的載荷特性也是值得關注的問題。

首先，目前一個難點在于巖石挖掘理論和挖掘載荷的計算分析，以及挖掘巖石的絞刀研究開發(fā)；另一個難點則是絞刀長軸系挖掘巖石的扭振問題。對此，上海交通大學研究團隊開展了大尺寸切削破巖試驗、絞刀挖巖數(shù)值試驗，提出了切削破巖數(shù)值模擬——SPH、刀齒切削破巖理論，開發(fā)了傾斜彈性結構上超長軸系挖掘裝置。最終，提出海底高強度巖礁的快速挖掘破碎技術，研制出7800千瓦重型絞刀、40米超長挖掘驅動系統(tǒng)和重型絞刀架。

其次，疏浚從近海走向遠海，遠海海況更加惡劣，海浪會對定位樁產(chǎn)生萬噸米級的彎矩，巨大載荷造成海上作業(yè)定位困難，輕則無法作業(yè)，重則斷樁。為了降低作用在定位系統(tǒng)上的載荷幅值，項目組開發(fā)了由挖掘系統(tǒng)、裝備主體和定位系統(tǒng)組成的多體耦合動力學分析技術，用于分析裝備的載荷特征，并在主體和鋼樁臺車之間，增設了緩沖補償裝置，它由油缸加蓄能器或者由鋼絲繩加油缸等組成，使用時，可根據(jù)波浪的特征，調節(jié)緩沖補償裝置初始狀態(tài)，改變其固有頻率，使其與激勵外力的頻率避開。通過計算分析，項目組找到了定位系統(tǒng)利用緩沖補償裝置降低載荷幅值的規(guī)律。最終，該團隊開發(fā)出復雜海況中重載作業(yè)可靠定位裝備，創(chuàng)建了漂浮裝備主體、挖掘和定位三大系統(tǒng)的多體耦合動力學分析方法，研制了具有自主知識產(chǎn)權的四大特色設備，即：多環(huán)均壓式鋼樁提升機構、快速倒立樁機構、雙軛架式驅動機構及多自由度緩沖機構。最終，重載作業(yè)定位技術將不同型號的行走機構、升降機構、緩沖機構、倒立樁機構和鋼樁集成在一起，形成了三代鋼樁定位系統(tǒng)。

再次，在物料輸送技術方面，項目組提出復雜地貌絞刀軌跡實時檢測與控制系統(tǒng)，克服海流作用、鋼索變形、多變地質等影響，實現(xiàn)定深定寬精準疏浚作業(yè)?！霸诤＠酥械氖杩Ｑb備即使被一根鋼樁定位，仍然會有一定幅度的往復運動，這個運動會使絞刀的進刀量、切削量發(fā)生改變，進而影響絞刀的挖掘軌跡，影響挖掘的產(chǎn)量和效率。”楊啟表示，針對海底巖礁大塊物料卡泵的難題，提出扭曲三葉片型葉輪和多介質內流道設計方法，在提高大型疏浚泥泵的過流球徑同時增大泥泵輸送效率，進而研發(fā)出多泵協(xié)同低阻力管道輸送系統(tǒng)與控制技術，實現(xiàn)了“動力裝置-疏浚泵-輸送管道”特性匹配的高疏浚產(chǎn)量優(yōu)化控制。這套系統(tǒng)與控制技術在多座裝備上進行了產(chǎn)業(yè)化推廣，輸送距離提高到15公里，平均萬方能耗降低15.8%，達到國際領先水平。

最后，設計和制造大型絞吸式疏浚裝備是一項復雜的重大工程，要將大型絞吸式疏浚裝備的各大系統(tǒng)科學地集成起來，設計制造出安全、高效和節(jié)能的產(chǎn)品，必須有科學的研制體系，合理的設計流程，嚴格的質量保證措施。楊啟指出，項目團隊基于絞吸式裝備疏浚機理，提出負載平衡高效動力控制策略，開發(fā)了多系統(tǒng)綜合能量分配的集成動力系統(tǒng)，降低疏浚作業(yè)能耗。同時，開發(fā)裝備系統(tǒng)、疏浚環(huán)境、作業(yè)參數(shù)的實時信號采集與精準控制技術，研制3D實景地形重建疏浚監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化高效疏浚。最終，項目組研發(fā)突破了疏浚作業(yè)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與裝備主體的集成設計瓶頸，研制出高效動力系統(tǒng)和疏浚集成監(jiān)控系統(tǒng)，構建了大型絞吸式疏浚裝備的設計制造體系，與國外相比研制周期縮短35%，建造成本降低44%。

關注四大發(fā)展趨勢

“航絞2001”號既是上海交通大學設計的第一座大型絞吸式疏浚裝備，更是上海交通大學和上海航道局研制的具有自主設計產(chǎn)權的第一座絞吸式疏浚裝備。在國內無設計能力、配套能力、建造能力的背景下，“航絞2001”號走出了從無到有的第一步，這一步雖然走得很艱難，犯過不少錯誤，但改變了大型絞吸式疏浚裝備核心技術受制于人的狀況。除此之外，上海交大后續(xù)研發(fā)的“天獅號”“天鯨號”等自航絞吸式疏浚裝備對南海島礁建設和“一帶一路”重大工程發(fā)揮了重要作用。

楊啟表示，未來絞吸式疏浚裝備將呈現(xiàn)重型化、智能化、全電力驅動、節(jié)能環(huán)保等發(fā)展趨勢。

首先，基于工程的需要，巖石越來越難以挖掘；出于環(huán)保的需要，國際禁止爆破等傳統(tǒng)施工，機械方法施工是比較高效的替代方法。因此，重型化是絞吸式疏浚裝備今后發(fā)展趨勢之一，隨著絞刀功率不斷增加，挖掘能力越來越強。目前，國內的“天鯤號”“新海旭”“新海騰”“長獅18”等一批具備大功率絞刀的絞吸船已經(jīng)相繼投入使用。

其次，大數(shù)據(jù)、云控制、智能決策的應用，推動絞吸式疏浚設備和機構控制走向智能化。未來，絞吸式疏浚裝備將呈現(xiàn)浚測一體化、三維地形重構、絞刀軌跡控制、疏浚智能決策、功率集中管理、動力智能分配、全電力驅動等“智能”特征。

再次，變頻技術全面應用、中高壓輸配電等技術的推廣，將降低絞吸式挖泥船的萬方油耗，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。絞吸式疏浚裝備將具備大功率設備實現(xiàn)全部電力驅動、大功率電氣變頻控制、中高壓輸配電、大功率負載自動轉移、自航與疏浚動力共享等特征。

最后，楊啟表示，隨著疏浚設備設計精細化、裝備適應性及能效的不斷提高、動力系統(tǒng)集中管理與優(yōu)化、柴油機液化天然氣（LNG）燃料驅動以及各種防污染措施的推廣，節(jié)能環(huán)保將成為絞吸式疏浚裝備的重要特征。近20年來，上海交通大學船舶設計團隊研發(fā)了大型絞吸式疏浚裝備五大類59艘（座），其產(chǎn)品在疏浚企業(yè)承接工程中發(fā)揮了重要作用，參與18個國家的211項疏浚項目，推動“一帶一路”沿線港口航道、臨?；氐戎卮箜椖繉嵤?，并助推我國逐步成為世界疏浚強國?！?/p>