7 000 m3開(kāi)底泥駁改造耙吸挖泥船技術(shù)分析

劉凱鋒，陶沖林，王楠，邵敏

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200023）

0 引言

中港疏浚有限公司2015年建造了“航駁7001”和“航駁7002”2艘自航開(kāi)底泥駁姊妹船（以下簡(jiǎn)稱(chēng)本船），泥艙艙容約為7 000 m3，主要用于配合大型挖泥船進(jìn)行沿海港口、航道疏浚工程疏浚土裝駁、運(yùn)泥和拋填施工，以提高大型挖泥船遠(yuǎn)距離運(yùn)輸疏浚土的施工效率。2015年船舶投入生產(chǎn)后，先后在長(zhǎng)江口深水航道治理工程配合大型耙吸挖泥船“新?；ⅰ陛喖霸诙砹_斯海參崴三號(hào)工程配合特大型絞吸船“天鯤”輪疏浚土裝駁施工，在國(guó)內(nèi)外重大工程中發(fā)揮了重要作用。

當(dāng)前，港口航道工程建設(shè)中產(chǎn)生的疏浚泥土作為可利用的有益資源在業(yè)界被廣泛認(rèn)同[1]，而本船的泥艙艙容正好與國(guó)內(nèi)外疏浚市場(chǎng)需求的中型耙吸挖泥船（4 500～8 000 m3）相符。同時(shí)本船改成耙吸挖泥船后還可改善公司現(xiàn)有的船隊(duì)結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)7 000 m3自航開(kāi)底泥駁改造成耙吸挖泥船的技術(shù)研究很有必要。

1 船舶概況

1.1 原船概況

本船可在無(wú)限航區(qū)自航調(diào)遣，沿海航區(qū)施工作業(yè)，入級(jí)中國(guó)船級(jí)社（CCS）。采用雙機(jī)、雙槳復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式，船首配有側(cè)推裝置，具備良好操縱性。泥艙形式為漏斗型，泥艙底部設(shè)有14個(gè)鉸鏈?zhǔn)侥嚅T(mén)，分2列對(duì)稱(chēng)布置，泥艙底部無(wú)橫向和縱向三角艙，泥艙主甲板區(qū)域設(shè)有箱型架空橫梁。泥艙內(nèi)布置多個(gè)高壓噴水嘴，由2臺(tái)高壓沖水泵并聯(lián)供水，便于泥艙內(nèi)泥沙的快速排出。泥艙首部右舷設(shè)有帶液壓油缸的溢流裝置；燃油和淡水裝載滿(mǎn)足連續(xù)作業(yè)20 d，主機(jī)85%持續(xù)功率下，續(xù)航力為4 800 n mile?？偛贾脠D見(jiàn)圖1。

圖1 總布置圖Fig.1 General layout

1.2 改造目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)“航駁7001”單邊（右舷）水下疏浚作業(yè)的功能，最大挖深不小于25 m，本船的入級(jí)符號(hào)[2]需變更為：

★CSA Trailing Suction Hopper Dredger；Dredging Within R2，PSPC（B）

★CSM BRC

推進(jìn)功率不變的前提下，滿(mǎn)足單耙水下作業(yè)、逆流3 kn時(shí)，船對(duì)地航速不小于2 kn的要求。

受原泥艙結(jié)構(gòu)形式和推進(jìn)功率不變的限制，改造后本船適宜疏浚土質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)土及泥炭、淤泥質(zhì)土、中等硬度的黏土、松散的沙土[3]以及其他相對(duì)易于疏浚且不易在艙內(nèi)粘結(jié)的疏浚土質(zhì)，目標(biāo)作業(yè)區(qū)域?yàn)檠笊缴钏?、廈門(mén)港港池等。

在保證相關(guān)技術(shù)性能要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮技術(shù)改造方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性[4-6]。

2 改造方案

2.1 概述

右舷增設(shè)一套耙管系統(tǒng)，泵艙內(nèi)增設(shè)1臺(tái)由1 000 kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的艙內(nèi)泥泵，機(jī)艙內(nèi)拆除原400 kW輔發(fā)電機(jī)組，增設(shè)1臺(tái)1 200 kW的輔發(fā)電機(jī)組及其它相關(guān)配套設(shè)備。

同時(shí)，泥艙前部隔出一部分空間作為泵艙用于布置艙內(nèi)泥泵、齒輪箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，泥艙后部隔出一部分空間作為燃油艙和空艙。改造方案主視圖見(jiàn)圖2。

圖2 改造方案主視圖Fig.2 Front view of transformation scheme

2.2 主要參數(shù)對(duì)比

改造前后船舶的主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改造前后船舶主要參數(shù)對(duì)比表Table 1 Comparison of main parameters of ships before and after transformation

2.3 新增設(shè)備

1）輔發(fā)電機(jī)組

拆除原400 kW輔發(fā)電機(jī)組，更換為1 200 kW輔發(fā)電機(jī)組，輔發(fā)電機(jī)選用國(guó)產(chǎn)機(jī)型。

2）泥泵

選用1臺(tái)清水流量約10 000 m3/h，揚(yáng)程19 m，軸功率為800 kW的國(guó)產(chǎn)艙內(nèi)泥泵。

3）泥泵電機(jī)

選用1 000 kW國(guó)產(chǎn)變頻電機(jī)1臺(tái)。

4）泥泵控制系統(tǒng)

1臺(tái)移相變壓器及1臺(tái)12脈沖變頻器，其中變頻器選用進(jìn)口模塊，國(guó)內(nèi)組柜的模式。

5）耙吸管系

右舷設(shè)1套DN800耙吸管系統(tǒng)，耙吸管為3點(diǎn)起吊方式。

6）耙管吊放絞車(chē)

設(shè)350 kN耙頭絞車(chē)1臺(tái)，350 kN耙中絞車(chē)1臺(tái)，150 kN彎管絞車(chē)1臺(tái)。

將耙頭絞車(chē)和耙中絞車(chē)布置于左舷，平衡一部分重量的同時(shí)，也可以擴(kuò)大絞車(chē)與滑輪之間距離，改善絞車(chē)出繩角度。

7）液壓系統(tǒng)

原船有1套液壓系統(tǒng)，用以啟閉泥門(mén)。

新設(shè)的耙管吊放系統(tǒng)均為液壓驅(qū)動(dòng)，按耙管平放，耙頭絞車(chē)、耙中絞車(chē)和彎管絞車(chē)80%負(fù)載同時(shí)工作計(jì)算，原船的液壓泵站功率可以滿(mǎn)足要求，但需進(jìn)行改造，增加各液壓絞車(chē)和吊放系統(tǒng)的液壓管路和控制閥組。

8）操耙臺(tái)

在駕駛室右舷增設(shè)操耙臺(tái)1座，可在駕駛室遙控和監(jiān)視新增設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

自航開(kāi)底泥駁改造為耙吸挖泥船，由于已有泥艙和泥門(mén)，具備一定的先天優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際改造方案中還有以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

3.1 泥艙布置

本船的泥艙布置要滿(mǎn)足耙吸挖泥船獨(dú)特的浮態(tài)要求“泥艙滿(mǎn)載時(shí)，船舶要基本平浮”。

因此當(dāng)泥艙前部增加泵艙后，泥艙后部也應(yīng)減小相應(yīng)體積，考慮到新增的1 200 kW輔發(fā)電機(jī)組對(duì)燃油的額外要求，將泥艙后部隔出的空間作為燃油艙和空艙。

3.2 重量重心

本次改造前后船舶的重量重心變化如表2所示。

表2 改造前后船舶重量重心對(duì)比表Table 2 Comparison of ship weight and center of gravity before and after transformation

從表2可以看出，新增的重量集中于右舷，且使得本船重心提高了0.181 m。為了調(diào)節(jié)橫傾，保證本船左右舷的平衡，除前述的疏浚設(shè)備布置調(diào)整外，還需在左舷空艙內(nèi)增加約85 t固定壓載。

3.3 浮態(tài)

本船因泥艙艙容減小，滿(mǎn)載時(shí)裝載密度為1.54 t/m3，而考核耙吸挖泥船浮態(tài)的常規(guī)泥漿密度一般為1.4 t/m3左右，需要同時(shí)校核2個(gè)泥漿密度下泥艙滿(mǎn)載的浮態(tài)。

1）當(dāng)載泥量約為9 480 t（泥漿密度1.54 t/m3），10%油水，裝載達(dá)到7.50 m作業(yè)吃水時(shí)，無(wú)需壓載水，船舶基本接近平浮。

2）當(dāng)載泥量約為8 620 t（泥漿密度1.4 t/m3），10%油水，裝載達(dá)到7.05 m吃水時(shí)，無(wú)需壓載水，船舶基本接近平浮。

3.4 推進(jìn)及阻力

本船改成耙吸挖泥船后，右耙吸水下疏浚作業(yè)時(shí)，推進(jìn)力的絕大部分由靠近耙管側(cè)的右主機(jī)提供。全船的阻力將明顯增加，耙管與耙頭的阻力總和遠(yuǎn)大于此時(shí)的船體阻力[7]，耙頭阻力是阻力的主要成分[8]。此時(shí)，船舶的原有主機(jī)功率能否滿(mǎn)足本文1.2節(jié)中的“適宜疏浚土質(zhì)”和“作業(yè)對(duì)地航速”的相關(guān)要求，是決定本次改造方案成敗的最關(guān)鍵因素。

3.4.1 船體阻力

分別選用CFD數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)公式的方法，其中CFD數(shù)值模擬使用流體力學(xué)軟件STARCCM+完成，經(jīng)驗(yàn)公式選用Holtrop[9-10]法進(jìn)行?？紤]實(shí)船污底等客觀因素的影響，自由航行工況按9.5 kn航速校核。CFD數(shù)值模擬時(shí)將本船底部的泥門(mén)開(kāi)槽考慮在內(nèi)。

船體阻力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 9.5 kn航速船體阻力結(jié)果對(duì)比表Table 3 Comparison of hull resistance results at 9.5 kn speed

從表3可以看出，Holtrop法計(jì)算的有效功率為966.2 kW，小于CFD軟件計(jì)算得出的1 152 kW。因?yàn)镠oltrop法有一定的船型適用性，且無(wú)法計(jì)入本船船底的14個(gè)開(kāi)槽部分帶來(lái)的影響。因此對(duì)耙吸挖泥船這種底部開(kāi)槽的特殊船型，CFD數(shù)值模擬船體阻力得出的結(jié)果會(huì)更加精確。

單耙水下作業(yè)時(shí)，對(duì)水航速5.0 kn時(shí)，CFD數(shù)值模擬出的船體阻力為63.9 kN。

3.4.2 耙管阻力

選用SESAM水動(dòng)力軟件對(duì)耙管進(jìn)行波流力分析。計(jì)算條件為：耙管外徑832 mm、水深25 m、流速2～6 kn、波高1.5 m及波浪周期6 s，得到不同流速下的耙管阻力曲線見(jiàn)圖3。當(dāng)流速5 kn時(shí)，耙管阻力為58.35 kN。

圖3 耙管阻力曲線圖Fig.3 Resistance curve of dredger tube

3.4.3 耙頭阻力

耙頭阻力成因復(fù)雜，主要受水流阻力、對(duì)地力、摩擦力和切削力等影響，其受力示意圖如圖4所示。

圖4 耙頭受力示意圖Fig.4 Stress diagram of dredger head

本船選用常規(guī)DN800耙頭，重量10 t、有效挖掘?qū)挾燃s2.9 m，選用符合本文1.2節(jié)中所述的淤泥質(zhì)軟土和中細(xì)砂2種易于疏浚的典型土質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其主要特性如下。

淤泥質(zhì)軟土：外摩擦角32.5°，黏聚力23 kPa、切削深度0.2 m，土顆粒密度2.65 t/m3。

中細(xì)砂：D50=0.25～0.30 mm，切削深度0.2 m，土壤摩擦角30°，滲透系數(shù)2.5×10-4。

按“耙吸挖泥船挖泥工況阻力的近似計(jì)算”[11]中的公式進(jìn)行計(jì)算，本船的耙頭阻力計(jì)算值為79.5～155 kN。

為了驗(yàn)證上述數(shù)值，對(duì)5 500 m3耙吸挖泥船“浙路工002”進(jìn)行了實(shí)船測(cè)試，耙頭為同規(guī)格的DN800耙頭，當(dāng)在長(zhǎng)江口南槽逆流4～5 kn施工時(shí)，其耙頭阻力約為60～110 kN。

“新海鯨”選用的DN900主動(dòng)耙頭，耙頭寬2.8 m，在挖淤泥時(shí)，航速2.5 kn的實(shí)測(cè)阻力約為70.5 kN[11]。

綜上，偏于安全考慮，本船的耙頭阻力選用計(jì)算值79.5～155 kN。

3.4.4 總阻力

疏浚作業(yè)工況下，本船對(duì)水航速5 kn時(shí)，船體阻力為63.9 kN，耙頭阻力為79.5～155 kN，耙管阻力為58.35 kN?？傋枇槿咧?，即202～277 kN，按舵槳效率0.4計(jì)算，本文1.2節(jié)中“適宜疏浚土質(zhì)”所需要的理論推進(jìn)功率約為1 260～1 730 kW，而本船實(shí)配右主機(jī)功率為1 935 kW。因此，在主機(jī)功率不變的前提下，基本可以滿(mǎn)足疏浚作業(yè)工況的推進(jìn)要求。

3.5 配電設(shè)備

設(shè)1屏輔發(fā)電機(jī)供電切換屏，1 200 kW輔發(fā)電機(jī)作為疏浚發(fā)電機(jī)，專(zhuān)門(mén)給艙內(nèi)泵電機(jī)供電，此時(shí)的負(fù)荷率約為83.3%；其余工況，輔發(fā)電機(jī)供電切換屏切換為接至主配電板，此時(shí)負(fù)荷率約為30.3%。

3.6 人員配置

原船定員20人，將原來(lái)的3個(gè)備員間改為工作人員間（2人間），會(huì)議室改為“高級(jí)船員餐廳兼會(huì)議室”，這樣，實(shí)際定員可增至26人，基本滿(mǎn)足中型耙吸挖泥船的人員配置要求，本船救生艇（26人）等也無(wú)需更換。

3.7 水下泥泵與艙內(nèi)泥泵方案對(duì)比

開(kāi)底泥駁改造為耙吸挖泥船，可以選用艙內(nèi)泥泵或水下泥泵方案。使用水下泥泵無(wú)需對(duì)泥艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，似乎工作量小于艙內(nèi)泥泵方案，但經(jīng)過(guò)多方面對(duì)比后，對(duì)于本船而言，艙內(nèi)泥泵是更佳的解決方案。2個(gè)方案的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 水下泥泵與艙內(nèi)泥泵方案對(duì)比表Table 4 Comparison of schemes of underwater pump and inboard dredge pump

從表4可見(jiàn)，由于新增的1 200 kW輔發(fā)電機(jī)組需要增加新的燃油艙，出于浮態(tài)的考量只能將燃油艙布置于泥艙后部船中處，同時(shí)為避免泥艙中心改變影響浮態(tài)，泥艙前端也要被動(dòng)減小相應(yīng)體積，這樣水下泥泵方案對(duì)本船最直接的優(yōu)勢(shì)將不存在，其余與艙內(nèi)泥泵方案相比均較差。

需要指出的是，當(dāng)采用水下泥泵方案時(shí)，整個(gè)耙管的附加阻力會(huì)發(fā)生較大改變，無(wú)論是耙管的迎流面積還是阻力系數(shù)均會(huì)增加。采用本文3.4.2節(jié)的方法計(jì)算，在流速5 kn時(shí)耙管阻力為104 kN，總阻力上升至247～323 kN。采用本文3.4.4節(jié)中相同的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，水下泥泵方案所需的理論推進(jìn)功率為1 546～2 018 kW，如疏浚土質(zhì)相對(duì)較硬時(shí)，單臺(tái)主機(jī)則無(wú)法提供足夠的推進(jìn)力。

綜合考慮各方因素，本改造方案采用艙內(nèi)泥泵方案是比較合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

7 000 m3自航開(kāi)底泥駁改造為耙吸挖泥船的技術(shù)方案在不改變主機(jī)和機(jī)艙布局等條件下即可實(shí)行，主要的輔發(fā)電機(jī)組、泥泵和泥泵電動(dòng)機(jī)等均選用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，降低了改造方案的經(jīng)濟(jì)成本，整體改造方案具備技術(shù)可行性和一定的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)擬改造成耙吸挖泥船的其它船舶具有一定的參考價(jià)值。